рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ - раздел Изобретательство,   В. С. Пряников     ...

 

В. С. Пряников

 

 

СХЕМОТЕХНИКА

АНАЛОГОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

  Чебоксары 2010 Федеральное агентство по образованию

Лекция №1

Введение в дисциплину

«Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Общие сведения об аналоговых электронных устройствах

Целью преподавания данной дисциплины является изучение студентами особенностей схемотехники аналоговых электронных устройств и методов их анализа, а также формирование у студентов знаний, навыков и умений, позво­ляющих осуществлять схемотехническое проектирование электронных устройств, которые обеспечивают усиление и обработку аналоговых сигналов, в том числе и с использованием интегральных микросхем, выпускаемых промышленностью. Эти знания и умения имеют не только самостоятельное значение, но и обеспечивают базовую подготов­ку студентов по схемотехнике, необходимую им при изучении других схемотехнических дисциплин.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- знать принципы функционирования основных аналоговых элек­тронных устройств и их базовых элементов, особенности схемотехники этих устройств, в том числе и учитывающие возможность их реа­лизации по интегральной технологии и необходимость обеспечения стабильности их работы;

- знать и уметь применять методы анализа усилительных и дру­гих аналоговых электронных устройств, основанные на использова­нии эквивалентных схем; уметь составлять эти схемы на базе прин­ципиальных схем анализируемых устройств;

- знать принципы построения цепей обратной связи и их влия­ние на основные показатели и стабильность параметров аналоговых электронных устройств; уметь формировать эти цепи с целью улучшения качественных показателей разрабатываемых ус­тройств и получения заданной формы их характеристик;

- уметь осуществлять схемотехническое проектирование разра­батываемых усилительных и других аналоговых устройств, в том чис­ле, построенных на базе операционных усилителей, а также с учетом возможности их реализации по интегральной технологии; выполнять расчеты, связанные с выбором параметров и режимов работы разрабатываемых устройств;

- уметь применять современную вычислительную технику при анализе и проектировании аналоговых электронных устройств.

Дисциплина «Схемотехника аналоговых электронных устройств» является первой дисциплиной, в которой студенты изучают схемотехнику и ее язык. Она располагается в учебном плане специальности на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку инженеров. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, схемотехникой аналоговых электронных устройств и с методами их анализа; с задачами, связанными с обеспечением стабильности работы и знание которых необходимо как при разработке устройств, рассматриваемых в настоящей дисциплине, так и устройств, изучаемых в других дисциплинах и связанных с формированием, приемом и обработкой аналоговых сигналов.

Изучение дисциплины «Схемотехника аналоговых электронных устройств» базируется на физико-математической подготовке студентов, получаемой ими при изучении дисциплин «Математика» и «Физика», на знании методов анализа электрических цепей, с которыми студенты знакомятся при изучении дисциплин «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Основы компьютерного проектирования РЭС», а также на знании параметров и характеристик пассивных и активных радиокомпонентов, рассматриваемых дисциплинами «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и «Электроника». Материал, изучаемый в дисциплине «Схемотехника аналогов электронных устройств», используется студентами в дисциплинах «Устройства приема и обработки сигналов», «Основы телевидения», «Устройства генерирования и формирования сигналов» и др.

Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ схемотехники аналоговых электронных устройств, творческий подход и самостоятельность при изучении ими соответствующего ма­териала, необходимо провести большую методическую работу, направ­ленную на эффективное использование студентами часов, выделенных учебным планом для самостоятельной работы и на обеспечение руко­водства и контроля преподавателем этой работы. Учитывая место дисциплины в учебном плане, при чтении лекций необходимо особое внимание уделять принципам функционирования изучаемых устройств. Рассматриваемая схемотехника должна быть ориентирована на изго­товление аналоговых устройств, в том числе и по интегральной тех­нологии. Целесообразно об­ратить внимание и на обеспечение повторяемости разрабатываемых устройств при их производстве.

Большое значение для творческого освоения студентами особен­ностей схемотехники аналоговых электронных устройств имеет выпол­нение ими курсового проекта. Курсовой проект по этой дисциплине является первым среди схемотехнических курсовых проектов, выпол­няемых студентами при обучении их по направлению 210300 - Радиотехника и по специальности 210302 - Радиотехника. При его выполнении студенты еще не имеют навыков разработки ус­тройств по заданным показателям. Поэтому во время работы студен­тов над курсовым проектом должно быть обеспечено достаточное ко­личество индивидуальных консультаций.

Для реализации настоящей программы предусмотрено всего 140 часов, из них аудиторных занятий – 78 ч., которые могут быть распределены следующим об­разом: лекции - 46 ч., лабораторные занятия - 32 ч. и самостоятельные занятия – 62 ч. Схемотехника аналоговых электронных устройств изучается в течение четвертого и пятого семестров. Отчетность: зачет в четвертом семестре; дифференцированный зачет по результатам защиты курсового проекта и экзамен за весь курс в пятом семестре.

Программа дисциплины

Введение. Определение аналоговых электронных устройств. Принципы их построения, особенности функционирования и области применения. Усилительные… Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств,… Принцип и назначение обратной связи. Основные способы ее обеспечения. Влияние обратной связи на основные показатели и…

Балльно-рейтинговая система оценки знаний.

Контроль над самостоятельной систематической работой студентов проводится с использованием балльно-рейтинговой системы. Балльно-рейтинговая система… По нашей дисциплине каждый студент в течение четвертого и пятого семестров… Коллоквиумы проводятся во время лабораторных работ, в результате которых студент отвечает на вопросы соответствующего…

Рекомендуемая литература.

1. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – 2-е изд., исправ. – М.: Горячая линия – Телком, 2001.

2. Пряников В.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебное пособие. 2-е изд., доп. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2001.

3. Цыкина А.В. Электронные усилители. М.: Радио и связь, 1982.

4. Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. М.: Радио и связь, 1983.

5. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1983.

6. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие / Под ред. Н.В. Терпугова. М.: Высш. шк., 1982.

7. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот: Учеб. пособие / Под ред. Т.В. Безладного. М.: Радио и связь,1987.

8. Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Сб. задач и упражнений. М.: Радио и связь, 1986.

9. Кубицкий А.А. Задачи и упражнения по электронным усилителям. М.: Радио и связь, 1986.

10. Варшавер В.А. Расчет и проектирование импульсных усилителей. М.: Высш. шк., 1979.

11. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1989.

12. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. М.: Связь, 1967.

13. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Метод. указания к курсовому проекту / Сост. В.С. Пряников; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2001.

 

Лекция 2

Качественные показатели и характеристики

аналоговых электронных устройств.

 

Основные определения

Схемотехника аналоговых электронных устройств базируется на дисциплинах "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и… Рассмотрим общую структурную схему АЭУ, которая приведена на рис.2.1. В состав…  

Входные и выходные показатели.

Выходная цепь усилителя, в которую подключается нагрузка, характеризуется эквивалентной схемой, состоящей из генератора ЭДС и выходного… Хотя выходное сопротивление и сопротивление нагрузки в общем случае имеют… (2.1)

Коэффициент усиления.

, (2.3) который определяется как отношение комплексных амплитуд выходно­го и входного… Частотную передаточную функцию удобно представлять в форме

Амплитудно-частотная характеристика.

Более наглядное представление дает графическое изображение (рис.2.4) частотной характеристики , которая строится в по­лулогарифмическом масштабе.… Рис.2.4. Амплитудно-частотная характеристика.

Фазовая характеристика.

Рис.2.5. Фазовая характеристика усилителя: а – в области нижних частот; б - в области высоких частот

Амплитудная характеристика.

Рис.2.6. Амплитудная характеристика.  

Нелинейные искажения.

, (2.17) где I1 и In - амплитуда токов 1-й и n-й гармоник. Другим показателем, характеризующим нелинейные искажения, является коэффициент интермодуляционных искажений Кн. При…

Переходная характеристика.

Рис. 2.7. Переходная характеристи­ка.  

Лекция №3

Основы построения электронных усилителей

 

Принципы построения усилительных устройств.

При построении усилительного каскада составляют входную и выход­ную цепи. Входная цепь содержит источник сигнала, элемент связи и элементы для…  

Построение усилительного каскада на электронной лампе.

  Рис.3.1. Принципиальная схема усилителя на электронной лампе.

Построение усилительных каскадов на полевых транзисторах.

Полярность смешения на затворе для транзисторов первой группы должна быть отрицательной, для третьей группы - положительной. Транзис­торы второй…  

Рис.3.3. Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе

 

В усилителях на полевых транзисторах используется способ автоматического смещения (элементы Rи, Си). Остальные элементы схемы имеют те же назначения, что и в усилителях на электронной лампе.

 

Работа электронной лампы и полевого транзистора в схеме АЭУ.

  Под действием переменного напряжения входного сигнала в выходной цепи… Практически усиленное выходное напряжение обычно снимается с резистора и источника питания. Это вызывается…

Особенности построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах.

Рис.3.5. Принципиальная схема уси­лительного каскада на биполярном транзисторе…  

Работа биполярного транзистора в усилительном каскаде.

Если напряжение на эмиттерном переходе уменьшается, то уменьшаются Iэ, Iк и наоборот. Таким образом, источник сигнала Uвх(t) небольшой мощности… Анализируя графики 1 и 3, приходим к выводу, что усилительный каскад с общим…

Схемы межкаскадной связи.

В каскадах со схемами непосредственной межкаскадной связи называют такие схемы, в которых выходной электрод предыдущего каскада соединяется с…  

Лекция №4

Обеспечение и стабилизация режима работы

усилительного элемента по постоянному току.

 

Режим работы усилительного элемента.

Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току. В некоторых учебниках этот режим называют статическим или… При наличии Uвх входного сигнала в цепях УЭ появляются переменные составляющие… Режим сильного сигнала в свою очередь подразделяется на режимы А, В, АВ и С.

Цепи подачи смещения.

В каскадах на электронных лампах и полевых транзисторах используется способ автоматического смещения (см. рис.3.1., 3.3). Элементами автоматического… Рассмотрим способы подачи смещения в каскадах на биполярных транзисторах. Для… Первый способ подачи смещения фиксиро­ванным током базы при помощи гасящего сопротивления R1 показан на рис.4.2,а. R1…

Стабилизация рабочей точки биполярных транзисторов.

где А - коэффициент, зависящий от технологии производства транзистора. При увеличении температуры на 10°С увеличивается в два раза. Такое явление… Коллекторная стабилизация в случае подачи смещения с помощью делителя объясняется следующим образом: Iд= (Е-IкRн)/(R1…

Лекция №5

Предварительные усилители напряжения

Общие сведения о предварительных усилителях.

Предварительные каскады усиления предназначены для усиления тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Предварительные усилители состоят из нескольких каскадов.

Для уменьшения количества каскадов предварительного усилите­ля коэффициент усиления каждого каскада желательно иметь наи­большим. Для этого в каскадах предварительного усиления ис­пользуют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления в режиме А.

Вследствие малой амплитуды сигнала в цепях каскадов предва­рительного усиления расчет коэффициента усиления по току и по напря­жению усиливаемого сигнала производят аналити­чески с использованием эквивалентных схем и малосигнальных параметров усилительных элементов.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером и с общим истоком, так как при работе на входную цепь следующего каскада это дает возможность получить наибольшее усиление. В каскадах предварительного усиления нахо­дят широкое применение резистивные схемы на электронных лампах, полевых и биполярных транзисторах. Редко применяются трансформа­торные схемы.

 

Принципиальные схемы предварительных усилителей.

Рис.5.1. Предварительный каскад на полевом транзисторе  

Эквивалентная схема усилителя.

Любой усилительный элемент может быть представлен четырехполюсником, (рис.5.2) который характеризуется системой параметров у, z и h. В нашем курсе мы будем пользоваться системой у параметров.

Рис.5.2. Линейный четырехполюсник.

 

В этом случае четырехполюсник описывается системой уравнений:

(5.1)

где - входная проводимость;

- обратная проводимость;

- прямая проводимость (S крутизна);

- выходная проводимость.

Таким образом, основные параметры усилительных элементов можно выразить через у - параметры четырехполюсника (рис.5.3.а).

Входная и выходная проводимости усилительного элемента состоят из активных и реактивных составляющих:

, (5.2)

(5.3)

Прямая проводимость определяется коэффициентом усиления БТ или крутизной проходной характеристики ПТ

. (5.4)

Влиянием обратной проводимости на низких частотах пренебре­гают, и эквивалентные схемы усилительного элемента входной и вы­ходной цепей рассматривают отдельно (рис. 5.3,б и 5.3,в).

Рис.5.3. Эквивалентная схема двойного усилительного элемента:

а – полная; б – выходной цепи; в – входной цепи

 

Свойства и характеристики усилительного каскада зависят от свойств и параметров усилительного элемента, схемы межкаскадной связи, а также от параметров нагрузки. Определение свойств и ха­рактеристик усилителя (анализ) проводят по его эквивалентной схе­ме. Эквивалентная схема одного каскада усилителя, приведенная на рис.5.4, состоит из эквивалентной схемы выходной цепи усили­тельного элемента рассматриваемого каскада, элементов схемы межкаскадной связи и эквивалентной схемы входной цепи усилительного элемента следующего каскада.

 

Рис.5.4. Эквивалентная схема резисторного усилителя.

 

Полная эквивалентная схема резистивного усилителя (рис.5.4) включает в себя, кроме выходной цепи, цепочку межкаскадной связи C1R1, входную цепь следующего усилительного элемента и ем­кость монтажа .

В ламповых усилителях и усилителях на полевом транзисторе влиянием можно пренебречь, так как его значение очень велико и ток по этой цепи не протекает.

Емкость выходной цепи представляет собой межэлектрод­ную емкость между анодом и катодом или между стоком и истоком .

Емкость монтажа зависит от габарита выбранных элементов и составляет порядка (10¸15) пФ для ламповых усилителей и (5¸7) пФ для транзисторных. Емкость входной цепи определяется межэлек­тродными емкостями затвор-исток и затвор-сток следующим выраже­нием: .

Если просуммируем параллельно включенные емкости , и , то получим общую паразитную емкость

. (5.5)

С учетом (5.5) эквивалентная схема резистивного усилителя примет вид, изображенный на рис. 5.5, где Ri=Rвых.

Рис.5.5. Эквивалентная схема резистивного каскада на ПТ.

 

Методика анализа резисторного каскада

Предварительного усилителя.

На нижних частотах основное влияние на АЧХ оказывает разделительная емкость С1. С уменьшением частоты емкостное сопротивлние, равное Xс=1/ jС,… На верхних частотах сопротивление C0 уменьшается, увеличи­вается шунтирующее…  

Анализ резисторного каскада в области средних частот.

В области средних частот влиянием всех емкостей мож­но пренебречь, так как сопротивление С1 близко к нулю, а сопро­тивление C0 бесконечно большое.… Рис.6.1. Эквивалентная схема резисторного каскада на СЧ.

Анализ резисторного усилителя на высоких частотах.

С учетом вышесказанного эквивалентная схема резистивного усилителя в области верхних частот примет вид, изображенный на рис.6.2 Рис.6.2. Эквивалентная схема резисторного каскада в области ВЧ.

Анализ резисторного каскада в области нижних частот.

  Рис.6.6.Эквивалентные схемы усилителя в области НЧ: а – с генератором тока; б – с генератором ЭДС.

Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей.

Импульсные и широкополосные усилители предназначены для уси­ления импульсных сигналов. Импульсные сигналы подразделяются на радиоимпульсы, используемые в радиолакационных станциях, и видиоимпульсы, применяемые в видеоаппарутуре. Основной характеристикой импульсных усилителей является переходная характеристика, рис.7.1.

Рис.7.1. Переходная характеристика импульсных усилителей.

 

Переходная характеристика – это зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход единичного импульса

Uвх= (7.1)

К импульсным усилителям предьявляются жесткие требования по искажению усиливаего сигнала. Искажения усиленного сигнала в импульсных усилителях определяются количественными показателями переходной характерисики, а именно, временем установления tу и спадом плоской вершины Δсп. Передний фронт импульса формируется высокочастотными составляющими. Чем больше верхняя граничная частота fв, тем меньше искажение переднего фронта tу. Чем меньше нижняя граничная частота fм, тем меньше искажение усиленного сигнала в области плоской вершины импульса Δсп. Следовательно, для безыскаженного усиления сигналов импульсные усилители должны иметь широкую полосу пропускания от единиц Герц до десятков мегаГерц. Поэтому видеоусилители являются широкополосными.

В широкополосных усилителях применяются резисторные каскады с дополнительными цепями коррекции, построенные на специальных высокочастотных транзисторах с большой площадью усиле­ния. Площадью усиления называют произведение коэффициента усиления на средних частотах К0 на верхнюю граничную частоту

Площадь усиления опре­деляется параметрами S и Cо, которые задаются в справочниках.

В каскадах на биполярных транзисторах площадь усиления из-за внутрен­ней обратной связи не остается постоянной, поэтому при выборе биполярного транзистора лучше руководствоваться предельной частотой fh21б или fh21Э.

Как известно, резистивные схемы усилителей могут обеспечить широкую полосу пропускания с равномерной частотной характеристи­кой. Надо иметь в виду, что верхняя граничная частота зависит от выбора сопротивления нагрузки .В целях увеличения верхней граничной частоты в импульсных усили­телях сопротивление нагрузки выбирают небольшим:

Естественно, при этом коэффициент усиления импульсных усилителей получается также небольшим. Поэтому импульсные усилители состоят, как правило, из нескольких каскадов.

Принципиальная схема одного каскада импульсного усилителя без элементов коррекции по внешнему виду ничем не отличается от схемы резистивного усилителя низкой частоты, рис.7.2.

Рис.7.2. Импульсный усилитель.

Анализ импульсного усилителя в области малых времен

Область малых времен - это область больших частот, так как . Следовательно, для анализа переходной характеристики в области малых времен необходимо… Рис.7.3.Эквивалентная схе­ма усилителя в области ВЧ.

Анализ импульсного усилителя в области больших времен

Рис.7.5. Эквивалентная схема ИУ в области больших времен.  

Назначение корректирующих цепей

Корректирующие цепи в импульсных и широкополосныхусилителях служат для улучшения частотных и переходных характеристик. Различают корректирующие цепи в области высоких частот и в области нижних частот. Корректирующие цепи в области высоких частот предназначены для увеличения верхней граничной частоты и уменьшения времени установления. Корректирующие цепи в области нижних частот служат для уменьшения нижней граничной частоты и спада плоской вершины.

 

Простая индуктивная высокочастотная коррекция

Рис.8.1.Схема индуктивной высокочастотной коррекции Корректирующим элементом является индуктивность L, включен­ная последовательно с сопротивлением нагрузки .…

Эмиттерная высокочастотная коррекция

В схеме, приведенной на рис.8.4, в цепи эмиттера парал­лельно вместо шунтирующей емкости Сэ включают корректирующий конденсатор Ск небольшой… Рис.8.4. Схема эмиттерной высокочастотной коррекции

Низкочастотная коррекция

Рис.8.5. Низкочастотная коррекция:а-принципиальная схема; б-эквивалентная… При рассмотрении частотной характеристики принцип действия низкочастотной коррекции можно объяснить следующим образом:…

Общие сведения о выходных каскадах

Выходной или оконечный каскад обычно служит для усиления сигнала по мощности. Основной отличительной чертой выходных каскадов, в отличие от предварительных, является высокий уровень входного и выходного сигналов, т.е. выходные каскады работают в режиме сильного сигнала. Причем выходной сигнал может быть выражен либо номинальной выходной мощностью при активной нагрузке, либо номинальным выходным напряжением при реактивной нагрузке.

Каскады, характеризующиеся выходной мощностью, принято называть усилителями мощности, а каскады, характеризующиеся выходным напряжением, называют выходными усилителями напряжения. Усилитель мощности должен развивать в задан­ной нагрузке требуемую мощность при наименьшей потребляемой энергии и допустимых нелинейных искажениях. Следовательно, усили­тель мощности характеризуется следующими основными параметрами: выходной мощностью на нагрузке; коэффициентом полезного действия и коэффициентом нелинейных искажений.

Нагрузкой выходного усилителя радиовещательной аппаратуры является акустическая система с небольшим сопротивлением (4 или 8 Ом). Для передачи максимальной мощности необходимо согласовывать сопро­тивление нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Поэтому усилители мощности часто строятся по трансформаторной схеме.

На вход усилителя мощности поступает сигнал с большой ампли­тудой, охватывающий всю рабочую область входной характеристики усилительного элемента, вследствие чего его параметры меняются в широких пределах. Поэтому расчет усилителя мощности проводится графо-аналитическим методом, так как аналитические расчеты с использованием параметров усилительного элемента в рабочей точке дают большую погрешность.

Выделяющаяся в усилительном элементе электрическая энергия преобразовывается в тепловую и нагревает коллектор, поэтому для обеспечения надежной работы надо в мощных усилителях предус­матривать системы охлаждения. Для охлаждения применяются радиаторы, продув воздушной струей и водяное охлаждение. Последние два мето­да применяются только в мощных усилителях передающих устройств, где выходная мощность достигает сотен Вт. Радиаторы часто приме­няются в выходных усилителях, построенных на транзисторах.

 

, (9.1)

где Р - мощность, выделяемая на транзисторе;

- допустимая температура перехода;

- максимальная температура окружающей среды;

R - тепловое сопротивление перехода корпуса.

 

Способы построения однотактных выходных каскадов

Рис.9.1. Выходной каскад с непосредственным включением нагрузки.  

Эквивалентная схема трансформаторного каскада

Эквивалентная схема трансформаторного каскада в основном определяется эквивалентной схемой трансформатора (рис.9.4.)

Рис.9.4.Эквивалентная схема трансформаторного каскада.

 

где r1 и r2 - сопротивления потери пер­вичной и вторичной обмоток; и - индуктивности рассеяния;

L1 - индуктивность первичной обмотки; L¢s2, r¢2, U¢вых, R¢н, 0 - па­раметры, приведенные в цепь первичной обмотки трансформатора и оп­ределяемые из следующих выражений:

Трансформатор является элементом связи. Он имеет сердечник из ферромагнитного материала, который позволяет при небольших размерах трансформатора полу­чать большую основную индуктивность L1 и малую индуктивность рассея­ния, что необходимо для нормальной работы схемы. Трансформатор создает связь по переменной составляющей и вмес­те с тем изолирует внешую нагрузку от постоянной составляющей.

Полученная эквивалентная схема сложна, и подробный анализ приво­дит к громоздким выражениям. Поэтому целесообразно произвести обоснованные упрощения.

Очевидно, что в области низких частот основное влияние на рабо­ту усилителя оказывает индуктивность L1, так как ее индуктивное сопротивление убывает по мере понижения частоты и шунтирует вы­ход схемы. В области высоких частот выход схемы шунтируется ем­костями, и, кроме того, здесь выходное напряжение убывает вслед­ствие возрастания сопротивления индуктивностей рассеяния. Поэто­му для получения равномерного участка амплитудно-частотной харак­теристики в области средних частот параметры схемы должны быть выбраны так, чтобы на средних частотах все реактивные элементы оказывали на работу схемы пренебрежимо слабое влияние. Для этого должны быть обеспечены большое значение индуктивности первичной обмотки, малые значения индуктивностей рассеяния и малое значе­ние шунтирующей емкости.

Для выходных усилителей в цепях максимальной отдачи мощнос­ти очень важен правильный выбор рабочего режима, напряжения пита­ния, сопротивления нагрузки и амплитуды входного сигнала. Однотактные выходные каскады работают в режиме А.

 

Выходные динамические характеристики

- выходная динамическая характеристика по постоянному току; - выходная динамическая характеристика по переменному току; - входные, сквозные и проходные динамические характеристики.

Построение ВДХ для каскада с емкостной связью

Uвых=Е-iвыхRн=. (9.4) Уравнением нагрузочной прямой по постоянному току является линейное уравнение… 1. на горизонтальной оси

Построение ВДХ для трансформаторного каскада

Рис.9.7. Нагрузочная прямая по переменному току для трансформаторного… а – построение; б – расчет.

Анализ однотактного выходного каскада в режиме А

Рис.9.8. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А.  

Анализ однотактного трансформаторного

Усилителя мощности в режиме А.

Сопротивление нагрузки переменной составляющей в трансформаторном каскаде равно Rн~= r1+r2¢+ Rн¢» Rн¢, где Rн¢= Rнвн/n2,…  

Лекция №10

Двухтактные выходные каскады

 

Резисторные двухтактные усилители напряжения

Рис.10.1. Резисторный двухтактный усилитель.  

Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

В отличие от резисторного каскада трансформаторное включение позволяет объединить нагрузку плеч. Из-за большого разброса параметров каскады с общей…  

Работа двухтактного каскада в режиме В.

Если в рассматриваемый момент времени полярность Uвх1 отрицательная, то V1 открывается, следовательно коллекторный ток возрастает на некоторую… Первичная обмотка выходного трансформатора наматывается в одну сторону и от ее… Магнитное действие токов и взаимно противоположны, т.к. они протекают в противоположных направлениях. Поэтому…

Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности

Рис.10.7. Анализ двухтактного трансформатора усилителя мощности  

Фазоинверсные схемы

Наиболее широко применяется фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой, рис.10.8. Рис.10.8. Фазоинверсная схема с разделенной нагрузкой.

Лекция №11

Бестрансформаторные двухтактные усилители мощности

Общие сведения

Непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь усилительных элементов позволяет исключить трансформатор. Тран­сформаторы создают частотные и нелинейные искажения. Трансформаторные каскады не способны пропускать широкую поло­су частот, а за счет больших фазовых сдвигов в таких каскадах или становится невозможным применение глубокой обратной связи. Трансформаторы громоздки, обладают большей массой и, в отличие от транзисторов, диодов и резисторов, не могут являться элементами интегральных схем.

Транзисторные бестрансформаторные усилители получили большое распространение из-за своих весьма высоких качественных показате­лей. Они являются основным звеном современной аппарату­ры высококачественного усиления звуковых частот и наиболее пер­спективны, так как могут быть реализованы в интегральном исполне­нии.

 

Принцип построения бестрансформаторного усилителя мощности

Рис.11.1. Бестрансформаторный усилитель мощности.  

Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной

Симметрией

Рис.11.2. Бестрансформаторный усилитель с вольтдобавкой.  

Бестрансформаторный усилитель мощности на

Составных транзисторах

Принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности, имеющего двухтактный каскад с составными транзисторами изображена на рис.11.3. Рис.11.3. Бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах

Лекция №12

Курсовое проектирование

Цель курсового проектирования

Студент должен получить опыт не только расчета отдельных каскадов усилителей, но и обоснованного выбора структурной схемы усилителя, элементов и… Вместе с тем, курсовое проектирование должно научить студента работать со…  

Содержание и тематика проекта

Каждый студент выполняет курсовой проект согласно индивидуальному заданию, которое получает от преподавателя-консультанта.

Задание предусматривает выбор и обоснование функциональной схемы усилителя, расчет выходного и предвыходного каскадов и одного или двух каскадов предварительного усилителя. При наличии цепей ООС производится расчет этих цепей.

Задание содержит перечень исходных данных для проектирования. Некоторые частные исходные данные по указанию консультанта могут быть выбраны студентом самостоятельно при обязательном обосновании такого выбора на основании предъявленных к усилителю более общих требований.

Учитывая, что в современной радиоэлектронной аппаратуре используются как полупроводниковые, так и электровакуумные приборы, тематика курсовых проектов включает:

- усилители звуковой частоты (УЗЧ) с трансформаторным выходным каскадом;

- УЗЧ с бестрансформаторным выходным каскадом;

- УЗЧ для заданной группы сложности с выбором типа выходного каскада;

- УЗЧ на интегральных микросхемах и операционных усилителях;

- импульсные усилители на дискретных полупроводниковых усилительных элементах с нагрузкой различного типа.

Кроме перечисленных тем студенту может быть предъявлен проект на разработку, изготовление и отладку действующего макета усилителя, используемого в учебных целях или научно- исследовательских работах (НИР) на кафедре. Если объем задания в этом случае выходит за рамки курсового проекта, разработка такого устройства может поручиться нескольким студентам.

 

Правила выполнения и оформления курсового проекта

Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка к курсовому проекту должна содержать следующие… - титульный лист;

Организация работ и последовательность проектирования

1)изучение литературы по теме и выбор функциональной схемы 15% 2)расчет функциональной схемы 15%

Лекция №13

Обратная связь в аналоговых электронных устройствах

 

Классификация видов обратной связи

Обратной связью (ОС) называют такую электрическую связь, посредством которой передается энергия сигнала с выхода усилителя на его вход. Структурные схемы усилителей с обратной связью приведе­ны на рис.13.1,а, б.

Рис.13.1. Структурные схемы усилителей

а – с последовательной ОС по напряжению; б – с параллельной ОС по току

 

На вход усилителя воздействует результирующий сигнал, отличающийся от входного сигнала .

(13.1)

Часть выходного сигнала по цепи ОС поступает во входную цепь. Соответственно, меняется и входное напряжение . По существу никаких перемен в работе усили­теля не происходит, а меняется сигнал на его входе.

Если напряжение, поступающее по цепи обратной связи, совпа­дает по фазе с входным напряжением источника сигнала, то обрат­ная связь называется положительной, .

Если фаза противоположна фазе , то обратная связь отрицательная. В этом случае . В усилителях широко применяется отрицательная обрат­ная связь (ООС), так как она улучшает все качественные показатели уси­лителя, кроме коэффициента усиления. Коэффициент усиления с учетом обратной связи Коос уменьшается. Уменьшение Коос компенсируется увеличением числа кас­кадов.

Положительная обратная связь (ПОС) увеличивает Кпос, но ухудшает все качественные показатели, в том числе устойчивость. Усилитель мо­жет самовозбудиться, т.е. усилитель превращается в автоколеба­тельную систему, поэтому положительная обратная связь находит ог­раниченное применение.

Кроме искусственно вводимых обратных связей могут образо­вываться паразитные обратные связи через паразитные индуктивности и емкости, через общие цепи питания. Эти паразитные обратные связи могут нарушать нормальную работу усилителя, поэтому они всегда нежелательны.

По способу снятия напряжения различают обратную связь по напряжению и по току. В структурной схеме, приведенной на рис.13.1,а, напряжение обратной связи снимается непосредственно с нагрузки и пропорционально выходному напряжению. Такая обратная связь называется обратной связью по напряжению. Если напряжение обрат­ной связи снимается с дополнительного сопротивления, рис. 13.1,б, включенного последовательно , то в этом случае пропорционально току в выходной цепи. В этом случае обратную связь назы­вают обратной связью по току.

По способу подачи напряжения обратной связи во входную цепь различают параллельную и последовательную обратные связи. Парал­лельная и последовательная обратные связи проиллюстрированы соот­ветственно на рис.13.1,а, б.

 

Влияние обратной связи на качественные показатели АЭУ

- коэффициент усиления усилителя без обрат­ной связи; - коэффициент усиления усилителя с учетом цепи обрат­ной связи; - коэффициент передачи цепи обратной связи;

Влияние ООС на входное и выходное сопротивления.

При последовательном способе передачи имеем (рис.13.1,б) (13.9) Таким образом, последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление.

Влияние ООС на амплитудно-частотную характеристику

Рассмотрим вначале этот вопрос качественно, рис.13.2.  

Лекция №14

Усилительные каскады с различными видами обратной связи

 

Усилительные каскады с последовательной ООС по току

Рис.14.1. Усилительные каскады с последовательной ООС по току.  

Влияние элементов автоматического смещения и эммитерной стабилизации на АЧХ

Рис.14.2. Влияние шунтирующей емкости на АЧХ.  

Усилительный каскад с паралелльной ООС по напряжению

Рис.14.4. Усилительный каскад с параллельной ООС по напряжению.  

Усилитель с глубокой обратной связью

Рис.14.5. Усилитель с глубокой ООС.  

Истоковые и эмиттерные повторители

Рис.14.6. Истоковый и эмиттерный повторители  

Лекция №15

Усилители постоянного тока

 

Назначение и особенности построения

Усилители постоянного тока находят применение в радиоизмерительной аппаратуре, стабилизаторах напряжения и тока, устройствах автоматической… По принципу действия и схемному выполнению усилители постоянного тока делятся…  

УПТ с непосредственной связью

Рис.15.1. Двухкаскадный УПТ с непосредственной связью  

Схемы сдвига уровня постоянного напряжения

Простейшей схемой сдвига уровня является делитель напряжения в цепи межкаскадной связи, рис.15.2,а. Рис.15.2. Схемы сдвига уровня

Дрейф нуля и способы его уменьшения

Причиной дрейфа нуля являются изменения источников питания во времени, изменение температуры, старение элементов во времени и внутренние шумы.… Основными мерами уменьшения дрейфа нуля являются: высокая стабилизация… Для уменьшения дрейфа и стабилизации коэффициента усиления вводится глубокая ООС с выхода усилителя на его вход.…

Балансные усилители постоянного тока

Рис.15.3. Электрический мост  

Лекция №16

Специальные каскады УПТ

Дифференциальные усилители

Рис 16.1. Дифференциальный усилитель  

Усилители постоянного тока с преобразованиями сигнала

Рис 16.3. Структурная схема УПТ с преобразованием сигнала  

УПТ с использованием оптрона

Оптрон обладает способностью усиливать напряжение до десятков раз, коэффициент усиления по току меньше единицы. К достоинствам оптрона относится… Рис. 16.4. Функциональная схема УПТ с использованием оптрона

Лекция №17

Аналоговые электронные устройства на интегральных микросхемах

 

Общие сведения об интегральных микросхемах

По мере развития технологической и элементной базы микроминиатюризация аппаратуры прошла через этапы транзисторизации и микромодульного конструирования функциональных узлов. Современным этапом микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры является применение интегральных микросхем (ИМС). В свою очередь, использование унифицированных функциональных узлов на основе интегральных микросхем позволит решить ряд технико-экономических задач:

создание аппаратуры с минимальными размерами и массой;

повышение срока службы и надежности аппаратуры;

автоматизация технологических процессов сборки функциональных узлов и ремонта аппаратуры;

уменьшение потребляемой энергии;

снижение себестоимости.

Применение интегральных микросхем приводит к новым представлениям об оптимальном построении функциональных узлов, оказывает глубокое влияние на разработку, изготовление и ремонт аппаратуры. Построение усилительных устройств на основе интегральных микросхем базируется на многоцелевом использовании однотипных интегральных схем в сочетании с некоторыми внешними цепями и компонентами.

Интегральные микросхемы состоят из сотен активных и пассивных элементов, полученных в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла в едином технологическом цикле. Эти элементы соответствующим образом соединены между собой и заключены в общий корпус. Планарная технология позволяет получить плотность упаковки в интегральных микросхемах в тысячи раз больше, чем плотность упаковки в микромодульной конструкции.

Интегральные микросхемы по своему назначению подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и усиления непрерывных сигналов. К ним предъявляются довольно жесткие требования с точки зрения стабильности характеристик и точности воспроизведения сигнала. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для передачи и переработки цифровой информации. В аналоговых интегральных устройствах применяются аналоговые интегральные микросхемы.

По технологическим признакам интегральные микросхемы подразделяются на полупроводниковые, пленочные и гибридные. Наибольшее распространение получили полупроводниковые интегральные схемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Пленочные и интегральные схемы выполняются на диэлектрической подложке путем напыления. Гибридные ИМС представляют собой комбинацию дискретных навесных активных компонентов и пленочных пассивных элементов, напыленных также на диэлектрической подложке.

На выпускаемые и разрабатываемые в нашей стране интегральные микросхемы установлена классификация и система обозначений. В соответствии с принятым ГОСТом 18682-73:

первый элемент - цифра, указывающая конструктивно-технологическое исполнение микросхемы:

1; 5; 7 - полупроводниковые;

2; 4; 6; 8 - гибридные;

3 - прочие (пленочные, вакуумные и т.д.);

второй элемент - две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем (от 00 до 99);

третий элемент - две буквы, обозначающие функциональное назначение микросхем;

четвертый элемент - порядковый номер разработки микросхем по функциональному признаку в данной серии.

Буквы К, КН, КР обозначают условия их приемки. Не останавливаясь на всем многообразии вариантов обозначений, приведем расшифровку буквенных обозначений микросхем, рассматриваемых в данном учебном пособии;

УН - усилитель низкой частоты;

УЕ - усилители-повторители;

УИ - импульсные усилители;

УВ - усилители высокой частоты;

УР - усилители промежуточной частоты;

ПС - преобразователи частоты;

ДА - детекторы амплитудно-модулированных сигналов;

ДС - детекторы частотно-модулированных сигналов;

УД - операционные и дифференциальные усилители.

Первые два элемента обозначения определяют номер серии интегральных микросхем, объединяющих микросхемы, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

 

Особенности интегральной схемотехники

При производстве ИМС относительная сложность изготовления элементов различных типов отличается от относительной сложности и стоимости изготовления… Кроме того, наметилось стремление увеличить число транзисторов в схеме с целью… Особенностью интегральной схемотехники помимо сказанного является также преимущественное использование усилителей…

Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах.

Для построения усилителей низкой частоты используются ИМС с буквами УН. Рассмотрим внутренную принципиальную схему ИМС К118УН1, рис.17.1.

Рис. 17.1. Принципиальная схема ИМС К118УН1

 

Каждый из двух каскадов усилителя выполнен по схеме с общим эмиттером, причем коэффициент усиления можно изменять путем подключения внешней нагрузки между выводом 10 и 9 или 7; через резисторы R3 и R5, соединяющие эмиттер V2 и базу V1, осуществляется межкаскадная отрицательная обратная связь внутри микросхемы. Вывод микросхемы 7 предназначен для подачи напряжения питания, а вывод 14 - для подключения общего провода. Вывод 11 позволяет подключать внешний конденсатор развязывающего фильтра. Используя выводы 2,5 и 12, путем подключения внешних элементов можно применять различные виды обратной связи.

Сама по себе данная ИМС не выполняет ни одну из функций обработки сигнала, но схема ее составлена так, что при определенном способе внешних соединений (схеме включений) она обеспечивает многофункциональное использование и разработку усилителей самыми разнообразными техническими условиями. Так, например, на основе ИМС К118УН1 можно собрать:

Вариант 1. Двухкаскадный усилитель низкой частоты (рис.17.2), в котором оба каскада выполнены по схеме с общим эмиттером, причем коэффициент усиления второго каскада можно изменять путем подключения внешнего резистора R2 между выводами 10 и 9.

Во входную (вывод 3) и выходную (вывод 10) цепи включены разделительные емкости C1 и С4, номиналами которых определяется fн. С2 совместно с внутренним резистором R4 составляют развязывающий фильтр. Включение емкости С3 между выводом 12 и 14 (корпус) позволяет исключить последовательную ООС по току во втором каскаде.

 

Рис. 17.2.Схема включения ИМС К118УН1(вариант 1)

 

Подключение внешнего резистора R1 между выводами 10 и 2 позволяет охватить оба каскада последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления усилителя, собранного по схеме рис.17.2, практически зависит от величины R1. Чем больше R1, тем меньше коэффициент предачи цепи ООС, следовательно, коэффициент усиления больше. Для ограничения полосы пропускания со стороны верхних частот следует параллельно R1 подключить емкость C5. В этом случае осуществляется частотно-зависимая ООС. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, следовательно, увеличивается глубина ООС, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Номинал емкости С5 расчитывают исходя из заданной верней граничной частоты.

Вариант 2. Двухкаскадный усилитель (рис.17.3), в котором первый каскад выполнен с ОЭ а второй - с ОК.

Рис. 17.3. Схема включения ИМС К118УН1 (вариант 2)

 

Для этого выводы 7, 9 и 10 закорачиваются через С3 на корпус. Выходное напряжение Uвых снимается с эмиттера V2. Подключение С2 устраняет последовательную ООС по току в первом каскаде. В усилителе, собранном по схеме рис.17.3, имеет место параллельная ООС по напряжению (через R3, R5). Эта же цепь служит одновременно для смещения V1 фиксированным током базы.

Вариант 3. Двухкаскадный усилитель (рис.17.4), в котором оба каскада охвачены последовательной ООС по напряжению (R2 и C5 между выводами 2 и 10) и параллельной ООС по напряжению (С3, С4 между выводами 10 и 5). Применение различных видов обратной связи позволяет улучшить показатели усилителя. Так, УНЧ, собранный по схеме рис. 7.4, имеет: fн = 30Гц, fв=20 кГц, Ко = 100, Rвх = 50кОм.

Рис. 17.4. Схема включения ИМС К118УН1 (вариант 3)

 

Радиоинженер, разобравшись в принципиальной схеме ИМС, на ее основе может разработать и собрать десятки устройств с самыми разнообразными техническими устройствами. Но для этого надо хорошо знать структуру и принципиальную схему ИМС.

 

Усилитель мощности на интегральных микросхемах

Для построения усилителей мощности используются ИМС серии 174, которые представляют собой предварительные и оконечные усилители звуковой частоты. Рассмотрим принципиальную схему ИМС 174 УН5, рис.17.5, используемую в выходных усилителях звуковоспроизводящих устройств.

Рис. 17.5. Принципиальная схема ИМС 174УН5

Выходной каскад построен на составных транзисторах. Верхнее плечо V8, V9 представляет собой составной транзистор с ОК, нижнее плечо построено на транзисторах V10, V11, V12. В отличие от верхнеого плеча нижнее плечо имеет буферный эмиттерный повторитель на V11, восполняющий недостаточную способность усиливать ток транзистора V10 р-п-р структуры.

Входной дифференциальный каскад собран на транзисторах V1 и V2. Усиленный сигнал снимается только с коллектора V1, т.е. имеет несимметричный выход. Поэтому для согласования потенциальных уровней применяется схема сдвига уровня постоянного напряжения на элементах V3 (буферный эмиттерный повторитель) и R3, R4 (делитель напряжения).

Второй предвыходной каскад собран на транзисторе V7 с сопротивлением нагрузки R6. В цепи коллектора V7 подключен транзистор V6 в диодном включении для подачи напряжения смещения на выходные транзисторы V8 и V10. Транзисторы V4V8 подключены для стабилизации точек покоя.

Схема включения ИМС К174УН5 приведена на рис.17.6.

Рис. 17.6. Схема включения ИМС К118УН5.

 

Назначение внешних компонентов:

C1 - разделительная емкость, номиналом которой определяется нижняя граничная частота;

С2 – емкость развязывающего фильтра;

R1R2 -делитель напряжения, определяющий рабочую точку VI ;

С3 - корректирующая емкость, обеспечивающая устойчивую работу ИМС;

R3- внешняя нагрузка;

R4 и R5 (параллельно С5R6) составляют делитель в цепи последовательной ООС по напряжению.

Напряжение ООС подается на базу V2 (вывод 6). Глубина ОС по постоянной составляющей, а также на НЧ несколько больше за счет влияния C5. Эта емкость рассчитывается по заданной верхней граничной частоте. Конденсатор Е4 позволяет включить нагрузочное сопротивление предвыходного каскада (R6) по переменному току между базой и эмиттером составных транзисторов.

 

 

Лекция №18

Операционные усилители

 

Общие сведения об операционных усилителях

Операционными называют усилители, предназначенные для выполнения различных математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование) над аналоговыми сигналами. Идеальный операционный усилитель (ОУ) имеет бесконечно большое входное сопротивление, вследствие чего Iвх®0; нулевое выходное сопротивление, обладает бесконечно большим и частотно независимым коэффициентом усиления Кд®¥, коэффициент передачи синфазного сигнала близко к нулю Ксф®0 и выполняется условие баланса при Uвх=0 Uвых=0. Таким образом, в настоящее время под операционным усилителем понимают ИМС, имеющую К=108, широкую полосу пропускания (10-100) МгГц, Rbx =1011 и позволяющую создавать при помощи некоторых навесных элементов функциональные устройства аналоговой обработки сигналов.

В настоящее время область применения ОУ значительно расширилась: на их основе можно создать широкий круг различных по назначению функциональных устройств, например, УВЧ, УПЧ, УНЧ, интегрирующие и дифференцирующие устройства, логарифмирующие устройства, активные фильтры, стабилизаторы напряжения и т. д.

ОУ представляет собой весьма сложное устройство и состоит из входного каскада (ДУ в режиме микротоков), обеспечивающего показатели по входной цепи (R¢вх, Iвх, Uдр, Косл); дифференциального усилителя напряжения, обеспечивающего основное усиление по напряжению; выходного усилителя, обеспечивающего основные показатели по выходной цепи. Таким образом, по принципу действия ОУ представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока. Однако, в отличие от многокаскадных усилителей, свойства и параметры ОУ определяются не его схемой, а преимущественно параметрами цепи обратной связи.

Поскольку входной каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя, то операционный усилитель имеет два входа. Если увеличение входного напряжения, поданного на один из входов относительно общей точки, вызывает уменьшение выходного напряжения, то считают этот вход инвертирующим, и на схеме ОУ обозначают знаком "-". Другими словами, усиливаемый переменный сигнал, поданный на инвертирующий вход, меняет свою фазу на выходе ОУ на 180°. Другой вход является неинвертирующим и обозначается знаком "+". Коэффициенты усиления ОУ по этим двум входам одинаковы и противоположны по знаку. Наличие двух входов ОУ увеличивает возможности их применения. Так, например, на вход ОУ можно подавать сигнал как от симметричного источника сигнала (двухтактный предыдущий каскад), так и от двух отдельных источников. Очень часто усиливаемый сигнал подают только на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход используют для введения в схему усилителя глубокой ООС. Эта ООС определяет в конечном счете свойства и функции устройства, собранного на данном ОУ.

Операционный усилитель имеет несимметричный выход, что позволяет подключить нагрузку, имеющую общую точку с корпусом. Условием баланса ОУ является Uвых=0 при Uвх=0.

Надо отметить, что выходное напряжения ОУ может меняться в обеих полярностях относительно нуля. Получение такого выходного напряжения обеспечивается применением двухполярного источника питания, т. е. двух источников питания.

 

Принципиальные схемы операционных усилителей

Рис.18.1. Принципиальная схема операционного усилителя К140УД1  

Свойства и характеристики ОУ

  18.3.1. Входные и выходные параметры ОУ К входным параметрам ОУ относятся:

Лекция №19

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. Коррекция ОУ

 

Диаграмма Боде

Рис.19.1. Эквивалентная схема на ВЧ.  

Обеспечение устойчивости ОУ

при bК¢=1. Кпос®¥, что соответствует самовозбуждению ОУ. Таким образом, генерация может… баланса фаз jос+jдоп =0;

Коррекция частотной характеристики ОУ

  Рис. 19.5. Коррекция частотной характеристики ОУ

Лекция №20

Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов

 

Неинвертирующий усилитель

Рис. 20.1. Функциональная схема неинвертирующего усилителя  

Суммирующее устройство

Сумматор строится на основе неинвертирующего усилителя с несколькими входами U1, U2,...Un, рис. 20.3 Рис. 20.3. Функциональная схема сумматора

Повторитель напряжения

Принципиальная схема повторителя напряжения на ОУ типа К140Д1А приведена на рис.20.4. Рис. 20.4. Принципиальная схема повторителя напряжения

Инвертирующий усилитель

Рис. 20.5. Функциональная схема инвертирующего усилителя  

Вычитающее устройство

Рис. 20.6. Функциональная схема вычитающего устройства  

Интегрирующее устройство

Интегрирующий усилитель строится на основе инвертирующего усилителя, заменив в цепи обратной связи R2 на С, рис. 20.7. Рис. 20.7. Функциональная схема интегрирующего устройства

Дифференцирующее устройство

Рис. 20.8. Функциональная схема дифференцирующего устройства  

Логарифмирующее устройство

Рис. 20.9. Функциональная схема логарифмирующего усилителя а – с диодом; б – с транзистором

Лекция №21

Активные фильтры

 

Общие сведения об активных фильтрах

Как известно, для получения избирательных характеристик в обычной схемотехнике широко используются LС - фильтры. Однако в интегральной схемотехнике индуктивности трудно реализуемы.

Поэтому в интегральной схемотехнике широкое применение находят активные фильтры, представляющие собой пассивные RС - фильтры, включенные в цепи инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Другими словами, активные фильтры - это усилители на основе ОУ в сочетании с пассивными RС - фильтрами. Активные фильтры (АФ) находят самое широкое применение в качестве УВЧ, УПЧ, регуляторов тембров и т.д. Избирательная АЧХ АФ реализуется благодаря применению RС - пассивных фильтров. Следовательно, для анализа АФ необходимо знать характеристики пассивных фильров.

 

21.2. Пассивные RС – фильтры

Различают фильтры нижних частот (ФНЧ), полоса пропускания которых распологается в области нижних частот; фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы высоких частот; полосовые и заграждающие (режекторные фильтры). Рассмотрим схему ФНЧ, рис.21.1a.

Рис.21.1. ФНЧ и его передаточная характеристика

 

 

Комплексный коэффициент передачи этого RC-фильтра определяется:

K(jω)=Uвых/Uвх=1/(1+jωRC).

Передаточная характеристика ФНЧ имеет выражение:

;

где fc-частота среза, равная 1/2pRC.

В соответствии с выражением (21.1) построим передаточную характеристику ФНЧ, рис.21.1,б.

При частотах f<<fc f/fc<<1; K(f)=1 KдБ=0,

При частотах f>>fc f/fc >>1; K(f)=fc/f.

Полоса пропускания фильтра определяется частотой среза. При дальнейшем увеличение частоты имеет место затухание сигнала, т.е. спад частотной характеристики 20 дБ/дек. Если ФНЧ имеет несколько звеньев, то спад АЧХ равен n 20 дБ/дек.

Рассмотрим принципиальную схему ФВЧ, рис. 21.2.

Рис.21.2. ФВЧ и его передаточная характеристика

 

Передаточная характеристика ФВЧ определяется выражением

 

В области низких частот, где при f<<fс fс/f<<1 K(ω)=ωRC; K(f)=f/fc;

при f>>fc fc/f>>1 K(ω)=1; KдБ=0 дБ.

Для построения полосовых и заграждающих АФ широкое применение находит 2Т фильтр, рис. 21.3.

Рис.21.3. 2Т-фильтр и его передаточная характеристика

 

2Т филтр пропускает все частоты с коэффициентом передачи К=1, кроме квазирезонансной. На квазирезонансной частоте f0=1/2pRC коэффициент передачи равен нулю.

 

Реализация активных фильтров

Для получения АФ пассивный RС - фильтр включают в схему усилителя. АФНЧ первого порядка на ОУ легко реализуется по схеме рис.21.4,а, в которой… Рис. 21.4. Активный фильтр НЧ первого порядка с RС фильтром:

Активные фильтры высокого порядка

Рис. 21.6. Активный фильтр НЧ пятого порядка  

Полосовые и заграждающие АФ

Рис. 21.7. Полосовой АФ второго порядка и его АЧХ  

Общие сведения о регулировках тембра

Для высококачественного воспроизведения различных передач или записей необходимо регулировать частотную характеристику УНЧ, т.е. подстроить АЧХ усилителя под частотный спектр прослушиваемого сигнала. Это осуществляют при помощи регулятора тембра, представляющего собой активный фильтр на основе ОУ.

Заметное на слух изменение тембра происходит, если частотная характеристика K(f) изменяется не менее чем в 2 раза, т.е. на 6 дБ. Для изменения тембра звучания в широких пределах регуляторы тембра должны обеспечивать изменение усиления не менее чем на ±20 дБ. В современной высококачественной аппаратуре применяются довольно сложные устройства регуляторов тембра с использованием активных фильтров.

 

Принцип регулировки тембра на основе АФ

Рис.21.10. Варианты реализации регулировки тембра  

Регулятор тембра на основе АФ

Рис. 21.12. Универсальный регулятор тембра

Лекция №22

Регулировка усиления

 

Общие сведения о регулировках усиления

В усилительных устройствах часто необходимо регулировать коэффициент усиления. Регулировка усиления применяется для следующих целей: поддержания усиления усилителя неизменным при замене усиливательных элементов, их старении, изменении питающих напряжений; изменения уровня выходного сигнала или поддержания его постоянства; предохранения усилителя от перегрузки при слишком высоком уровне входного сигнала.

Усиление можно регулировать плавно или скачками; в первом случае регулировку называют плавной, во втором - ступенчатой. В усилителях в большинстве случаев применяют плавную регулировку усиления.

Ступенчатая регулировка конструктивно сложнее, так как требует применения специального переключателя и большего количества деталей. Поэтому ступенчатую регулировку применяют, когда необходимо изменить коэффициент усиления усилителя в строго определенное число раз (в измерительной аппаратуре).

Количественным параметром устройства или схемы регулирования является диапазон (глубина) регулирования

; Dp дб=20lgDp.

Регулировка бывает ручная и автоматическая (АРУ). В радиоэлектронной аппаратуре встречаются следующие регулировки: регулировка усиления изменением уровня ubx усилителя; регулировка изменением режима работы усилительного элемента; регулировка изменением глубины обратной связи.

 

 

Регулировка усиления изменением входного сигнала

Во входной цепи предварительного усилителя включают потенциометр параллельно или последовательно. При этом необходимо учесть влияние Rp на АЧХ. Самые разнообразные включения потенциометров можно осуществлять в усилителях…

Тонкомпенсирующие регуляторы усиления

Рис.22.2. Тонкомпенсирующие регуляторы усиления  

Регулировка усиления изминением режима работы

Усилительного элемента

В транзисторных усилителях регулировку усиления производят изминением тока в цепи эмиттера. Для того чтобы изменить Iэ, необходимо изменить Uэб,… Рис.22.3. Регулировка усиления изменением режима работы

Регулировка изменением глубины обратной связи.

Рис.22.4. Регулировка усиления изменением глубины обратной связи При перемещении движка потенциометра меняется номинал резистора Rос, следовательно, меняется коэффициент передачи…

Лекция №23

Внутренние шумы

 

Общие сведения о внутренних шумах

Минимальное значение усиливаемого сигнала, т.е. чувствительность усилительного устройства, ограничивается внутренними флуктуациями, неизбежно существующими в электрических цепях и компонентах усилительных устройств. Вместо термина флуктуация, что наиболее точно отражает физику явлений, в радиоэлектронике обычно применяют термин "шумы". Это вызвано акустическим эффектом в радиоприемных и усилительных устройствах, предназначенных для воспроизведения звуковых колебаний, так как флуктуационная помеха в громкоговорителе воспроизводится в виде шума.

Флуктуации напряжений и токов в электрических цепях заложены глубоко в природе вещей и являются результатом дискретного строения вещества. Так, например, хаотическое тепловое движение свободных электронов в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Этот вид флуктуации называется тепловым шумом. Причиной собственных шумов электронных ламп и полупроводниковых приборов является дискретная природа носителей заряда. Эмиссия электронов накаленным катодом представляет собой случайный процесс, так как электроны из катода вылетают не в равные промежутки времени, а совершенно нерегулярно. Поэтому анодный ток лампы имеет беспорядочные колебания. Эти флуктуации анодного тока создают соответствующее шумовое напряжение (напряжение помехи) на нагрузке. Такой вид флуктуации называют дробовым шумом, или дробовым эффектом.

 

Экспериментально доказано, что шум пентода намного больше, чем шум триода. В многосеточных лампах действует еще один источник шума - шум токораспределения. Этот вид шума объясняется случайным характером распределения электронов между анодом и экранной сеткой. На низких частотах шумы электронных ламп возрастают за счет фликер-эффекта или эффекта мерцания. Эффект мерцания вызван медленными случайными изменениями эмиссионных свойств катода.

В полупроводниковых приборах также имеют место дробовые шумы за счет хаотических процессов генерации и рекомбинации.

Рассмотренные причины внутренних шумов показывают, что все виды флуктуационных помех представляют собой случайный процесс или случайную функцию времени.

 

23.2.Основные характеристики внутренних шумов

При изучении случайных процессов было бы целесообразно воспользоваться спектральными представлениями. Но спектральные характеристики их оказываются также случайными функциями. Для стационарных процессов можно ввести усредненные спектральные характеристики, имеющие энергетический смысл. Для них вводят понятие спектральной плотности мощности.

Спектральная плотность мощности G(ω) в интервале Dω определяется как отношение мощности процесса, которая приходится на Dω к ширине Dω. Для определения плотности мощности в некоторой "точке" частотного диапазона необходимо Dω ®0.

Бесконечно малая мощность, заключенная в элементарном участке частотного интервала Dω /D ω ®0=dω. выражается через G(ω) следующим образом;

dP=G(ω)dω (23.1)

Общая мощность процесса равна сумме мощностей, заключенных в элементарных участках, и определяется выражением

(23.2)

Отсюда видно, что спектральная плотность мощности соответствует усредненной по времени мощности, приходящейся на единицу полосы, и характеризует распределение мощности в спектре частот. Спектральную плотность, выраженную функцией частоты, называют энергетическим спектром. Энергетический спектр флуктуационной помехи зависит от источника флуктуации, а также от полосы пропускания цепей, через которые она проходит. При G(ω)=const имеем так называемый белый шум. На деле белого шума нет, но иногда идеализация допустима и значительно упрощает расчетные соотношения. Итак, имея энергетический спектр шума, можно найти среднеквадратичное напряжение шума

. (23.3)

Рассмотрим прохождение флуктуационного шума через линейный четырехполюсник с коэффициентом передачи К(jω), на который воздействует стационарное напряжение шума со спектральной плотностью мощности G(ω)вх. Спектральная плотность на выходе

G(ω)вых= G(ω)вх |К (jω)|2, (23.4)

Согласно (23.2), можно найти все статистические характеристики выходного напряжения шума

= G(ω)вх |К (jω)|2 , (23.5)

В случае белого шума G(ω)= Go = const выражение (23.5) примет вид

Gвх |К (ω)|2 , (23.6)

Для практических расчетов Uш2вых удобно пользоваться понятием шумовой полосы пропускания. Для определения шумовой полосы пропускания несколько преобразуем выражение (23.6)

Gвх К2(f)df =

GвхK02 K2(f)df (23.7)

где К(f) - модуль коэффициента передачи Ко - значение модуля на частоте f0. Шумовой полосой пропускания четырехполюсника называется входящий в правую часть множитель (23.7)

Пш=K2(f)df, (23.8)

Интеграл K2(f)df выражает площадь, заключенную между кривой K2(f) и осью абсцисс, а деление на К02 дает ширину равновеликого прямоугольника высотой, равной К02. Учитывая (23.8), среднеквадратичное значение напряжения шума можно вычислить по формуле:

Uш2вых = GвхКо2 Пш. (23.9)

 

Шумы электрических цепей

Uш2=4kТR(f)df, Uш2=4kТRПш. (23.10) где k=1,38-10-23 Дж/град - постоянная Больцмана; Т-абсолютная температура по Кельвину.

Шумы электронных ламп

Хаотичность процесса термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что мгновенное значение анодного тока колеблется вокруг среднего значения I0. Для определения флуктуации анодного тока воспользуемся соотношением (23.2),… I2ш= 2I0qПш (23.12)

Внутренние шумы полупроводниковых приборов

шт2=4kTRПш. (23.16) В транзисторе распределенное сопротивление базы rб преобладает над… штб2=4KTrбПш. (23.17)

– Конец работы –

Используемые теги: схемотехника, аналоговых, электронных, устройств0.095

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Курсовая работа по дисциплине: Схемотехника аналоговых электронных устройств
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ... ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ... Санкт Петербургский государственный университет телекоммуникаций...

Логические операции. Базовая конфигурация PC. Внутренние устройства. Устройства, располагаемые на материнской плате. Шинные интерфейсы. Периферийные устройства PC
Логические операции... В компьютерных программах используются операции... И пересечение или конъюнкция A B В программном коде обозначается как And а в функциональных схемах как знак...

Лекция 5 Логические операции. Базовая конфигурация PC. Внутренние устройства. Устройства, располагаемые на материнской плате. Шинные интерфейсы. Периферийные устройства PC
Логические операции... В компьютерных программах используются операции... И пересечение или конъюнкция A B В программном коде обозначается как And а в функциональных схемах как знак...

Устройства содержат сотни реле, электронных ламп, полупроводников и электронных элементов
Эти устройства широко используются в технике автоматического управления в... Устройства содержат сотни реле электронных ламп полупроводников и электронных элементов...

Методы уменьшения шумов и повышения помехоустойчивости электронных устройств
Следовательно,многопроцессорные компьютеры среднего класса с числом кристаллов от нескольких тысяч и до нескольких миллионов скоро станут… Для таких компьютеров обработка изображений и восприятие образов станут… Действительно,как показывают исследования,основные вычислительные процедуры при решении большинства задач обработки…

Основные параметры аналоговых устройств
Дифференциальная оценка основных параметров и характеристик БТ в схеме с общим коллектором ОК и ПТ в схеме с общим стоком...

Магнитоэлектронные устройства для определения направления вектора магнитного поля (Электронные компасы)
Однако наибольшеераспространение такие устройства получили при создании приборов,предназначенных для регистрации магнитного поля Земли МПЗ… Соответственно различаютосновное постоянное -90 и переменное -1 геомагнитные… Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами,изоклинами.Линия изоклина I 0, то есть магнитный экватор не…

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ... ВВЕДЕНИЕ... Курсовое проектирование является завершающим этапом изучения дисциплины Схемотехника аналоговых...

Лекция 11 Поиск электронных устройств перехвата информации с использованием индикаторов электромагнитного поля
На сайте allrefs.net читайте: Лекция 11 Поиск электронных устройств перехвата информации с использованием индикаторов электромагнитного поля.

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Федеральное агентство по образованию... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Тамбовский государственный технический университет...

0.043
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам