2)Эвивалентная схема апериодического резисторного каскада:

Коэффициент усиления каскада зависит от крутизны S ВАХ. Чем больше крутизна, тем больше усиление.

3)Нч фильтр на базе операционного уселителя

Широкое применение в измерительной технике находят так называемые активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняется включением в схему RC-фильтра активного элемента – в данном случае ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра с целью получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и большой крутизны спада передаточной характеристики. Теория активных фильтров в настоящее время хорошо разработана, методика их расчетов доведена до таблиц и номограмм. Основная задача при этом сводится к аппроксимации передаточной характеристики полиномами Чебышева, Бесселя и др. Выбор коэффициентов этих полиномов, а, следовательно, и параметров элементов схемы фильтра, обеспечивает наилучшее в том или ином смысле приближение к желаемым амплитудно-частотным характеристикам.

В качестве примера на рисунке 73 приведен двухполюсный (по числу конденсаторов) фильтр нижних частот (пропускает на выход сигнал  в диапазоне частот от нуля до частоты среза).

Билет 11

1 Что такое амплитудная характеристика Усилительного каскада и как по ней определяется динамический диапазон

 зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вх=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала.

Величина D = U_вх.max/U_вх.min характеризует динамический диапазон усилителя.

2 Апериодический резисторный каскад, его схема и коэффициент усиления. Сквозной коэффициент усиления

Апериодический усилитель - усилитель, дающий одинаковое усиление на всех частотах в широком диапазоне частот

Резисторным называется каскад с резистором в качестве нагрузки. В выходной цепи резисторного каскада имеются только резисторы или рези­сторы и конденсаторы. Следовательно, резисторный каскад соединяется со следующим только емкостной или гальвани­ческой связью. При этом транзистор в резисторном каскаде может быть включен как по схеме с общим эмиттером, так и по схеме с общим коллектором.

Резисторный каскад на транзисторе с общим эмиттером и емкостной межкаскадной связью

3 Влияние отрицательной обратной связи на частотную, фазовую и переходную характеристики усилителя.

Частотно - независимая отрица­тельная обратная улучшает частотную, фазовую и переходную харак­теристики усилителя, расширяя полосу усиливаемых частот. Это про­исходит потому, что на крайних частотах диапазона, где усиление обратной связи уменьшается, глубина обратной связи , также уменьша­ется. А так как напряжение обратной связи уменьшается, то суммарное напряжение на входе возрастает и усиление увеличится. В результате частотная характеристика поднимается и полоса усиливаемых частот расширяется, как показано на рисунке, на котором кривая 1 -частотная характеристика усилителя без обратной связи, кривая 2-частотная характеристика усилителя с отрицательной обратной связью. Таким образом отрицательная обратная связь выравнивает частотную характеристику.

Отрицательная обратная связь уменьшает фазовые сдвиги в усили­телей фазовая характеристика приближается к линейной. Фазовые искажения в усилителе под действием отрицательной обратной связи уменьшаются.

Переходная характеристика в усилителях с отрицательной обратной связью также улучшается, поскольку уменьшается время восстановления. Это происходит вследствие уменьшения входной ёмкости усилительных приборов под действием отрицательной обрат­ной связи. Спад вершины импульса уменьшается в результате стаби­лизации коэффициента усиления усилителя, т.е. подъёма частотной характеристики.

В усилителях часто необходимо скорректировать (исправить) определённый участок частотной характеристики. Для этого используется частотно-зависимая отрицательная обратная связь, в цепи которой имеются частотно-зависимые элементы (индуктивности, ёмкости).

===================================================================

Билет 12

1 За счёт чего в усилителе возникают нелинейные искажения и как они количественно оцениваются

Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

где Um1, Um2, Um3, ... — амплитуды 1-й, 2-й, 3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15...20%, а для высококачественных усилителей современной стереоаппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

2 Усилительный каскад с общим эмиттером (истоком). Схема и назначение элементов схемы. Области использования.

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Каскад состоит из

• биполярного транзистора VT1;

• резистора R_Б, который задаёт точку покоя каскада по постоянному току;

• резистора R_К, который преобразует меняющийся ток коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также участвует в задании напряжения покоя на коллекторе.

Для удаления постоянной составляющей входного сигнала источник подключается ко входу каскада через разделительную ёмкостьC_Р1. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке R_Н через ёмкость C_Р2. Поскольку ёмкости вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они искажают сигнал, однако выбором достаточно больших величин ёмкости эти искажения сводятся к минимуму. Нагрузка, изображённая в виде сопротивления R_Н может представлять собой устройства различного назначения — динамик, индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

3 Использование обратной связи в усилителе для целей коррекции АЧХ.

ООС уменьшает частотные искажения, т.е. расширяет полосу пропускания Δf как в сторону низких (f_H), так и в сторону высоких (f_B) частот.

Рассмотрим пример, где цепь прямой передачи образует ОУ типа К140УД8, а цепь обратной связи резисторы R1 = 9 кОм, R2 = 1 кОм:

R1 и R2 - делитель напряжения, причем  .

, 

АЧХ ОУ К140УД8 и ОУ охваченного ООС с Β = 0,1 показаны на рисунке:

Частота среза f_ср ОУ без ООС равна 10 Гц.

Для определения частоты среза f_ср.ос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в первом приближении достаточно провести горизонтальную линию на уровне | | = 10 до пересечения с амплитудно-частотной характеристикой используемого операционного усилителя К140УД8. f_ср.ос = 5·10⁵ Гц.

===================================================================

Билет 13

1 Что такое нормирование? Как осуществляется нормирование АЧХ и переходной характеристики усилителей? Для характеристики каких усилителей используется переходная характеристика? (импульсный усилитель)

Под нормированием понимается установление границ на допустимые отклонения реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений. Только посредством нормирования метрологических характеристик можно добиться их взаимозаменяемости и обеспечить единство измерений в государстве. Реальные значения метрологических характеристик определяют при изготовлении средств измерений и затем проверяют периодически во время эксплуатации. Если при этом хотя бы одна из метрологических характеристик выходит за установленные границы, то такое средство измерений либо подвергают регулировке, либо изымают из обращения

Нормирование АЧХ осуществляется в пределах полосы эффективно передаваемых частот. Полоса эффективно передаваемых частот канала является важнейшим параметром любой системы передачи. Под полосой эффективно передаваемых частот понимается та область частот, на границах которой ОЗ увеличивается относительно значения на средней частоте на допустимую заданную величину.

Переходная характеристика (ПХ) – зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения.

Эта характеристика даёт возможность определить переходные искажения, которые в области малых времён характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления t_у и выбросом δ.

(Для импульсных усилков.)

2 Что такое сквозная динамическая характеристика и как она строиться?

Сквозная динамическая характеристика представляет собой зависимость выходного тока УЭ от ЭДС источника сигнала входной цепи при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки.

Сквозную динамическую характеристику используют для расчёта коэффициента гармоник транзисторных каскадов, поскольку в них нелинейные искажения возникают как во входной, так и в выходной цепях.

Построение сквозной динамической характеристики производят с использованием нагрузочной прямой переменного тока и входной характеристики транзистора.

3 Принципиальные схемы основных каскадов структурной схемы операционного усилителя.

Операционный усилитель имеет в основе дифференциальный усилитель, и поэтому способен реагировать только на дифференциальный сигнал.

Структурная схема операционного усилителя является типовой и отвечает основным принципам микросхемотехники 

Типовая схема операционного усилителя

Дифференциальный усилитель является базовой структурной единицей операционного усилителя. Дифференциальный усилитель может быть реализован на биполярных, полевых транзисторах, а также на их сочетании при условии полной технологической и схематической совместимости.

Дифференциальный каскад реализован на полевых транзисторах T1и Т2, входы которых условно обозначаются как инвертирующий, обозначаемый знаком "-", и неинвертирующий или прямой, обозначаемый знаком "+".

В данном случае дифференциальный усилитель выполнен по схеме с однофазным выходом, чтобы выходной ток обеспечивал перезарядку интегрирующей емкости С. Емкость интегрирующего конденсатора С должна быть такой, чтобы петлевой коэффициент усиления был меньше единицы.

В качестве коллекторной нагрузки дифференциального усилителя используются источники тока I.

Согласование дифференциального каскада и интегратора достигается при условии сохранения симметрии плеч дифференциального усилителя. С этой целью погрешность работы отражателей тока, обусловленная базовыми токами транзисторов Т4и T5, компенсируется входным током интегратора. Это возможно при полной идентичности параметров транзисторов Т4, T5 и T7 и равности токов I1 и I2. В этом случае суммарный ток без транзисторов Т4и T5 будет совпадать с током базы транзистора Т7.

Для увеличения статического коэффициента усиления операционного усилителя в базовую цель интегрирующего транзистора Т6для сохранения симметрии плеч в отражатель тока также включается эмиттерный повторитель, реализованный на транзисторе T3.

Выходной каскад выполнен по схеме двухтактового эмиттерного повторителя, реализованного на комплементарных вставках транзисторах T10 и T11.

Это позволяет снизить мощность, рассеиваемую каскадом в статическом режиме.

Эмиттерный повторитель подключается к выходу интегратора через диоды смещения D1 и D2.

Для уменьшения нелинейных искажений транзисторы в режиме покоя приоткрывают, применяя диодные смещения переходов "база – эмиттер" транзисторов T8 и Т9. Заметим, что в качестве диодов D1 и D2, как правило, используются транзисторы в диодном включении.

Выходное напряжение операционного усилителя снимается с делителя, реализованного на резисторах-ограничителяхR2и R3. Эти резисторы одновременно защищают выходные каскады от короткого замыкания.

Операционный усилитель питается от двухполярного источника питания.

Коэффициент усиления операционного усилителя K лежит в пределах 104 – 109,входное сопротивление достигает 100 МОм, а выходное сопротивление составляет 102 Ом. Операционный усилитель имеет малый уровень собственных шумов, сильное подавление синфазной составляющей (» 60 дБ), широкую полосу пропускания от 0 до 10 МГц.

Вышеперечисленные свойства операционного усилителя позволяют получать высокую точность выполнения операций. Операционный усилитель является микроэлектронным устройством универсального применения. Операционные усилители конструктивно выполняются в виде интегральных схем средней степени интеграции.

БИЛЕТ №16

1. Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Основное свойство – непрерывность. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию, с неограниченным числом значений в различные моменты времени. Наиболее часто встречающимся аналоговым сигналом являются звуки нашей речи. Аналоговые сигналы изменяются по тому же закону, что и описываемые им физические процессы.

Группы аналоговых электронных устройств:

• усилители - это устройства, которые за счёт энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности.

• устройства на основе усилителей - в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений.

Цифровое устройство (англ. Digital device) - техническое устройство или приспособление, предназначенное для получения и обработки информации в цифровой форме, используя цифровые технологии.

Физически цифровое устройство может быть выполнено на различной элементной базе: электромеханической (на электромагнитных реле), электронной (на диодах и транзисторах), микроэлектронной (на микросхемах), оптической.

Примерами цифровых устройств являются широко распространённые сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, цифровые видеокамеры, веб-камеры, компьютеры, цифровое телевидение, DVD-проигрыватели.

Отличия аналогового устройства от цифрового:

• Аналоговые устройства работают с плавными обтекаемыми сигналами и волнообразными колебаниями, а цифровые -- с резкими скачкообразными сигналами.

• Цифровые устройства считаются более устойчивыми к помехам, так как для того, чтобы изменить одно состояние на другое, нужна резкая и очень сильная помеха. А аналоговые устройства отзываются на малейшие изменения условий.

• Аналоговый сигнал доступен для восприятия всеми устройствами, а цифровой защищён кодом.

• Цифровая связь считается более защищенной от помех и от внешних воздействий.

2. Нагрузочная характеристика в электронике — характеристика двухполюсника, график в системе координат (U_н, I_н), показывающий множество состояний, которые могут реализоваться в нагрузке данного двухполюсника.

Здесь U_н — напряжение на нагрузке двухполюсника, I_н — ток в нагрузке двухполюсника.

По нагрузочной характеристике можно определить ряд важных свойств двухполюсника:

• Напряжение холостого хода

• Ток короткого замыкания

• Напряжение и ток в нагрузке при любом ее сопротивлении

• Внутреннее сопротивление двухполюсника

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, т.к. в данном режиме напряжение на коллекторе не остается постоянным, а зависит от тока коллектора. Имея статические характеристики транзистора и зная сопротивление нагрузки, можно построить его нагрузочные характеристики. Нагрузочная прямая строится на выходных характеристиках по двум точкам: 1) Uкэ = 0, Iк = Eк/(Rк+Rэ);

2) Iк = 0, Uкэ = Eк.

Рабочая точка (т.О) выбирается посередине участка нагрузочной прямой в точке пересечения ее с выходной характеристикой

Угол отсечки (Θ, рад) — угол, соответствующий изменению тока от максимального значения до нуля.

Понятие угла отсечки сигнала проще всего пояснить по рисунку 1.

 

На данном рисунке часть синусоиды, показанная серым цветом, на выходе транзистора отсутствует (отсекается). Угол отсечки определяется как половина фазового угла прохождения тока через транзистор или электронную лампу за период синусоидального колебания. Так как ток на выходе усилительного прибора уже не соответствует входному сигналу, то при поступлении на вход синусоидального сигнала, на его выходе образуется ряд гармонических составляющих.

Коэффициент усиления тоже зависит от угла отсечки выходного тока. При уменьшении Θ он уменьшается. Это следует учитывать при проектировании усилителя мощности. График зависимости коэффициента усиления от угла отсечки приведен на рисунке 3

Максимальная достижимая выходная мощность на выходе транзистора или электронной лампы тоже зависит от угла отсечки. График этой зависимости приведен на рисунке 4.

Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает разность

напряжений, приложенных к ним. Если на оба входа подать одинаковое

(синфазное) напряжение, то усиление будет чрезвычайно мало. Дифференциальный

усилительный каскад не усиливает синфазный сигнал.

Дифференциальный каскад состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых соединены

и подключены к общему резистору R_э.

Каскад абсолютно симметричен, т.е. сопротивление резисторов, входящих в

каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. В этом случае при равных

входных сигналах токи транзисторов равны между собой.

Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных полярностей

½ΔU_ВХ. В результате ток одного транзистора увеличится на

ΔI_К, а другого на столько же уменьшится. При этом

результирующий ток через резистор R_Э останется без изменения.

Постоянным будет и падение напряжения на нем.

Если входное напряжение изменить только на одном входе на ΔU_ВХ,

то это приведёт к изменению тока через соответствующий транзистор. Если бы

транзистор VT2 отсутствовал, транзистор VT1 был бы включен по схеме с ОЭ и ток

в его цепи изменился бы на 2ΔI_K. При этом падение напряжение на

R_Э увеличилось бы на ΔU^’_Rэ

Но увеличение падения напряжения на резисторе R_Э приведёт к

уменьшению разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2 и ток

его уменьшится, причём изменение тока транзистора VT2 будет таково, что

приращения напряжений эмиттер – база обоих транзисторов будут одинаковы.

Следовательно, при увеличении U_ВХ1 на ΔU_ВХ потенциал

эмиттера увеличится на ΔU_ВХ/2 что эквивалентно увеличению тока

через резистор R_Э на ΔI_K. При этом приращение

напряжения база – эмиттер для транзистора VT1 равно ΔU_ВХ/2 и -

ΔU_ВХ/2 для транзистора VT2. Ток каждого плеча изменится на

ΔI_K. Очевидно, что независимо от того, как на вход каскада

подаются напряжения, токи транзисторов в первом приближении меняются одинаково.

БИЛЕТ №17

1. Влияние выходного сопротивления усилителя учитывается с помощью коэффициента усиления по ЭДС (сквозной коэффициент усиления)

Сквозной коэффициент усиления напряжения представляет собой отношение выходного напряжения к ЭДС источника сигнала.

2.

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления. Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Достоинства:

• Большой коэффициент усиления по току

• Большой коэффициент усиления по напряжению

• Наибольшее усиление мощности

• Можно обойтись одним источником питания

• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

• Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Каскад состоит из

• биполярного транзистора VT1;

• резистора R_Б, который задаёт точку покоя каскада по постоянному току;

• резистора R_К, который преобразует меняющийся ток коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также участвует в задании напряжения покоя на коллекторе.

Для удаления постоянной составляющей входного сигнала источник подключается ко входу каскада через разделительную ёмкость C_Р1. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке R_Н через ёмкость C_Р2. Поскольку ёмкости вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они искажают сигнал, однако выбором достаточно больших величин ёмкости эти искажения сводятся к минимуму. Нагрузка, изображённая в виде сопротивления R_Н может представлять собой устройства различного назначения — динамик, индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.