Экзамен по аналоговой схемотехнике (Афанасьев)

Эквивалентная схема

разделительная емкость; з – проводимость цепи затвора.

Сопротивление ёмкостей на различных частотах оказывает различное влияние на работу схемы:

1)В области СЧ выполняются следующие условия: 1∙Ср → 0; 1∙С0 max( , з, ). В области СЧ усиление не зависит от частоты.

2)В области ВЧ выполняются следующие условия: 1∙Ср → 0; 1∙С0 ( , з, ). С увеличением частоты влияние ёмкости С0 будет возрастать, пока при достаточно большой частоте не приведёт к КЗ в выходной цепи.

3)В области НЧ выполняются следующие условия: ∙1С0 max( , з, ) ; ∙1С ( , з, ). Разделительная емкость и

сопротивление нагрузки образует делитель напряжения. С понижением частоты сопротивление разделительной ёмкости будет расти, соответственно будет расти и падение напряжения на этом сопротивлении, а выходное напряжение будет уменьшаться, т.е. будет снижаться коэффициент усиления всего каскада.

6. ВЧ-коррекция с добавочной индуктивностью. Приведите схему и укажите основные достоинства и недостатки.

Коррекция осуществляется с помощью катушки индуктивности корр включенной последовательно с резистором с. Принцип действия основан на увеличении сопротивления цепи стока в области ВЧ: в области ВЧ сопротивление цепи стока определяется согласно выражению = + ∙ корр ; в областях НЧ и СЧ ≈ .

Индуктивная ВЧ коррекция эффективна только при работе на высокоомную нагрузку, т.е. нагрузка усилителя или входное сопротивление следующего каскада высокоомные: нили вх . В случае низкоомной нагрузки или низкоомного входного сопротивления следующего каскада сопротивление нагрузки каскада зашунтирует сопротивление цепи стока.

Уменьшение спада частотной характеристики в области верхних частот при включении корректирующей индуктивности корр объясняется тем, что транзистор оказывается нагруженным на параллельный колебательный контур, состоящий корр и С 0 = С вых + С вх + С м Если резонансная частота этого контура соответствует верхней частоте рабочего спектра частот входного сигнала, то его сопротивление в ВЧ области будет больше сопротивления цепи стока на средней частоте. Следовательно, в ВЧ области коэффициент усиления увеличивается и АЧХ выпрямляется.

Достоинства: Увеличение площади усиления.

Недостатки: 1) Коррекция только при работе на высокоомную нагрузку; 2) отсутствие широко ряда индуктивностей; 3) индуктивность является источником электромагнитного излучения, поэтому требуется экранировка; 4) индуктивную ВЧ коррекцию сложно реализовать в микроисполнении. ап

7. ВЧ-коррекция с частотно-зависимой обратной связью. Приведите схему и укажите основные достоинства и недостатки схемы.

и корр и Си корр – элементы ВЧ коррекции. К ним могут быть добавлены сопротивления ′и и С′и где ′и обеспечивает заданную термостаблизацию и задает рабочую точку. Для обеспечения ВЧ коррекции с использованием частотно-зависимой ООС необходимо выбрать

( )/(1 + ∙ и( ))

При различных соотношениях корректирующих элементов в области ВЧ возможны следующие варианты:

1

1) ∙Си корр < и корр ( и корр = 0; Си корр - нет) ООС отсутствует во всём диапазоне рабочих частот

1

2) ∙Си корр и корр ( и корр ≠ 0; Си корр - нет) ООС работает во всем диапазоне частот.

1

3) ∙Си корр и корр

Недостатки: необходимо принципиально снижать усиление в фактор обратной связи F раз

Достоинства: 1) Не требуется высокоомная нагрузка; 2) Существование широкого ряда емкостей и сопротивлений; 3) Сопротивления и конденсаторы легко реализуются в микроисполнении; 4) Нет источника электромагнитных помех.

8. НЧ-коррекция усилительного каскада. Приведите схему каскада.

Для расширения полосы пропускания усилительного каскада в сторону низких частот (т.е. для улучшения его частотной характеристики на НЧ и улучшения переходной характеристики каскада в области больших времен) часто используется сглаживающий фильтр в цепи коллектора. Принцип действия схемы основан на увеличении сопротивления коллекторной цепи с уменьшением частоты, в результате чего возрастает коэффициент усиления на НЧ. Это компенсирует снижение усиления на НЧ, обусловленное влиянием разделительного конденсатора Ср и блокировочного конденсатора Сэ. Номиналы корректирующих элементов выбираются таким образом,

чтобы в областях СЧ и ВЧ выполнялось неравенство: ∙1Сф < ф, а в области НЧ неравенство: ∙1Сф > ф. Коэффициент передачи схемы: ( ) = н/(н + 1/ ∙ Сф)

9. Повторители напряжения на полевых и биполярных транзисторах. Приведите схемы эмиттерного и истокового повторителей.

Повторители напряжения имеют следующие отличительные особенности по сравнению с типичными усилительными каскадами:

1) отсутствует способность усиливать напряжение < 1; 2) Весьма большое усиление по току; 3) Очень большое входное сопротивление; 4) Малое выходное сопротивление; 5) Широкополосность, обусловленная малой входной емкостью.

Имеют стопроцентную обратную связь. Повторители напряжения используются в многокаскадных усилителях в качестве буферных каскадов (устройств согласования), от которых требуется получить большое входное и малое выходное сопротивления.

Схема эмиттерного повторителя напряжения отличается от схемы каскада предварительного усиления тем, что отсутствует сопротивление в коллекторной цепи и выходной сигнал снимается с эмиттера транзистора.

0 = /( + э + + н) Из записанного выражения видно, что коэффициент передачи эмиттерного повторителя 0<1 и превышает коэффициент передачи истокового повторителя напряжения, поскольку крутизна S биполярных транзисторов как минимум на порядок превышает крутизну полевых транзисторов.

Сопротивление нагрузки RН включено напрямую в цепь истока и в которой содержится минимум элементов. Однако изменение сопротивления RН приведет к изменению положения рабочей точки транзистора. Данные изменения будут незначительными, так как каскад охвачен 100%-ной ООС, которая будет стремиться стабилизировать положение рабочей точки транзистора. Недостатком этой схемы повторителя напряжения является то, что в режиме отсутствия входного сигнала через сопротивление нагрузки RН будет протекать ток истока большой величины, который приведет к разогреву RН.

10. Регулировка АЧХ.

Для обеспечения наиболее естественного воспроизведения или записи звука в усилительных устройствах требуется в рабочих условиях изменять частотную характеристику на нижних или верхних частотах. Существует три основных метода регулировки АЧХ:

1) Регулировка с использованием частотно-зависимых делителей

Для уменьшения влияния помех в усилителях низкой частоты радиоприемников, а также шума на верхних частотах при воспроизведении грамзаписи используется регулятор тембра.

Достоинства: простота

Недостатки: низкая эффективность регулирования в отдельных частях частотной области.

2)Регулировка с использованием частотно-зависимой ООС

Вцепь ООС усилителя устанавливаются регуляторы. Эта схема позволяет менять коэффициент усиления в определенной области частот в диапазоне 1 ÷ 0

Достоинства: большая глубина регулировки

Недостатки: возможность самовозбуждения усилителя

3) Регулировка с помощью эквалайзеров

При помощи полосовых фильтров все полоса частот делится на несколько полос, которые возможно по отдельности регулировать. Входной сигнал поступает на линейку полосовых фильтров Ф1 , Ф2 … каждый из которых обладает своей центральной частотой и полосой пропускания. На выходе каждого фильтра стоит регулируемый усилитель, который изменяет АЧХ в отдельно взятой полосе частот по сигналу устройства управления (УУ), управляющего работой регулируемых усилителей. Сигналы со всех усилителей поступают на вход сумматора

Достоинства: возможность получения любой АЧХ

Недостатки: сложность устройства

11. Усилители мощности класса А на транзисторах.

В однотактном каскаде класса А усиление осуществляется одним транзистором. Класс А характеризуется минимальными искажениями сигнала при низком КПД схемы (не более 50%). Каскады класса А используются в качестве каскадов предварительного усиления, от которых требуется заданный коэффициент усиления при заданной величине искажений сигнала. При работе в классе A рабочая точка выбирается в середине

линейной части сквозной характеристики, поэтому линейные искажения минимальны. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал

12. Усилители мощности класса В (двухтактные) на транзисторах. Приведите схему двухтактного усилителя мощности на транзисторах.

Усилитель состоит из двух симметричных плеч, содержащих биполярные транзисторы VT1 и VT2 с максимально близкими параметрами, которые работают в идентичных режимах. Каждый из транзисторов со своими цепями составляет плечо каскада. Каждое плечо усилителя представляет собой однотактный усилитель мощности. Особенно ощутимы преимущества двухтактных усилителей при использовании режима В. В режиме В каждый из транзисторов открыт и участвует в формировании выходного напряжения только в течение одного полупериода. Транзисторы работают как бы поочередно, образуя синусоидальное выходное напряжение из двух полусинусоид. Обычно используется при малых мощностях выходного сигнала.

Усилители класса B применяются в качестве усилителей мощности в оконечных каскадах и в аналоговых усилителях с высокими требованиями к КПД. Усилитель класса B работает с отсечкой тока, то есть полпериода ток проходит, полпериода нет. Поскольку выходной сигнал является однополярным, то для получения отрицательной полуволны усилители класса B строятся по двухтактной схеме.

13. Ключевые усилители мощности с ШИМ.

Структурная схема усилителя мощности с широтно-импульсной модуляцией.

Здесь ЭК1, ЭК2 – электронные ключи, ГТЧ – генератор тактовой частоты, Lф и Cф формируют восстанавливающий фильтр. В точках 3 и 4 сигнал представляет собой широтно-импульсно- модулированный сигнал, в котором информативным параметром является длительность импульса. Длительность импульса прямо пропорциональна амплитуде аналогового сигнала 1. Частота следования импульсов выбирается согласно теореме Котельникова и задается ГТЧ.

1 – сигнал на входе КУМ с ШИМ;

2 – тактовые импульсы на выходе генератора тактовых импульсов;

3 – выходной сигнал с модулятора ШИМ, соответствующей положительной полуволне синусоиды входного сигнала 1;

4 – выходной сигнал с модулятора ШИМ, соответствующей отрицательной полуволне синусоиды входного сигнала 1;

5 – усиленный сигнал с обоих выходов модулятора ШИМ.

14. Ключевые усилители мощности с ИКМ.

Принцип построения ключевого усилителя мощности с импульснокодовой модуляцией (ИКМ) основан на преобразовании аналогового сигнала в цифровой код, с последующим его усилением и обратным преобразованием цифрового кода в аналоговый сигнал. Преобразование аналогового сигнала в цифровой код осуществляется с помощью АЦП. В зависимости от мгновенной амплитуды входного сигнала коммутируется соответствующий этому уровню амплитуды электронный ключ. Таким образом, на выходе сумматора имеем последовательность импульсов, амплитуда которых пропорциональна амплитуде входного сигнала.

1 – сигнал на входе усилителя мощности с ИКМ;

2 – тактовые импульсы на выходе генератора тактовых импульсов;

3 – совокупность импульсов на выходах электронных ключей, огибающая которых совпадает по форме с входным сигналом 1;

4 – сигнал в нагрузке, после ФНЧ

15. Спектрально-ключевые усилители мощности. Приведите структурную схему.

Принцип построения СКУМ заключается в разбиении всей широкой полосы частот на узкие полосы с последующим усилением сигнала в каждой полосе отдельно. Входные фильтры предназначены для разбиения АЧХ на узкие полосы частот. КУМ – ключевой усилитель мощности, построенный по любой из рассмотренных схем. Выходные фильтры предназначены для восстановления сигнала в каждой полосе отдельно. За счет эффективного восстановления сигнала повышается КПД всего усилителя. Если коэффициент усиления каждого из КУМ сделать регулируемым, то усилитель, может работать как эквалайзер

16. Дифференциальный УПТ на транзисторах.

При измерении некоторых физических величин (давление, температура и пр.) приходится обрабатывать медленно изменяющиеся электрические сигналы, снимаемые с датчиков. Для обработки и усиления таких сигналов, как правило, используют усилители постоянного тока.

Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель параллельного баланса. Дифференциальные УПТ – усилители, обеспечивающие усиление разности сигналов, поступающих на два входа усилителя в широкой полосе частот, включая и сигналы нулевой частоты (постоянный ток). Дифференциальные УПТ совместно с внешними элементами (резисторами, конденсаторами, диодами и т.д.) широко применяются для выполнения математических операций, например сложения, вычитания, логарифмирования, дифференцирования и интегрирования. Поэтому сами дифференциальные УПТ часто называют операционными усилителями

(ОУ).

Достоинства: малый дрейф нуля; высокая степень подавления синфазных помех;

Недостатки: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы

17. УПТ типа М-ДМ.

Принцип построения усилителей такого типа основан на преобразовании постоянного сигнала в переменный сигнал. Переменный сигнал усиливается широкополосным усилителем и преобразуется в сигнал постоянного тока.

1 – сигнал на входе усилителя типа МДМ; 2 – импульсы на выходе генератора тактовых импульсов; 3 – сигнал на выходе широкополосного усилителя; 4 – сигнал на выходе ФНЧ. Огибающая сигнала на диаграмме 3 совпадает по форме со входным сигналом усилителя.

Усилитель типа МДМ имеет узкую полосу пропускания. Поэтому, УПТ типа МДМ следует только для усиления сигналов постоянного тока

18. УПТ с коррекцией нулевого уровня.

Работа схемы состоит из двух временных интервалов (тактов): такта коррекции и рабочего такта. В течение времени коррекции ключ К1 отключает подачу на вход схемы напряжения сигнала, а на вход усилителя через ключ К2 подается напряжение, равное нулю. Ключ К3 переключает выход усилителя на аналоговое запоминающее устройство (АЗУ), которое в течение рабочего такта запоминает напряжение дрейфа. Напряжение дрейфа приводится ко входу через делитель напряжения (ДН). В течение рабочего такта ключ К1 подключает на вход схемы напряжения сигнала, а ключ К4 – подключает к положительному входу дифференциального усилителя

напряжение дрейфа, приведенное ко входу. Таким образом, согласно свойству дифференциального усилителя вычитать синфазные сигналы, напряжение дрейфа на выходе схемы приводится к нулю.

Выходное напряжение пропорционально первой производной от входного сигнала:вых = − вх. Идеальный дифференциатор не будет работать не во всем частотном

диапазоне: при увеличении частоты сопротивление емкости C стремится к нулю, а следовательно, коэффициент усиления бесконечно возрастает. Для того чтобы схема работала устойчиво, необходимо снизить коэффициент усиления за пределами рабочей полосы частот. Для этого в схему дифференциатора необходимо

добавить дополнительную емкость доп и сопротивление доп

25. Сумматоры на ОУ. Приведите схему.

напряжений. Чтобы веса в этой сумме были одинаковы, для всех входных сигналов следует выбирать равными сопротивления .

Для получения положительного коэффициента используют неинвертирующий сумматор

26. Резисторный усилитель на биполярных транзисторах, назначение и порядок расчета элементов. Приведите схему двухкаскадного резисторного усилителя на биполярных транзисторах.

Конденсаторы р являются разделительными, они препятствуют связи по постоянному току. Конденсатор э устраняет отрицательную обратную связь для переменной составляющей. С помощью резистора э, помимо задания необходимого напряжения смещения, в каскад вводится ООС, способствующая термостабилизации. б1 и б2 резистивный делитель предназначен для задания рабочей точки транзистора методом фиксированного напряжения.

Сопротивление ёмкостей на различных частотах оказывает различное влияние на работу схемы:

1)В области СЧ выполняются следующие условия: 1∙Ср → 0; 1∙С0 max( , з, ). В области СЧ усиление не зависит от частоты.

2)В области ВЧ выполняются следующие условия: 1∙Ср → 0; 1∙С0 ( , з, ). С увеличением частоты влияние ёмкости С0 будет возрастать, пока при достаточно большой частоте не приведёт к КЗ в выходной цепи.