8.3. Підсилювачі з резистивно-ємнісним зв`язком

8.3.1. Особливості підсилювачів з резистивно-ємнісним зв`язком

Це найбільш поширений клас підсилювачів. Їх називають RC-підсилювачами. Особливістю таких підсилювачів є наявність роздільних конденсаторів між джерелом ЕІС та першим каскадом, між каскадами, між кінцевим підсилювачем і навантаженням. Такий міжкаскадний зв`язок створює суттєві переваги для забезпечення необхідного режиму активних компонентів за постійним струмом. Кожний каскад в такому режимі розраховується окремо, що дозволяє оптимізувати початковий стан підсилювача.

В той же час наявність роздільних конденсаторів створює відповідні проблеми для передачі ЕІС з допустимими спотвореннями. Такі конденсатори та вхідний опір каскаду створюють диференціюючу схему, яка обумовлює спад АЧХ аж до нуля в області нижніх частот ( розд.1.10), а в підсилювачах імпульсних сигналів – спад вершини імпульсів.

Моделювання, аналіз та налаштовування RC-підсилювачів, зазвичай проводять за постійним струмом, в частотній та часовій областях. В розділах 4…. та 4.12.1.1. графоаналітичним методом виконано розрахунок одно каскадного ЕП за постійним струмом. Встановлені номінали резисторів для переведення транзистора в необхідний початковий режим (насичення, відсічки або активний) в залежності від полярності вхідних ЕІС. Наступним кроком стає вирішення двох задач: - оцінка спроможності вказаної схеми підсилювати ЕІС з допустимими спотвореннями; - яким чином можливо досягти передачу ЕІС з заданою смугою частот Δƒ = ƒ_в.гр. – ƒ_н.гр, що встановлюється в процесі проведення досліджень в частотній області; - яку мінімальну тривалість перемикання ключа може забезпечити ЕП, що визначається дослідженнями в часовій області.

8.3.2. Дослідження в частотній області.

Розглянемо однокаскадний RC-підсилювач на біполярному транзисторі із спільним емітером ( рис.8. 4.). Аналіз в частотній області проводять, коли необхідно оцінити спроможність ЕП передавати та підсилювати ЕІС з допустимими спотвореннями в заданому частотному діапазоні. Наприклад, підсилювачів низької частоти радіоприймачів, телевізорів, апаратури зв`зку та широкосмугових ЕП.

Рис.8.4. Модель

RC-підсилювача

Для проведення таких досліджень в середовищі EWB доцільно скористатись приладом для відтворення АЧХ – Bode Plotter (XBP1). У віконцях приладу доцільно виставити такі діапазони : за частотою I=10 Гц, F= 100 МГц, за коефіцієнтом підсилення I=0 дБ, F=50 дБ. Функціональний генератор переводиться в режим формування гармонічного сигналу ( тестового сигналу при дослідженнях в частотній області).

Амплітуда вхідного сигналу повинна забезпечити підсилення в межах динамічного діапазону. Це можна проконтролювати на екрані осцилографа(рис.8.5,). Осцилограма вихідного сигналу повинна мати форму синусоїди з фазовим зсувом 180⁰ відносно вхідного сигналу. Динамічний діапазон обмежується допустимими нелінійними спотвореннями. Для їх оцінки доцільно скористатись вимірювачем нелінійних спотворень ( XDA1). На рис.8.5 подані осцилограми вихідних сигналів за різних коефіцієнтів нелінійних спотворень.

Рис.8.5. Визначення нелінійних спотворень

При проектуванні ЕП задається динамічний діапазон та допустимі при цьому нелінійні спотворення.

При досліджені ЕП в частотній області необхідно забезпечити початкове положення робочої точки на середині лінійної ділянки вхідної характеристики транзистора, тобто забезпечити активний режим. При цьому постійна наруга U _КЕ становить приблизно Е _к / 2, виставляється потенціометром R2 та

контролюється мультиметром ХММ1. Робота ЕП в зоні динамічного діапазону та лінійної ділянки характеристик транзистора забезпечує мінімальні нелінійні спотворення. Аналіз осцилограм на рис.8.5 показує, що за лінійних спотворень більше 15% вихідний сигнал ЕП відрізняється від ідеального синусоїдального сигналу на вході. За нелінійних спотворень на рівні 5% на екрані осцилографа вони майже не помітні.

В області середніх частот ЕП забезпечує максимальне підсилення, яке визначається шляхом зміщення візірної лінійки Bode Plotter на середину

частотного діапазону АЧХ (Рис. 8.6). В нашому випадку коефіцієнт підсилення становить +39.228 дБл. Нижня та верхня граничні частоти фіксуються на рівнях спаду на – 3 дБл., тобто на рівнях + 36.228 дБл. Нижня гранична частота становить ƒн.гр= 66.7 Гц, верхня гранична частота становить ƒв.гр = 28.5МГц.

Рис.8.6. АЧХ RC-підсилювача

Для більш точного визначення вказаних частот у віконцях Bode Plotter доцільно виставити діапазон I = 40 Гц, F = 100 Гц.(при уточнені ƒн.гр= 66.4 Гц, рис.8.7.) та I = 25МГц, F = 30МГц (при уточнені ƒв.гр = 27.82МГц).

Коефіцієнт передачі за напругою на заданій частоті у відносних одиницях визначається за допомогою візірних лінійок на екрані осцилографа.

Рис.8.7. Визначення нижньої межової частоти

Одержані числові значення граничних частот дозволяють оцінити можливість використання такого ЕП для вирішення конкретної задачі. Якщо необхідно забезпечити підсилення сигналів в діапазоні звукових частот, які сприймаються слуховими органами людини, параметри підсилювача необхідно скорегувати. Так, для якісного відтворення музичних творів нижню граничну частоту ЕП потрібно зменшити до рівня близько 40 Гц. Як відомо ( розд.1…) для цього необхідно збільшити сталу часу диференціюючої схеми. Така схема в даному випадку створюється роздільним конденсатором С1 та вхідним опором ЕП. Необхідно звернути увагу на наступне. В джерелах живлення для зменшення пульсацій випрямленої напруги на виході вмикають конденсатори великої ємності. Таким чином для змінної складової інформаційних сигналів резистори R1+R2 ( рис.8.4 )через джерело живлення підключаються до загальної точки («0»). В результаті вхідний опір підсилювача визначається паралельним вмиканням вказаних вище резисторів та опором емітерного переходу транзистора. При зміні режиму транзистора вхідний опір ЕП змінюється. Збільшення вхідного опору ЕП не завжди можливе, а тому для розширення частотного діапазону в область нижніх частот доцільно збільшити ємність роздільного конденсатора. В моделі ЕП ( рис.8.4.) ємність конденсатора С1 збільшуємо до 33 мкФ, що забезпечує зменшення ƒ_н.гр до 36.23 Гц.

Значення межової частоти пов`язане зі сталою часу ω = 1/ τ = 2 π f . Визначеним вище значенням ƒ_н.гр відповідають сталі часу τ_н.1= 0.0024 с. та

τ_{н 2}= 0.004.4 с. Цими значеннями будемо користовуватися при аналізі ЕП в часовій області.

В області високих частот межова частота обмежується частотними параметрами транзистора, ємністю навантаження та паразитною ємністю монтажу. Ці властивості ЕП моделюються інтегруючою схемою вихідного кола, стала часу якого для одержаного вище значення верхньої межової частоти

становить τ _в = 5.7 нс. Для згаданих вище підсилювачів низької частоти така верхня межова частота є надто завищеною, що небажано. Збиткове розширення смуги частот обумовлює підвищення рівнів шумів і відповідно зменшує динамічний діапазон. При налагоджені ЕП необхідно скорегувати смугу до необхідного рівня. Це можна досягти шляхом використання низькочастотного транзистора або ІМС, а також корекцією опору резистора в колі колектора, що може забезпечити суттєве підвищення коефіцієнта підсилення в робочому діапазоні частот.

8.3.3. Дослідження в часовій області.

В даному випадку визначають тривалість перехідних процесів в ЕП, що дозволяє оцінити спроможність пристроїв передавати імпульсні сигнали з допустимими спотвореннями. Такі дослідження проводяться при аналізі цифрових та імпульсних пристроїв. В даному випадку важливо оцінити тривалість перемикання ключів, що визначає швидкодію цифрових функціональних вузлів та цифрових систем в цілому, а також спотворення вершин імпульсів через наявність роздільних конденсаторів.

Підсилювачі з резистивно-ємнісними зв`язками можна моделювати як послідовне вмикання диференціюючої та інтегруючої схем, а відтак доцільно аналізувати спотворення ЕІС, які викликаються такими схемами ( розд. 1 ). В результаті, прямокутні імпульси, які поступають на вхід ЕП, на виході спотворюються за рахунок збільшення тривалості переднього фронту імпульса t_фр ( вплив інтегруючої схеми) та спаду вершини імпульса ΔU , обумовленої роздільними конденсаторами (диференціюючою схемою).

При проектуванні та налагодженні ЕП ці параметри є висхідними для оцінки спроможності передати імпульси з допустимими спотвореннями. Зазвичай такі спотворення виокремлюються в технічному завдані. Типовим допустимим спотворенням будемо вважати: t_фр < 0.1 t _імп ; Δ < 0.1U_вих , ( де t _імп – тривалість вхідного імпульсу, U_вих - амплітуда вихідного сигналу). Враховуючи такі співвідношення, оцінимо спроможність RC- підсилювача, модель якого подана на рис.8.4, підсилювати імпульсні сигнали. Для цього використаємо два варіанта оцінки допустимих спотворень.

Перший варіант базується на досліджені швидкодії ЕП за результатами, одержаними вище при досліджені в частотній області, де визначили верхню межову частоту ƒ_в.гр = 27.82 МГц . Стала часу інтегруючої схеми (високочастотна область ) за такої частоти cтановить τ = 1/2 π f = 5.7 10^-9 с. = 5.7 нс. Відомо (розд. 1 ), що конденсатор інтегруючої схеми повністю заряджається за тривалість часу, яка приблизно дорівнює 3τ. Це і є тривалість перемикання транзисторного ключа ( перехідного процесу ЕП). Таким чином, за результатами досліджень в часовій області констатуємо: підсилювач, модель якого подана на рис.8.4, забезпечує мінімальну тривалість переднього фронту імпульсів на рівні t_фр = 17.1нс. В результаті, з допустимими спотвореннями, рівень яких окреслено вище, досліджувана схема передає вхідний імпульсний сигнал, якщо його тривалість дорівнює або перевищує t _імп = 171нс.

Другий варіант базується на використані вимірювальних приладів (зокрема осцилографів) , за допомогою яких можна зафіксувати необхідні інтервали часу.

При досліджені в часовій області на вхід ЕП подається імпульсний сигнал, для чого функціональний генератор переводиться у відповідний режим. Амплітуда вхідних сигналів вибирається такою, щоб забезпечити формування вихідного сигналу на лінійній ділянці характеристик (20-50 мВ). Виміри проводяться на екрані осцилографа. На рис.8.8 показано формування переднього фронту негативного імпульсу

Тривалість розгортки встановлюється такою, щоб забезпечити формування переднього фронту вихідного імпульсу на 1/3 … 1/2 ширини екрана. Візірні лінійки виставляються на початку і в кінці формування переднього фронту імпульсу ( рис.8.8, зазвичай на рівнях 0.05 та 0.95). Різниця часового інтервалу Т2 – Т1 відображається у відповідному віконці осцилографа і становить для даного ЕП 15.246 10^-9 с., що майже співпадає з результатами визначення тривалості t_фр через сталу часу та

значення верхньої межової частоти.

Рис.8.8.Визначенн t_фр

Висновок: підсилювач, модель якого подана на рис.8.4 забезпечує передачу інформаційних сигналів у високочастотній області зі смугою до 27.8 МГц, що забезпечує тривалість переднього фронту на рівні 15… 17 нс.

В цифрових та ключових пристроях використовуються

спеціальні ключові транзистори, початковий режим яких (відсічки або насичення) визначається призначенням каскаду. Такі пристрої досліджуються в часовій області і одержані значення t_фр можуть суттєво відрізнятись від значень, встановлених через ƒ_в.гр..

Частотні спотворення в області великих частот присутні у всіх типах ЕП, їх можливо зменшити, тобто збільшити ƒв.гр, зменшити t_фр , але принципово неможливо повністю усунути.

Другий тип спотворень імпульсів – спад вершини присутній лише в RC- підсилювачах і обумовлений наявністю роздільних конденсаторів, тобто диференціюючих схем між каскадами. Подальший аналіз проведемо з урахуванням матеріалу по дослідженню диференціюючих схем, поданих в розділі( 1…..).

Аналіз проводиться в області великих тривалостей, для чого частоту прямокутних імпульсів функціонального генератора (рис.8.4) встановлюємо на рівні 20 – 50 Гц, амплітуда імпульсів 20 – 40 мВ, шпаруватість 40%. Це дає можливість одержати вихідні сигнали зі 100% спадом вершини (рис.8.9), а відтак визначити значення 3 τ ( 18.371 мс ).

Вище ми привели порівняня результатів дослідження в частотній та часовій областях, щоб підкреслити зв`язок високочастотної області АЧХ з областю малих тривалостей ПХ, а також – низькочастоної області з областю великих тривалостей.