Усилитель с емкостной связью

В некоторых случаях усиливаемый сигнал содержит переменную и постоянную составляющие, причём информативной является только переменная составляющая на фоне значительной постоянной. Усилить переменную составляющую с помощью УПТ невозможно, т.к. усилитель окажется в насыщении под действием постоянной составляющей сигнала. Для устранения постоянной составляющей между источником сигнала и входом усилителя включают разделительный конденсатор. Широкое применение находит инвертирующий усилитель с емкостной связью (рис.13).

Коэффициент усиления с обратной связью будет носить комплексный характер и в области низких частот определяться выражением

Рис.13. Инвертирующий усилитель с ёмкостной связью

Модуль зависит от частоты и постоянной времени входной цепи в области низких частот

где - коэффициент усиления в области средних частот.

Эту зависимость называют амплитудно-частотной характеристикой, её строят в логарифмическом масштабе (рис.14) для области низких частот по уравнению

где - частота нижнего среза.

Рис. 14. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

инвертирующего усилителя с ёмкостной связью

Для удобства построения амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) аппроксимируют двумя прямыми:

первая (рис. 14) - участок 1, при

вторая - участок 2, при

Точке пересечения этих прямых будет соответствовать частота .

В области высоких частот зависит от частотных свойств операционного усилителя и определяется выражением

где - частота верхнего среза,

- частота единичного усиления.

При выражение упрощается и принимает вид

.

Этому выражению соответствует участок 3 на рис. 14.

К основным частотным параметрам для широкополосных усилителей относятся коэффициенты частотных искажений в области низких частот :

.

и коэффициенты частотных искажений в области высоких :

.

Входное и выходное сопротивления усилителя с ёмкостной связью определяется в области средних частот по выражениям справедливым для УПТ.

Рис. 15. Эквивалентная схема по постоянному току усилителя

с ёмкостной связью

Постоянное напряжение на выходе ОУ ограничивает динамический диапазон усиливаемого сигнала. Напряжение сдвига определим из эквивалентной схемы (рис. 15)

Для уменьшения обычно выбирают , тогда при

.

В том случае, если более , то вводят схему коррекции нуля ОУ, при меньших значениях можно сэкономить на подстроечном резисторе.

Приложение

Сведения о конденсаторах и резисторах широкого применения

Сведения о резисторах широкого применения

Наиболее употребляемые ряды номинальных значений резисторов
E1 2	1		1,2		1,5		1,8		2,2		2,7		3,3		3,9		4,7		5,6		6,8		8,2
E24	1	1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,7	3	3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	6,8	7,5	8,2	9,1

Общие параметры резисторов

Тип резистора	Номинальная мощность, Вт	Размеры, мм				Масса, г, не более
		D	L	D	.l
МЛТ	0,125	2,2	6	0,6	20	0,15
	0,25	3	7	0,6	20	0,25
	0,5	4,2	10,8	0,8	25	1
	1	6,6	13	0,8	25	2
	2	8,6	18,5	1	25	3,5
С2 - 29В	0,125	3,5	8	0,6	25	0,3
	0,25	4,5	11	0,8	25	1
	0,5	7,5	14	0,8	25	2
	1	9,8	20	1	25	3,5
	2	9,8	28	1	25	5

Технические данные

Тип резистора	Температура окружающей среды, С	Вибрационные нагрузки		Ударные нагрузки		Линейные нагрузки с ускорением, g
		диапазон частот, Гц	ускорение, g	многократные с ускорением, g	одиночные с ускорением, g
МЛТ	-60 до +120	1 - 3000	20	150	1000	200
С2 - 29В	-60 до +155	1 - 5000	40	150	1000	150

Номинальные мощности рассеяния, пределы номинальных

сопротивлений и допускаемые отклонения

от номинального сопротивления

Тип резистора	Номинальная мощность, Вт	Пределы номинальных сопротивлений, Ом	Допускаемые отклонения, %, ряд
МЛТ	0,125	8,2 - 3,0 106	2; ±5; ±10; E24; E96
	0,25	8,2 - 5,1106	±2; ±5; ±10; E24; E96
	0,5	1,0 - 5,4106	±2; ±5; ±10; E24; E96
	1	1,0 - 10106	±2; ±5; ±10; E24; E96
	2	1,0 - 10106	±2; ±5; ±10; E24; E96
С2 - 29В	0,125	1,0 – 10106	±0,05;±0,1;±0,25;±0,5;±1;E192
	0,25	1,0 - 2,21106	±0,05;±0,1;±0,25;±0,5;±1;E192
	0,5	1,0 - 3,01106	±0,05;±0,1;±0,25;±0,5;±1;E192
	1	1,0 - 5,11106	±0,05;±0,1;±0,25;±0,5;±1;E192
	2	1,0 - 10106	±0,05;±0,1;±0,25;±0,5;±1;E192

Предельные рабочие напряжения

Тип резистора	Номинальная мощность, Вт	Предельное рабочее напряжение, В,
		Постоянного или переменного тока	Импульсного (максимальное значение) тока
			Pср=0,1PH	Pср=0,1PH
МЛТ	0,125	200	350	250
	0,25	250	450	300
	0,5	350	750	650
С2 - 29В	0,125	200	200	400
	0,25	350	300	750
	0,5	500	300	1000

Температурный коэффициент сопротивления

Тип резистора	Пределы номинальных сопротивлений, Ом	ТКС, 10-6 1/С, в интервале температур, не более
		от -60 до +25 С	от 25С до предельных окружающих температур
МЛТ	до 10103	1200	±600
	11103 до 1106	1200	±700
	Свыше 1106	1200	±1000
С2 - 29В	От 10 до 10106	±75	±25
	От 1 до 10106	±150; ±300	±50;±100

Сведения о конденсаторах широкого применения

Наиболее употребляемые ряды номинальных значений ёмкостей
E3	1								2,2								4,7
E6	1				1,5				2,2				3,3				4,7				6,8
E 12	1		1,2		1,5		1,8		2,2		2,7		3,3		3,9		4,7		5,6		6,8		8,2
E24	1	1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,7	3	3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	6,8	7,5	8,2	9,1

КМ-6

Группы по ТКЕ
П33	М47	М75	М750	М1500	Н50	Н90
Номинальная ёмкость, пФ
120 - 300	120 - 470	180 - 510	470 - 910	820 – 1500	0,01; 0,015 мкФ	0,022; 0,033; 0,047; 0,068 мкФ
330 - 1100	510 - 1200	560 - 1500	1000 - 3300	1600 – 4700	0,022; 0,033 мкФ	0.1; 0,15мкФ
1200 - 2700	1300 - 2700	1600 - 3300	3600 - 5600	5100 пФ – 0,01 мкФ	0,047; 0,068мкФ	0,22; 0,33 мкФ
3000 - 5100	3000 - 6200	3600 - 5600	6200 пФ – 0,1 мкФ	0,011 – 0,015 мкФ	0,1; 0,15 мкФ	0,47; 0,68; 1 мкФ
						1,5; 2,2 мкФ
Примечание: Номинальное напряжение для конденсаторов всех групп 50 В

К50 – 6 (с однонаправленными проволочными выводами)

Номинальное напряжение, В	Номинальная ёмкость, мкФ	Размеры, мм				Масса, г, не более
		D	H	A	d
6.3	50	7,5	13	2,5	0,5	1,4
	100	10,5	15	5	0,5	2,5
	200	14	16	5	0,8	5,5
	500	18	18	7,5	0,8	8,5
10	10 20	6 7,5	13	2,5	0,5	0,8 1,4
	50	10,5	15	5	0,5	2,5
	100	12	16	5	0,5	4
	200	16	18	7,5	0,8	6,5
	500 1000	18	25 40	7,5	0,8	12 25
16	1	4	13	2	0,5	0,6
	5 10	6	13	2,5	0,5	0,8
	20 30	7,5	13	2,5	0,5	1,4
	50 100	10,5 12	18	5	0,5	3,5 4,5
	200	16	18	7,5	0,8	6,5
	500 1000	18 21	25 45	7,5	0,8	12 35
25	1	4	13	2	0,5	0,6
	5 10	7,5	13	2,5	0,5	1,4
	20	10,5	15	5	0,5	2,5
	50	14	18	5	0,8	6
	100	16	18	7,5	0,8	6,5
	200 500	18	18 45	7,5	0,8	8,5 25
50	1 2	6	13	2,5	0,5	0,8
	5	7,5	13	2,5	0,5	1,4
	10	10,5	15	5	0,5	2,5

Лабораторная работа №206

Генераторы синусоидальных напряжений

Виртуальный эксперимент

Цель работы: Изучить работу генераторов синусоидальных напряжений на основе операционных усилителей. Освоить методы стабилизации работы генераторов. Освоить построение модели и исследование генераторов с помощью программы Electronics Workbench (EWB).

Порядок выполнения работы

1. Исследование генератора с цепью нулевого фазового сдвига

Собрать схему для исследования цепи нулевого фазового сдвига (рис.1). Схема создаётся на рабочем поле EWB путем выбора элементов из библиотеки программы, их размещения и соединения в соответствии с принципиальной схемой. Входное напряжение подается от функционального генератора (Function Generator) из меню «Инструменты» (Instruments), выходное напряжение наблюдается с помощью осциллографа.

Рис 1. Цепь нулевого фазового сдвига

Рассчитываются элементы, значения которых пропущены в таблице 1. Вариант задания выбирается по номеру рабочего места.

Таблица 1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
, кГц	10	20	15	5	8	25	2	4
, мкФ	0.01	-	0.01	-	0.01	-	0.2	-
, кОМ	-	1.0	-	1.5	-	2.0		0.5
, кОм	10	-	15	-	20	-	10
,кОм	-	15	-	20	-	30	-	30

Расчет элементов производится из условий генерации:

из баланса фаз следует

,

а из баланса амплитуд следует

.

Для задания значения сопротивления резистора следует щелкнуть левой клавишей мышки два раза и в открывшемся меню установить выбранные значения.

Для построения амплитудно-частотной и фазовой характеристик воспользуемся аналитическими возможностями EWB. Открыть меню «Circuit» и включить показ номеров узлов «Show nodes». Включить кнопку Analysis, а в выпадающем меню выбрать расчет частотных характеристик AC Frequency. Выставить условия расчета: начальную частоту FSTART=1 Гц; конечную частоту FSTOP=100 kГц; тип масштаба частоты Sweep type «Decade»; число точек Number of points –100; тип вертикальной шкалы Vertical scale –«Linear»; номер узла, для которого рассчитываются частотные характеристики Nodes for analysis, выбирается из списка номеров узлов цепи Nodes in circuit. Запустите процесс расчета частотных характеристик кнопкой «Simulate». Увеличьте размер изображения на весь экран. Зарисуйте полученные АЧХ и ФЧХ. Полученные характеристики можно записать в буфер обмена по команде «Alt Prt Sc», а затем копировать и сохранить в графическом редакторе «Paint»; кстати, также можно сохранить исследуемые схемы и осциллограммы.

На АЧХ и ФЧХ установите сетку Toggle Grid и маркеры Toggle Cursors. При включении маркера появляется таблица, показывающая координаты пересечения линии 1 и 2 маркеров с характеристикой. По фазовой характеристике определить частоту , на которой фазовый сдвиг равен нулю и сравнить с заданной. По АЧХ найти модуль коэффициента обратной связи на частоте генерации .

,

где - определено на лицевой панели функционального генератора;

- напряжение на выходе, определенное по АЧХ.

Собрать схему генератора (рис.2), установить выбранные значения элементов и тип ОУ. В библиотеке элементов следует найти серию OURU, где установлены отечественные ОУ, и выбрать один из них. Запустить модель генератора, измерить с помощью осциллографа частоту генерации и наблюдать форму генерируемого напряжения. Установить коэффициенты усиления путем изменения резисторов или и наблюдать за формой выходного напряжения. Объяснить полученный результат.

Рис.2. Схема генератора с цепью нулевого фазового сдвига

В цепь обратной связи включить нелинейный элемент (рис.3).

Рис.3.Схема генератора с цепью нулевого фазового сдвига с нелинейной обратной связью

Изменяя коэффициент усиления, установить его влияние на работу генератора. Сделать выводы о влиянии нелинейной обратной связи.