Лабораторные практикумы / 2 Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемных устройств

Вариация сопротивлением потенциометра Х2 (рис.5.4), вместе с резисторами R6 и R15 позволила обеспечить линейный усилительный режим первого ОУ (Х1) при достаточно большом значении амплитуды входного сигнала. Увеличение амплитуды входного сигнала может перевести к ограничению выходного напряжения и чтобы избежать этого необходимо, с одновременным увеличением сопротивления источника сигнала (R1) увеличивать величину резистора R7, чтобы между инвертирующим и неинвертирующим входами Х1 обеспечивалась разность потенциалов составляла≈ 4мВ(потенциал (V4) в узле 4 меньше потенциала V(5) в узле 5). Последующая замена Х2 делителем из резисторов R16 и R17 (рис.5.21) и потенциометра Х5 (рис.5.4) резистором R18, обеспечивающим глубину ООС во втором каскаде усилителя, позволила реализовать линейный режим второго ОУ (Х3, рис.5.4). Одновременно, регулировка глубины ООС с помощью потенциометра Х5 позволит подобрать масштабирующий коэффициент усилителя (наклон амплитудной характеристики). Потенциометр Х4 (рис.5.4) вслед за установлением линейного режима в ОУ1 (Х1) регулирует напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами Х2 (рис.5.23, узлами V(13) и V(19)) и постоянное напряжение на выходе ОУ1 логарифмического усилителя (заменен делителем из R22 и R23, рис5.21). Величина этого напря-

жения (2,901 В) учтена в столбце YExpression подменю Transient Analysis Limits

(рис.5.24) при задании условий представления на экране монитора напряжения на выходе логарифмического усилителя.

(Примечание: замена потенциометра резисторным делителем позволяет фиксировать соотношение сопротивлений, определяемых положением движка потенциометра, а не де-

лением пополам, что происходит при отмене режима (рис.5.3.20), см. рис. 5.13).

Для получения амплитудной характеристики логарифмического усилителя используем косвенный метод, основанный на оценке максимального и минимального значений на периоде колебаний выходного напряжения в установившемся режиме (рис.5.24), используя метод двух курсоров. Значение выходной амплитуды находят для каждого значения амплитуды входного сигнала, задаваемого, обращением в окне схем (рис.5.2), в подменю описания моделей (рис.5.25)

Рис.5.25

340

Установив значение амплитуды генератора гармонического сигнала SG, указанное в таблице 2 (А=1е-3,…), используя описанную методику, вычисляем амплитуду выходного напряжения.

Таблица 2

Последовательно проделав измерения для амплитуд входного напряжения, указанных в таблице 2 и сопротивления R6 = 400 Ом, построим график амплитудной характеристики и вычислим значение динамического диапазона D = 20 lgU вх max/ Uвх min логарифмического усилителя.

4.2.5 Температурная зависимость характеристик логарифмического усилителя

Влияние температуры проводится с использованием базовой схемы (рис.5.21), компоненты которой оптимизированы по условию достижения наибольшего динамического диапазона усилителя. Как видно из рис.5.23, это обеспечивается при практическом равенстве напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами у обоих ОУ (Х1 и Х2) и активного режима по постоянному току в прямом включении для обоих транзисто-

ров (Q1 и Q3).

Исследуем влияние внешней температуры на величину напряжений U бэ 01 и U бэ 03 и токи коллекторов I э01 и I э03, последовательно выполнив Analysis→ DC…→OK→ DC

Analysis Limits, укажем в подменю (рис.5.4.23) (рис.5.26) условия анализа

Рис.5.26

В подменю (рис.5.4.23) содержатся кнопки, позволяющие

(рис.5.4.24)- добавлять новые зависимости к числу уже выводимых на экран монитора,

(рис.5.4.25)- удалять активизированную курсором строку из числа выводимых на экран,

(рис.5.4.26)- увеличивать площадь, отводимую под текстовую информацию, в окне, активизированном курсором,

341

(рис.5.4.27)- осуществлять варьирование выбранного в подменю (рис.5.3.20) параметра,

(рис.5.4.28)- изменять представление выводимых на экран характеристик (тип, формат, цвет и др.),

(рис.5.4.29)- обращение к файлу помощи. Описание варьируемых параметров приводится в рамке Sweep

(рис.5.4.30)

В качестве варьируемого параметра (Variable 1) выбирается с помощью линейки прокрутки температура (ТЕМР — Name), которая изменяется с автоматическим выбором шага (Method — Auto) в пределах каждого подинтервала в 5 градусов, в интервале значений (Range -40,70). Используя линейку прокрутки можно выбрать другие способы изменения температуры (Method — по логарифмическому закону -Log, с автоматическим выбором шага – Auto, в соответствии со списком — List). Изменение температуры с автоматическим выбором шага сопровождается указанием о допустимой точности решения нелинейных уравнений (максимальная ошибка не более, например, 5%, указывается в рамке

Maximum Change %).

При вариации температуры значение других параметров (например, V5 — Variable 2) не изменяется (None).

Неактивированное окно Range в рамке Temperature исключает возможность задания какого-либо другого способа изменения температуры (в окне Method) кроме, указанного в рамке Sweep.

Полученные результаты могут выводиться на экран монитора без сохранения результатов в памяти (при выборе с помощью линейки прокрутки режима Normal) в строке Run Options. Возможно использование режимов Save (сохранение полученных результатов в файле) или хранение в оперативной памяти с последующим использованием их качестве начальных условий (Retriеve). Метка в строке Accumulate Plots позволяет хранить несколько графиков.

Моделирование может проводиться для заданных пользователем значений пределов по оси абсцисс и ординат для графиков, выводимых на экран монитора или с автоматическим выбором граничных значений (метка в строке Auto Scale Ranges).

Как следует из рис.5.26, первое семейство графиков будет изображаться в декартовой системе координат с линейным масштабом по осям, когда по оси отложены значения температуры в градусах Цельсия, а по оси ординат – напряжение на базо-эмиттерном промежутке Uбэ0 1 и Uбэ0 3 транзисторов Q1 и Q3. Во второй системе координат — значения токов в ИРТ эмиттеров транзисторов – I э01, I э03 в зависимости то температуры. Назначение кнопок (Run, Add и др.) не отличается от применяемых, например, в подменю AC Analysis Limits (рис.5.17).

Нажатием на кнопку Run в подменю (рис.5.4.23), переходим в режим расчета температурных зависимостей указанных напряжений и токов

(рис.5.27)

342

Исследуем влияние резистора в выходной цепи ОУ1 (R6) на режимы работы транзисторов Q1 и Q3, используя подменю (рис.5.4.26) (рис.5.31)

Рис.5.31

Для этого последовательно выполним Analysis→ DC…→ OK→ DC Analysis Limits, Stepping → Yes → OK. Пределы изменения сопротивления резистора R6 указаны в под-

меню (рис.5.3.20) (рис.5.31). Выбрав на полученном семействе кривых значение резистора R6, обеспечивающее минимальное изменение режима работы транзистора Q1 (исключающее переход транзистора в инверсный режим), установите его в схему логарифмического усилителя (рис.5.30). Приведите распечатку принципиальной схемы усилителя.

5 Содержание отчета

Отчет должен включать в себя:

•Наименование и цель работы.

•Заполненные таблицы 1, 2.

•Принципиальную схему усилителя для оптимальных значений компонентов,

•Амплитудную характеристику усилителя.

•Принципиальную схему усилителя, обладающего наибольшей температурной стабильностью режимов

•Краткие выводы.

6 Контрольные вопросы

1.Каково основное назначение логарифмического усилителя в системах радиосвязи?

2.Какой вид имеет амплитудная характеристика логарифмического усилителя?

3.Поясните, c применением каких цепей связи в ОУ, возможно проведение логарифмического преобразования входного сигнала?

4.Что такое динамический диапазон усилителя и как он определяется?

5.Каково назначение транзистора Q1?

345

6.Поясните назначение эмиттерного повторителя в схеме логарифмического усили-

теля?

7.Каково назначение транзистора Q3?

8.Как обеспечивается регулировка полосы пропускания усилителя?

9.Каково назначение вспомогательного усилителя (рис.5.4)?

10.Чем формально и фактически обусловлено искажение амплитудной характеристики логарифмического усилителя при малых значениях амплитуды входного воздействия?

11.Какую функцию выполняют ОУ, охваченные частотно-независимой ООС?

12.Как влияет частотно-зависимая ООС на свойства ОУ?

7 Краткие теоретические сведения

Операционные усилители, основные свойства которых подробно описаны в [2, 3,4], предназначены для преобразования аналоговых сигналов, являющихся носителями информации, заключенной в его величине и форме. При этом ОУ чаще всего являются составной частью устройства, реализующего не просто усилительные функции. Все устройства с ОУ условно можно разделить на три разновидности: схемы с глубокими ООС, схемы без ОС и схемы на ОУ, использующие ПОС.

Наибольшее распространение получили устройства, использующие ОУ, охваченные однопетлевой ООС. Благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ реализуются устройства, охваченные глубокой ООС, позволяющей исключить влияние наиболее нестабильной части схемы (ОУ) на преобразующие устройства. Таким образом, характеристики устройств преобразования аналоговых сигналов определяются в основном свойствами цепи обратной связи. Передаточные цепи ОС могут обладать частотно-зависимыми или час- тотно-независимыми характеристиками. Их вольт-амперные характеристики могут быть нелинейными или управляемыми от дополнительных источников сигнала (параметриче-

скими).

Устройства, реализованные с применением частотно-независимой цепи ООС (резистивные двухполюсники), относятся к группе масштабных усилителей, коэффициент усиления которых, постоянен в широкой области частот (рис.5.32)

Рис.5.32

346

Схемы на ОУ, цепь ООС которых включает частотно-зависимые компоненты, реализуют усилители переменных сигналов (включает разделительные и блокирующие конденсаторы), интеграторы и дифференциаторы (рис.5.33), активные фильтры

Рис.5.33

Включение в цепь ОС компонентов с нелинейной ВАХ позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов: логарифмирования, возведения в степень, потенцирования, извлечение корня квадратного и др.

Устройства нелинейного преобразования основаны на использовании в схеме нелинейных двухполюсников и цепей (диодов и транзисторов в диодном включении). Нелинейный элемент может быть включен на входе ОУ, линейный – резистор в цепи обратной связи (рис.5.34,а). В этом случае напряжение на выходе совпадает по характеру с прямой ветвью ВАХ нелинейного элемента (схема потенцирования)

u вых = а exp(u /Uт ), (5.1)

где а – коэффициент пропорциональности, Uт = kT/q – температурный потенциал; k – постоянная Больцмана, Т- температура в градусах Кельвина, q – заряд электрона. При типовых температурных условиях (Т ≈ 3000С) Uт ≈ 0,026 В.

Рис.5.34

Включение нелинейного элемента VD в цепь отрицательной обратной связи, а линейного компонента – резистора R, на вход схемы позволяет реализовать процедуру логариф-

где I0 — обратный ток насыщенного p-n перехода.

Свойства логарифмического усилителя будем изучать в предположении идеальности свойств ОУ:

—коэффициент усиления без обратной связи К→∞ ,

—входное сопротивление Zвх = ∞ ,

—выходное сопротивление Zвых = 0.

Подавая сигнал на инвертирующий вход ОУ (рис.5.35) получаем инвертирующий усилитель, фаза напряжения выходного сигнала которого, сдвинута на 180о по отношению к фазе входного. Резисторы R1, R2, как и в схеме неинвертирующего усилителя, обеспечивают протекание начальных токов (R1 обеспечивает их равенство), а R3 (рис.5.35) организу-

347

ет параллельную ООС по напряжению, поскольку напряжение обратной связи подается параллельно

Рис.5.35

с входным на один и тот же вход. Инвертирующие усилители широко применяются в аналоговых устройствах для выполнения математических операций (сумматоры, интеграторы, дифференциаторы).

Рассмотрим влияние параллельной ООС на свойства ОУ в предположении, что он обладает идеальными характеристиками.

Точку подключения входного напряжения и напряжения ОС (точка Е) для идеального ОУ называют мнимой землей. При Zвх = ∞ разность потенциалов между входами усилителя становится пренебрежимо малой: с точки зрения сигнала инвертирующий вход и неинвертирующий вход имеют и тот же нулевой потенциал (начальные токи отсутствуют, а входное сопротивление ОУ равно бесконечности). Поскольку точка Е является мнимой землей, то входное напряжение Uвх приложено к резистору R1, поэтому входное сопротивление ОУ равно R1: это единственное сопротивление между входной клеммой и землей.

Простейшая схема логарифмического усилителя представлена на рис.5.36; в ней стандартный инвертирующий ОУ с мнимой землей охвачен петлей ОС, включающей транзистор

Последовательно с выходом усилителя включен резистор R9, ограничивающий его выходной ток, который может течь через базо-эмиттерный переход транзистора со стороны выхода усилителя при больших уровнях сигнала.

Ток эмиттера биполярного транзистора достаточно точно определяется напряжением, приложенным к p-n переходу, и описывается соотношением

при h21 >> 1, Iэ ≈ Iк . Поэтому

348

Поскольку для данной схемы (рис.5.36) входной ток является одновременно коллек-

Поскольку базо-эмиттерный переход включен непосредственно между выходом ОУ и землей, то выходное напряжение равно

Соотношение (5.9) показывает, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного напряжения. Переходя от натуральных логарифмов к десятичным, получаем

В упрощенном виде выражение (5.10) можно представить как

U0 = a lgUвх +b , (5.11)

где а, в — постоянные Такой усилитель (рис.5.36) обеспечивает изменение выходного напряжения всего по-

рядка 0,3 В (рис.5.37), при значении динамического диапазона в пределах четырех декад. При малых входных напряжениях схема весьма критична к балансировке (резистор R6). При положительном смещении нуля характеристика преобразования приподнимается вверх. Компенсацию нелинейности амплитудной характеристики проводят регулировкой величины резистора R6. Уменьшения уровня шумов на выходе логарифмического усилителя добиваются сужением полосы усилителя при одновременном увеличении глубины ООС, включая конденсатор С1.

8Литература

1.Амелин М.А., Амелина С.А. Программа схемотехнического моделирования MicroCap8. М.: Горячая линия -Телеком, 2007. – 464 с.

2.Усилительные устройства / под ред. Головина О.В. — М.: Радио и связь, 1993. — 353 с.

3.Фриск В. В., Логвинов В. В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере. – М.: СО-

ЛОН-ПРЕСС, 2008. – 608 с.

4.Павлов В.Г., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Ра-

дио и связь, 1997. – 367 с.

5.Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSpiсe для схемотехнического моделирования на ПЭВМ, в 4-х вып. М.: Радио и связь, 1992.

349