3. Анализ однотактного выходного каскада в режиме а
Рассмотрим принципиальную схему выходного каскада с непосредственным включением внешней нагрузки в выходную цепь усилителя (рис.9.1.). Для анализа построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току, которые для этой схемы совпадают, так какRн==Rн~=Rнвн.. На горизонтальной оси откладываем Uвых=Е, а на вертикальной оси точку i=E/ Rнвн. Соединив эти точки, посторим нагрузочную прямую, рис.9.8.
Рис.9.8. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А.
Находим рабочую точку (пересечение нагрузочной прямой со статической характеристикой, соответствующей заданному смещению). Из рабочей точки опускаем перпендикуляры на горизонтальную и вертикальную оси и определяем постоянные составляющие выходного напряжения U0 и выходного тока I0. Амплитуда входного сигнала должна охватывать весь раствор семейства выходных статистических характеристик. При заданном значении амплитуд входного сигнала Iтвх графическим путем определяем амплитудное значение выходного напряжения Uтвых и выходного тока Iтвых. Затем аналитическим путем рассчитываем основные показатели выходного каскада.
Так, полезная выходная мощность P~ рассчитывается следующим образом:
P~= Iтвых Uтвых/2;
Максимальное значение амплитуды выходного тока определяется Imвых£Io, выходного напряжения - Uтвых=0,5Е. Следовательно, максимальная полезная мощность P~max=0,25 I0Е. Максимальное значение КПД определяется ηmax= P~max/P0=0,25 I0Е/ I0Е=0,25, где P0= I0Е - потребляемая мощность.
Для получения максимального значения КПД сопротивление нагрузки Rнвн должно быть равным Rнвн= Uтвых/ Iтвых=0,5Е/ I0. Изменение Rнвнв любую сторону или уменьшение Iтвх уменьшают полезную мощность и КПД.
Таким образом, этот способ включения имеет малый КПД<0,25. Кроме того, через нагрузку не должна протекать постоянная составляющая I0, поэтому эта схема в однотактных усилителях применяется редко и встречается только в случае, когда в качестве нагрузки применяется реле. Но надо отметить, что непосредственное включение нагрузки находит широкое применение в двухтактных бестрансформаторных каскадах.
Резисторно-емкостное подключение внешней нагрузки Rнвн (рис.9.2) обеспечивает еще меньшее значение КПД≤0,08. Простота схемы и отсутствие громоздких компонентов составляют общие черты с предыдущей схемой, однако в этой схеме устранен один из ее недостатков: постоянная составляющая выходного тока не протекает через внешнюю нагрузку. Каскады выходных усилителей с резисторно-емкостным включением внешней нагрузки используются в импульсных усилителях напряжения.
БИЛЕТ №18
1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также — график этой функции. Полоса пропускания
Не случайно мы тему начали с определения амплитудно частотной характеристики(АЧХ), так как она напрямую связана с понятием полоса пропускания. И так, полосой пропускания канала связи является диапазон частот, в пределах которого наша амплитудно частотная характеристика(АЧХ) заданного устройства равномерна, что бы у нас не было заметного искажения при передачи сигнала по линии связи.
Иными словами, полоса пропускания показывает диапазон частот, который можно использовать с минимальным затуханием. Измеряется полоса пропускания в Герцах (Гц). Давайте приведем различные значения полосы пропускания (ΔF) для разных каналов передачи данных:
0,3 кГц - 3,4 кГц-канал тональной частоты телефонной лини связи
80 Гц - 110 МГц-витая пара
80 Гц - 10000 МГц-оптоволокно
Т.е. первое значение показывает начальные частоты (Fн), а второе - конечные частоты (Fк). Т.е. пределы частот, в которых амплитудно частотная характеристика(АЧХ) равномерна.
Мы знаем, что любой существующий сигнал (на входе) можно представить или в частотной или во временной областях. Частотное воплощение сигнала соответствует заданный спектр гармоник - ширинной Δf. Т.е. на выходе с линии связи мы будем получать сведения только от тех сигналов, частоты которых будут принадлежать полосе пропускания ΔF нашей линии связи. Можно сделать вывод, что бы мы могли передавать сигналы с нужным нам искажением - надо выполнять следующее условие:
ΔFлинии связи > Δfсигнала
Т.е. к частотным искажениям может привести ограниченность полосы пропускания. Чем мы будем иметь шире полосу пропускания, тем стабильнее мы будем воспроизводить переданный сигнал. Ну и после разбора понятий амплитудно частотной характеристики (АЧХ) и полосы пропускания, давайте ознакомимся с основными причинами искажения сигналов:
разница скоростей распространения гармоник сигнала в нашей линии связи
постоянное присутствие помех на линии связи.
Частотные искажения вызваны неидеальностью амплитудно-частотной характеристики системы обработки и передачи сигнала. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики, количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений.
Фа́зочасто́тная характеристика (ФЧХ) — зависимость разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала, функция, выражающая (описывающая) эту зависимость, также — график этой функции.
Для линейной электрической цепи, зависимость сдвига по фазе между гармоническими колебаниями на выходе и входе этой цепи от частоты гармонических колебаний на входе.
Часто ФЧХ используют для оценки фазовых искажений формы сложного сигнала, вызываемых неодинаковой задержкой во времени его отдельных гармонических составляющих при их прохождении по цепи.
Фазовые искажения вызваны неидеальностью фазо-частотной характеристики системы обработки и передачи сигнала. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи.
2. В настоящее время широко применяются усилители, выполненные на полевых транзисторах. На рис. 9 приведена схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ и одним источником питания.
Рисунок 9
Режим работы полевого транзистора в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока Iсп и соответствующим ему напряжением сток-исток Uсип. Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора Uзип. Это напряжение возникает на резисторе Rи при прохождении тока Iсп (URи = Iсп Rи) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R3. Резистор Rи, кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя Iсп. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си и таким образом обеспечивают неизменность коэффициента усиления каскада. Сопротивление конденсатора Си на наименьшей частоте сигнала должно быть намного большим сопротивления резистора Rи, которое определяют по выражению:
(1)
где Uзип, Iсп – напряжение затвор-исток и ток стока при отсутствии входного сигнала.
Емкость конденсатора выбирается из условия:
(2)
где fmin – наинизшая частота входного сигнала.
Конденсатор Ср называется разделительным. Он используется для развязки усилителя по постоянному току от источника входного сигнала.
Емкость конденсатора:
(3)
Резистор Rс выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого напряжением между затвором и истоком.
3. Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока с
дифференциальным входом и однотактным выходом, имеющий высокий
коэффициент усиления. ОУ предназначен для выполнения различных операций с
аналоговыми сигналами: усиление и ослабление, сложение и вычитание,
интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и
потенцирование, фильтрация и другие. Операции ОУ выполняет за счет вариации цепей
положительной и отрицательной обратной связи. Данные цепи могут
включать сопротивления, емкости и другие элементы.
Структурная схема ОУ приведена на рис. 1. Первый блок (1) –
дифференциальный усилительный каскад, у ОУ имеются два входа:
инвертирующий, обозначается знаком (o) или знаком (-), и
неинвертирующий, не отмечается или около него ставят (+). Входные
сигналы можно подавать на любой из двух входов.
Второй блок ОУ (2) – усилительный каскад с большим
коэффициентом усиления, охваченный емкостной отрицательной обратной
связью с целью коррекции частотной характеристики ОУ. На выходе
используется усилительный каскад с малым выходным сопротивлением (3)
Операционный усилитель имеет следующие основные пара-
метры:
1. Коэффициент усиления без обратной связи (А). Коэф-
фициент усиления усилителя в отсутствие обратной связи
обычно равен нескольким тысячам. Называется также полным
коэффициентом усиления по напряжению.
2. Входное напряжение сдвига (Uсдв). Небольшие нежела-
тельные напряжения, возникающие внутри усилителя, служат
причиной появления на его выходе некоторого ненулевого на-
пряжения при нулевом напряжении на обоих входах. Является
следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база
транзисторов. Обычно Uсдв равно нескольким милливольтам.
3. Входной ток смещения (Iсм). Ток на входах усилителя,
необходимый для работы входного каскада операционного уси-
лителя; ток базы, который должен быть обеспечен для входного
транзистора.
4. Входной ток сдвига (Iсдв). Разность токов смещения, не-
обходимых для двух входных транзисторов операционного усилителя. Появляется вследствие неточного согласования ко-
эффициентов усиления по току () входных транзисторов. Если
Iсм1 - ток, необходимый для питания базы входного транзистора
на инвертирующем входе, а Iсм2 - ток, необходимый для пита-
ния базы входного транзистора на неинвертирующем входе, то
Iсдв= Iсм1- Iсм2 (рис.1.6). Входной ток сдвига меняется приблизи-
тельно также, как входное напряжение, поэтому ток сдвига яв-
ляется переменной величиной. Обычно Iсдв лежит в диапазоне
от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.
5. Входное сопротивление (Rвх). Сопротивление усилителя
по отношению ко входному сигналу. Входное сопротивление
Rвх может достигать нескольких сотен мегомов. Следует разли-
чать дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротив-
ление между двумя входными выводами, и синфазное входное
сопротивление, т. е. сопротивление между объединенными обо-
ими выводами входов и землей. В описаниях микросхем обыч-
но не указывается, какой из этих параметров имеется в виду, и
пишется просто Rвх.
6. Выходное сопротивление (Rвых). Внутреннее сопротив-
ление усилителя, о котором можно судить по напряжению на
его выходе. Обычно Rвых, не превосходит нескольких сотен
омов.
7. Коэффициент ослабления синфазных входных напря-
жений. Характеризует способность ослаблять (не усиливать)
сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.
8. Коэффициент влияния нестабильности источника пи-
тания на выходное напряжение. Показывает изменение вы-
ходного напряжения при изменении напряжений питания (+U и
-U одновременно) на 1 В. Обычно дается в микровольтах на
вольт.
9. Входная емкость (Cвх). Емкость между входными выво-
дами и землей.
10. Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляе-
мый операционным усилителем.
11. Потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки),
рассеиваемая операционным усилителем.
12. Максимальная скорость нарастания выходного на-
пряжения (V). Максимальная скорость изменения выходного
напряжения, данная в вольтах на микросекунду.
13. Переходная характеристика. Сигнал на выходе опера-
ционного усилителя при подаче на его вход ступеньки напря-
жения. Время нарастания и величина выброса выходного на-
пряжения даются для стандартного изменения входного напря-
жения.
14. Предельно допустимые значения. Сюда относятся та-
кие параметры, как максимальная рассеиваемая мощность, ра-
бочий диапазон температур, максимальное напряжение питания
максимальная разность входных напряжений (между инверти-
рующим и неинвертирующим входами), максимальное напря-
жение синфазных входных сигналов и интервал температур
хранения. (Превышение этих максимальных значений приводит
к повреждению операционного усилителя.)
Билет № 19
1)Амплитудная характеристика – это зависимость выходного переменного напряжения от входного переменного напряжения. Отношение выходного и входного напряжений равно K0
ЛИБО:
Амплитудная характеристика - зависимость амплитуды Авых сигнала на выходе устройства от амплитуды Авх на его входе. Обычно определяется при гармоническом входном сигнале и используется для оценки линейности устройств. При достаточно малом Aвх амплитудная характеристика большинства устройств линейна, а коэффициент передачи К=Авых/Авх постоянен. С ростом Авх проявляется нелинейность амплитудной характеристики, приводящая к изменению k, нелинейным искажениям формы и ограничению амплитуды выходного сигнала.
Пример амплитудной характеристики радиоэлектронного устройства приведен на рисунке:
Идеальная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат. Отклонение выходного напряжения от идеальной зависимости в точке 2 вызывается ограничением синусоидального сигнала сверху или снизу (насыщение или отсечка транзистора). Отклонение от идеальной прямой в начале графика (точка 3) вызывается наличием шумового напряжения. Шум в усилительных приборах присутствует всегда, поэтому даже при отсутствии входного напряжения на выходе есть какое-то напряжение.
Для построения амплитудной характеристики потребуются генератор переменного тока и вольтметр переменного напряжения. Амплитудная характеристика усилителя конечно же зависит от передаточной характеристики. Изменяя положение рабочей точки на передаточной характеристике можно изменять коэффициент усиления. Это приведет к изменению наклона амплитудной характеристики. Рабочая точка может приближаться к напряжению отсечки или напряжению насыщения транзистора. На амплитудной характеристике любое отклонение от середины передаточной характеристики приведет к уменьшению входного максимального напряжения. Эта означает, что ограничение сигнала наступит при меньшем напряжении (точка 3 на графике, приведенном на рисунке 1).
Отклонение графика от идеальной прямой в точке 2 вызвано другими причинами. Это напряжение шумов и помех усилителя или радиоэлектронного устройства. При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе будут присутствовать только шумы и помехи Амплитудная характеристика позволяет определить коэффициент усиления и динамический диапазон радиоэлектронного блока. Динамический диапазон определяется как отношение максимального сигнала к минимальному в линейном масштабе или разность максимального уровня сигнала и минимального в логарифмическом масштабе:
Результирующая амплитудная характеристика радиоэлектронного устройства определяется характеристиками каждого из его блоков. В результате усиления шумов предыдущих каскадов динамический диапазон всего устройства в целом может уменьшаться. Увеличение динамического диапазона может быть вызвано применением фильтров, которые будут подавлять внедиапазонные шумы и помехи, поэтому правильное взаимное расположение блоков может значительно улучшить амплитудную характеристику устройства в целом.
Динамическим диапазоном усилителя называют отношение U m вх макс (при заданном уровне нелинейных искажений) к U m вх мин (при заданном отношении сигнал/шум на входе)
D= U m вх макс U m вх мин или D,дБ=20 lgD.
Динамический диапазон усилителя должен быть больше, чем динамический диапазон усиливаемого сигнала.
Динамический диапазон
Отношение (в децибелах) наибольшего допустимого значения амплитуды входного напряжения к ее наименьшему допустимому значению называется динамическим диапазоном амплитуд (или просто динамическим диапазоном). Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления (точка компрессии). В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.
Как снимать амплитудную характеристику |
1. Соберите схему исследуемого каскада, показанную на рис. 8. (Динамический диапазон, пункт 7)
Рис. 8. Схема каскада ОЭ для снятия АХ и определения входного сопротивления 2. Подключите вольтметры на вход и на выход каскада. Не забывайте, что сопротивление вольтметров должно быть как можно большим. 3. Установите среднюю частоту f0. Амплитудная характеристика снимается при неизменной частоте. 4. Для контроля линейности усиления подключите и настройте осциллограф. По нему будете определять, появились или еще нет, нелинейные искажения выходного сигнала. 5. Установите входной сигнал такого уровня, чтобы на осциллограмме выходного сигнала были видны заметные нелинейные искажения. 6. Затем постепенно уменьшайте входной сигнал до минимума, снимая показания вольтметров на входе и выходе каскада. 7. Показания вольтметров заносятся в таблицу. Можно снимать АХ, начиная с начала, т.е. постепенно увеличивая входной сигнал до тех пор, пока не появятся заметные нелинейные искажения на осциллограмме выходного сигнала. Но это менее удобно, т.к. затрудняет правильное распределение снимаемых точек на характеристике. По данным, занесенным в таблицу строится график. Используя график, определяют динамический диапазон каскада или усилителя. Чтобы определить динамический диапазон выделяют на графике амплитудной характеристики линейный участок (участок АВ на рис. 9). На этом участке характеристики нет нелинейных искажений. Отношение максимального входного сигнала, при котором еще нет нелинейных искажений UВХm max, к минимальному входному сигналу на линейной части АХ UВХm min и называют динамическим диапазоном каскада (усилителя). или иначе
|
Рис. 9. Амплитудная характеристика усилительного каскада ОЭ