Переходная характеристика

Расчет искажений переходной характеристики : спада вершины

импульса ∆ и времени его нарастания t_н .

Для получения переходной характеристики обычно подают на вход каскада прямоугольные импульсы. В программе Fastmean предусмотрен генератор сигнала “меандр”. Он должен заменить генератор гармонического сигнала в схеме рис.1.18. Амплитуду входного сигнала можно оставить без изменений

Удобно начинать измерения искажений ПХ с измерения спада вершины импульса ∆.

Спад вершины импульса может быть измерен только при определенной длительности импульса t_И. Для измерения ПХ при установке генератора сигнала необходимо выставить “меандр” и его частоту f=1/Т, где Т-период последовательности импульсов. Период Т= t_И/к, где к-коэффициент заполнения. В Fastmean он указан в процентах.

ПРИМЕР 1.12. Определить частоту генератора прямоугольных импульсов длительностью 5мкс.

Дано: t_И=5мкс, к = 50% .

Решение: Определяем период Т =5мкс/0,5=10мкс

и частоту генератора f=1/10мкс=100кГц

Для получения переходной характеристики необходимо активировать кнопку “ переходный процесс”.

Если каскад поворачивает фазу на 180^о, то для удобства (чтобы выходное напряжение было положительным) можно выходное напряжение взять отрицательным. Для этого перед U_2Н надо поставить знак минус ( - U(5) ) .

В выражение по оси X поставить t, а в выражение по оси Y – напряжение на выходном узле (например -U(5)). Можно также посмотреть форму входного сигнала, если в выражении по оси Y записать напряжение на входном узле U(7). Конечное время рекомендуем принять равным периоду Т .

Рис.1.21. Вид ПХ при длительности однополярного импульса 5мкс.

СПАД ВЕРШИНЫ ИМПУЛЬСА

Получив вид ПХ, вызываем линейку и измеряем максимальное выходное напряжение U_МАХ и выходное напряжение U_МIN при t= t_И.

Стрелка показывает, что максимального значения выходного напряжения U_МАХ =0,245В ПХ достигает при t=0,203 мкс.

ПРИМЕР 1.12. Вычислить спад вершины импульса на рис.1.21

Дано: U_МАХ=0,245 В, U_МIN=0,170 В.

Решение: ∆=(( U_МАХ - U_МIN )/ U_МАХ)100 %=

=((0,245-0,170)/0,245)*100%=30,6%.

ВРЕМЯ НАРАСТАНИЯ

Для измерения времени нарастания t_н установить конечное время, равное времени увеличения выходного напряжения. Его показывает окно линейки при измерении U_МАХ. Установив новое значение конечного времени, переходим к измерению времени нарастания t_н. Если конечное время очень мало, то следует выделить на ПХ требуемый временной участок. Такая ПХ показана на рис.1.22.

Рис.1.22 Вид ПХ при определении времени нарастания

ПРИМЕР 1.13. Определить время нарастания t_н

Дано: Из рис.1.22 t_0,1 =5,4нс , t_0,9 =79нс.

Решение: По определению время нарастания t_н= t_0,9 -t_0,1 ,

где t_0,9- время, при котором выходное напряжение

равно 0,9* U_2MAX , а t_0,1- время, при котором вы-

ходное напряжение равно 0,1* U_2MAX.

Таким образом t_н=79-5,4=73,6 нс

Принято считать, что t_н=0,35/ f_В, где f_В- частота верхнего среза по уровню -3 д Б (1/) на АЧХ. Сравним результаты: время нарастания по АЧХ t_н(АЧХ) = 0,35/4,538 МГц = 77 нс, t_н(ПХ) = 73,6 нс.

Аналогичным образом можно производить анализ схем с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

На рис. 1.23 изображена принципиальная схема каскада с ОБ.

Резисторы цепей питания RЭ, RК, RБ1, RБ2 можно рассчитывать по примерам 1.2 или 1.3 и по эквивалентной схеме рис.1.7.

Рис.1.23 Принципиальная схема усилительного каскада с ОБ

Используя эквивалентную схему рис.1.24 можно вести расчеты на переменном токе, предварительно определив параметры транзистора (пример 1.10).

Рис.1.24 Эквивалентная схема усилительного каскада с ОБ

Все сказанное выше о схеме с ОБ можно отнести также и к схеме с ОК.

Принципиальная и эквивалентная схемы каскада с ОК представлены на рис.

1.25 и 1.26.

Рис.1.25 Принципиальная схема усилительного каскада с ОК.

Особенностью принципиальной схемы с ОК является то, что цепи питания

транзистора на постоянном токе во многих случаях не содержат резистор R_К, коллектор непосредственно подключается к источнику питания +Е_К. Это не оказывает заметного влияния на коэффициент усиления. Он в любом случае меньше единицы.

На переменном токе наличие резистора R_К в коллекторной цепи уменьшает частоту верхнего среза и увеличивает время нарастания.

Рис. 1.26 Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК

Рассмотренная методика расчетов транзисторных усилителей позволяет легко и эффективно исследовать различные структуры принципиальных схем в режиме малого сигнала.

2. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ НА ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЯХ

2.1 Общие сведения

Операционным усилителем (ОУ) принято называть усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом и однополярным выходом, характеризуемый высоким коэффициентом усиления, а также большим входным сопротивлением и малым выходным. ОУ предназначен для работы в схеме с отрицательной образной связью (ОС).

Название ОУ происходит от первоначального применения таких устройств для выполнения аналоговых математических операций.

Современный ОУ содержит значительное число компонентов, в частности, десятки транзисторов, находящихся в миниатюрном кремниевом кристалле.

Рис.2.1 Упрощенная принципиальная схема ОУ µ A 741.

На рис.2.1 показана упрощенная схема [9] “классического” ОУ широкого применения µ A 741 (полная схема включает 24 транзистора). Структурно схему можно разбить на три каскада. Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя (транзисторы VT1 и VT2). Вторую ступень усиления образует каскад с ОЭ на транзисторе VT10. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах VT11, VT12. Внутренний конденсатор обеспечивает устойчивую работу ОУ.

По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от отдельно взятого транзистора. Реализация различных устройств с применением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Благодаря своим многосторонним возможностям ОУ вытесняет устройства на дискретных транзисторах и ста­новит- ся базовым (унифицированным) узлом в аналоговой схемотехнике.