Реферат Курсовая Конспект
СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ - раздел Изобретательство, В. С. Пряников ...
|
В. С. Пряников
СХЕМОТЕХНИКА
АНАЛОГОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ
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.
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.
Лекция №3
Основы построения электронных усилителей
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.
Лекция №4
Обеспечение и стабилизация режима работы
усилительного элемента по постоянному току.
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.
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
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.
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.
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.
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, C¢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.
Анализ однотактного трансформаторного
Лекция №10
Двухтактные выходные каскады
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.
Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной
Бестрансформаторный усилитель мощности на
Лекция №12
Курсовое проектирование
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.
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.
Лекция №14
Усилительные каскады с различными видами обратной связи
Лекция №15
Усилители постоянного тока
Лекция №16
Специальные каскады УПТ
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.
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.
Лекция №19
Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. Коррекция ОУ
Лекция №20
Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов
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.
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.
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 изминением режима работы
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 dω, (23.5)
В случае белого шума G(ω)= Go = const выражение (23.5) примет вид
Gвх |К (ω)|2 dω, (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)
– Конец работы –
Используемые теги: схемотехника, аналоговых, электронных, устройств0.073
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
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов