Рис. 5.12. Влияние времени задержки распространения на работу цифровой схемы

Подобные искажения, изменение времени становления фронтов и временные задержки, могут отрицательно сказаться на работе сложной и полезной схемы, их обязательно нужно будет отыскать и устранить. Но эти же искажения с успехом используются для создания схем формирователей импульсов, формирователей задержек и т.п. Важно знать, как работают эти искажения, чтобы из их вредного влияния на работу схемы извлечь пользу.

Затягивание фронтов импульсов из-за паразитных емкостей может сильно сказываться на правильности работы цифровых устройств. Например, из-за неодинакового времени задержки могут появляться короткие импульсы, которые в быстродействующих сериях цифровых микросхем могут вызывать срабатывание триггеров. Очень короткие импульсы, практически, не видны на экране осциллографа, и об их существовании приходится скорее догадываться, чем их наблюдать. Впрочем, и искажения синусоидального сигнала порядка 1-2% не будут заметны на экране осциллографа. Эти особенности искажений сигналов следует учитывать, иначе ошибка неизбежна.

Генерация сигналов

Одни радиоэлектронные устройства предназначены для обработки сигналов, которые они получают извне. Таков радиоприемник. Он принимает радиосигнал, сформированный за многие километры от него, и его задача преобразовать радиосигнал в звук. Но многие устройства в своем составе имеют узлы, где сигнал определенного вида должен быть сформирован «на месте». Узлы, создающие переменное напряжение, меняющееся по

заданному закону, обычно называют генераторами. Генераторы тактовых импульсов в цифровых устройствах, генератор несущей частоты в радиопередатчике, гетеродин радиоприемника, генератор испытательного сигнала в приборе – всех применений генераторов не перечесть в одной фразе.

Как работает генератор?

Самым наглядным образом это можно понять, как мне кажется, если вернуться к схеме операционного усилителя. Синусоидальный сигнал от источника переменного напряжения V1 подадим на инверсный вход операционного усилителя. На выход усилителя включим делитель напряжения из резисторов R2 и R3.

Рис. 5.13. Фазовое соотношение выходного и входного, на инверсном входе, сигналов

Хотя сигнал на выходе, явно с большими нелинейными искажениями, по форме не похож на входной синусоидальный, он, кроме того, находится в противофазе со входным. На осциллограмме показан не весь выходной сигнал, а его часть (part), снятая с делителя напряжения.

Снимем сигнал с инверсного входа и подадим его на прямой вход операционного усилителя, не меняя структуры схемы.

Рис. 5.14. Осциллограмма при подаче сигнала на прямой вход ОУ

Обе осциллограммы схожи, но сигналы стали синфазными. Если мы подадим сигнал с делителя напряжения на один из входов, мы получим обратную связь. Когда сигналы совпадают по фазе, как на рисунке 5.14, обратная связь называется положительной. При противофазных сигналах, как на рисунке 5.13, говорят об отрицательной обратной связи. Чтобы сразу оценить влияние отрицательной обратной связи проведем два эксперимента. В первом эксперименте мы получим частотную характеристику конкретного операционного усилителя μA741, точнее амплитудно-частотную характеристику. На практике такая характеристика получается измерением напряжения на выходе при подаче на вход усилителя от генератора сигналов последовательно растущей частоты с неизменным напряжением. Для каждой частоты удобно определять коэффициент усиления и отмечать его на графике. Очень часто для коэффициента усиления используют не отношение напряжений на выходе и на входе, а логарифм этого отношения, умноженный на 20. Такое выражение имеет специальное название, вернее специально названную единицу – децибел. Чем полезно использование децибел? Если коэффициенты усиления двух каскадов для получения результирующего усиления нужно перемножать, то выраженные в децибелах эти коэффициенты складываются. Проще складывать, чем перемножать.

Программа Qucs позволяет провести такое исследование проще. Есть моделирование на переменном токе. В свойствах этого вида моделирования мы изменим тип с линейного на логарифмический, зададим начальную частоту, положим, 1 Гц, а конечную 10 кГц, и увеличим количество точек до 1100. Кроме того на полученной осциллограмме выходного сигнала out мы на вкладке Свойства установим опцию логарифмическая разметка оси X.

Частотная характеристика операционного усилителя без обратной связи получается следующей.

Рис. 5.15. Амплитудно-частотная характеристика ОУ без обратной связи

Начальный коэффициент усиления около 80000 (входное напряжение 0.1 В). С ростом частоты он уменьшается и на частоте 1 кГц почти равен нулю. Забегая вперед, хочу обратить внимание на тот факт, что коэффициент усиления на частоте 10 Гц равный 60000 на частоте в десять раз большей, 100 Гц, превращается в 6000 (или близко к этому). Спад частотной характеристики в десять раз (или на 20 дБ) на декаду (изменение частоты в десять раз), а не больше, оказывается очень полезен при введении отрицательной обратной связи. В операционных усилителях такой вид частотной характеристики получается благодаря специальному построению схемы.

Введем в нашу схему рисунка 5.15 отрицательную обратную связь. Для этого мы соединим точку, помеченную как part, делителя выходного напряжения с инверсным входом операционного усилителя. Схема в таком виде в точности соответствует типовой схеме включения операционного усилителя, как масштабирующего. После этого повторим моделирование на переменном токе.

Рис. 5.16. Амплитудно-частотная характеристика ОУ с отрицательной обратной связью

Усиление, и это видно на диаграмме, снизилось, но полоса пропускания значительно расширилась, усиление спадает до нуля на частоте большей, чем 100 кГц. Полоса пропускания определяется плоской частью амплитудно-частотной характеристики. А верхняя граничная частота усиления определяется по спаду на 3 дБ. На рисунке 5.15 эта верхняя граничная частота приблизительно равна 10 Гц. На рисунке 5.16 она стала равна 100 кГц. За счет чего это удалось сделать обратной связи. За счет того, что она отрицательная – часть сигнала с выхода, с делителя напряжения, попадает на вход, где складывается в противофазе со входным сигналом, то есть, складывается, но с обратным знаком, или, что тоже самое, вычитается. Чем больше усиление, тем больше сигнал на выходе, тем больше его часть, попадает на вход, уменьшая входной сигнал. Когда усиление падает, эта возвратная часть сигнала уменьшается, словно увеличивая входной сигнал. В результате, независимо от начальной величины входного сигнала, отрицательная обратная связь осуществляет автоматическую коррекцию выходного сигнала, пока есть запас по усилению, определяемый исходным усилением схемы. Отрицательная обратная связь не только расширяет полосу пропускания усилителя, но и благотворно сказывается на остальных параметрах схемы, корректируя и стабилизируя их. А положительная обратная связь? Все делает с противоположным знаком, то есть, наоборот.

Здесь получается, что часть сигнала с выхода попадает на вход, складываясь с исходным сигналом. А это, в данном случае, приводит к увеличению выходного сигнала... и той части, что снимается с делителя напряжения на выходе, и что вновь приходит на вход, еще больше увеличивая входной сигнал. Возникает некое самоусиление или самовозбуждение. Именно на

этом принципе строятся многие генераторы. Но если рост усиления при положительной обратной связи еще как-то понятен, поскольку есть источник сигнала, то что усиливается, когда его нет, ведь генератор сам выступает в качестве источника переменного напряжения? Во-первых, не следует забывать о переходных процессах, возникающих при подключении питания к схеме. Кроме того, на входе любого усилителя есть особенный сигнал, который называется шум. Любой резистор на входе усилителя является источником шума – его электроны в хаотическом движении, а любой движущийся заряд порождает ток, создают переменные напряжения в широком спектре частот. Таким же свойством обладают полупроводниковые материалы, из которых сделаны транзисторы, особенно это касается транзисторов входных каскадов. К шумам относятся и все паразитные наводки. Так что, любой усилитель шумит. Шумы – вредный параметр для усилителя. Их стараются максимально снизить. Усилители звука по качеству классифицируются с учетом шумов, поскольку реальный звук по громкости изменяется в очень широком диапазоне, а усилитель со стороны самого громкого звука ограничен напряжением питания, а со стороны самого тихого звука ограничен шумами. Отношение максимального неискаженного выходного напряжения усилителя звука к напряжению шума, выраженное в децибелах, называют динамическим диапазоном усилителя. Чем этот параметр больше, тем качественнее усилитель. Но вернемся к положительной обратной связи.

Рис. 5.17. Операционный усилитель с положительной обратной связью

Делитель напряжения на выходе операционного усилителя частотно-зависимый, поскольку кроме резисторов содержит конденсатор. Но в остальном, схема отличается от предыдущей только отсутствием источника сигнала и наличием положительной обратной

связи. Как можно видеть на осциллограмме на выходе (out) присутствует сигнал, генерированный операционным усилителем. Введя положительную обратную связь, мы превратили усилитель в генератор.

Я уже говорил, что на практике чаще других используют синусоидальный сигнал. Для формирования синусоидальных сигналов звуковой частоты применяют фильтры. Но использовать LC фильтр на частотах 50-400 Гц затруднительно из-за больших габаритов катушки индуктивности. Поэтому применяют более компактные RC фильтры. Посмотрим, какую амплитудно-частотную характеристику имеют два фильтра, имеющих по два элемента

– резистор и конденсатор.

Рис. 5.18. Амплитудно-частотные характеристики двух фильтров

Из диаграммы видно, что один фильтр хорошо пропускает низкие частоты, но плохо высокие, другой наоборот, хорошо пропускает высокие частоты и плохо низкие. Их называют фильтрами высоких и низких частот. Но особенно меня интересует та точка графика, где обе кривые пересекаются. Нельзя ли это использовать для получения сигнала только одной частоты?

Попробуем объединить оба фильтра в один, и посмотрим на его амплитудно-частотную характеристику.

Рис. 5.19. Амплитудно-частотная характеристика комбинированного фильтра

Такой фильтр, похоже, действительно наилучшим образом пропускает одну частоту. А если такой фильтр употребить в цепи положительной обратной связи усилителя?

В качестве усилителя возьмем два одинаковых каскада усиления на транзисторах. Правда эти транзисторы я выбрал из библиотеки программы, как реальные 2N2222, для верности. В программе Qucs в разделе Инструменты есть подраздел Библиотека компонентов, где располагаются модели реальных элементов – транзисторов, операционных усилителей и т.д. Мне сейчас не хочется особенно задумываться о настройке каждого каскада, поэтому я выбираю самую типовую схему включения транзистора и проверяю только работоспособность одного каскада усиления, включив источник переменного напряжения на его вход и посмотрев сигнал на выходе. Значения резисторов я выбираю, как говорится «на вскидку», конденсаторы беру «побольше». На всякий случай, задав еще несколько точек наблюдения, проверяю те точки, где будет включена цепь обратной связи, чтобы убедиться, что обратная связь будет положительной. Проверив один каскад, я копирую его и вставляю в схему, как второй каскад. Позже, экспериментируя с двухкаскадным усилителем, я возможно изменю значения резисторов и конденсаторов, но позже, а сейчас мне хочется убедиться в работоспособности схемы. На схеме ниже пара C1R2 соответствует R1C1, а C3R8 – C2R2.

Рис. 5.20. Схема транзисторного усилителя с положительной обратной связью

Уменьшая величину конденсаторов C1 и C3 в десять раз, до величины 1000 пФ, можно получить десятикратное увеличение генерируемой частоты.

Рис. 5.21. Увеличение частоты в десять раз при уменьшении величины конденсаторов

И, естественно, сигнал так же похож на синусоиду, как я на старательного разработчика – «тяп, ляп, клеточка». Но я хитрый, я попробую добавить к положительной обратной связи отрицательную. Не зря же я добавлял точки проверки. Не пропадать же труду впустую!