3.6.5 Формирование частотного диапазона
1. Формирование частотного диапазона в области НЧ
Для устранения постоянного напряжения смещения на выходе УМ на его входе необходимо устанавливать разделительный конденсатор. Его емкость определяется на основании рисунка 3.17 из выражения
, (3.4)
где fн – нижняя частота рабочего диапазона;
Мн – заданный в ТЗ коэффициент частотных искажений на частоте fн;
– входное
сопротивление последующего каскада.
а
б
Рисунок 3.17 – Входная цепь
a – эквивалентная схема; б – АЧX
Выбираем ближайшее большее номинальное значение Ср. Напряжение, на которое рассчитан конденсатор, определяется как разность потенциалов в точках схемы его включения. Затем выбираем стандартное значение напряжения из номинального ряда (см. п. 3.3) и тип конденсатора. После этого необходимо пересчитать нижнюю частоту усилителя с поправкой fнП используя (3.4).
Формула (3.4) справедлива при применении одного разделительного конденсатора. При этом коэффициент частотных искажений последующих каскадов должен быть равен 1.
При применении нескольких разделительных конденсаторов необходимо распределить коэффициенты частотных искажений по каскадам
Мн=Мн1 . Мн2 . Мн3…,
где Мн1, Мн2, Мн3… – коэффициенты частотных искажений соответствующих каскадов.
При равномерном распределении частотных искажений между двумя каскадами
.
Разделительный конденсатор для формирования частотного диапазона можно вводить как на входе всего АЭУ, так и на входе любого из каскадов (в том числе и на выходе УМ, перед нагрузкой) как показано на рисунке 3.15 штриховой линией. Выбор местоположения разделительного конденсатора определяется значением емкости и его габаритами.
При проектировании усилителя постоянного тока (УПТ), для которого fн=0, в цепях прохождения сигнала разделительные конденсаторы должны отсутствовать.
2. Формирование частотного диапазона в области ВЧ
Обеспечение частотного диапазона в области ВЧ осуществляется шунтированием резисторов в цепях обратных связей одного или нескольких каскадов предварительного усилителя конденсаторами Св (рисунок 3.15). С ростом частоты сопротивление цепи ОС уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада.
Емкость такого конденсатора можно рассчитать по формуле
,
где fв – верхняя частота рабочего диапазона;
Мв – заданный в ТЗ коэффициент частотных искажений на частоте fв.
Остальные принципы формирования частотного диапазона аналогичны изложенным в предыдущем пункте.
3.6.6 Построение амплитудно-частотной характеристики (ачх) усилителя и ее кусочно-линейная аппроксимация
Построение АЧХ рассмотрим на примере входного каскада предварительного усилителя (рисунок 3.15). Вначале, для удобства, весь частотный диапазон условно разбивается на три области: низкочастотная (НЧ), среднечастотная (СЧ) и высокочастотная (ВЧ).
В области СЧ АЧХ входного каскада на ОУ представляет собой горизонтальную линию на уровне
.
Разделительный конденсатора Ср во входном каскаде предварительного усилителя обуславливает снижение АЧХ в области НЧ. Частотная характеристика в этой области строится по точкам при изменении частоты, выразив Мн(f) из (3.4). В этом случае коэффициент усиления в области НЧ определяется выражением
.
По полученным значениям Мн(f) и К1П(f) строится график АЧХ входного каскада в области НЧ.
В области ВЧ емкость Св, которая совместно с RОС1 образует ФНЧ первого порядка, определяет спад АЧХ. Коэффициент усиления в этой области можно рассчитать из выражения (для неинвертирующего усилителя)
,
где
– сопротивление цепи обратной связи;
ω=2πf – циклическая частота.
Примерный вид реальной АЧХ каскада предварительного усилителя на ОУ, построенной по приведенным выше формулам, приведена на рисунке 3.18,а.
Рисунок 3.18 – Реальная (а) и линеаризованная (б) АЧХ входного каскада
предварительного усилителя на ОУ
Упростить построение АЧХ каскадов на ОУ и избавиться от необходимости решения комплексных выражений позволяет замена реальной АЧХ аппроксимирующими ее линейными отрезками (рисунок 3.18,б). Построение линеаризованной АЧХ проводят следующим образом. Вычисляют точки перегиба, соответствующие уровню минус 3 дБ относительно K1СЧ, по эмпирическим формулам
,
и соединяют их прямой на уровне K1СЧ (область СЧ). В областях НЧ (слева от точки fн) и ВЧ (справа от fв) АЧХ имеет спад 20 дБ/дек. При расчете усилителя постоянного тока разделительный конденсатор Ср отсутствует и fн=0.