Лабораторные практикумы / 2 Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемных устройств

прямой в режиме В, т.к. ток коллектора в исходной РТ А' не равен нулю, а сопротивление нагрузки каждого транзистора зависит от тока.

В режиме АВ при малых амплитудах КПД усилителя понижается (по сравнению с с режимом В). При малых амплитудах транзисторы переходят в режим А (штриховая часть нагрузочной линии на рис.6.41,б). Однако общий КПД усилителя уменьшается незначительно, т.к. ток покоя оконечных транзисторов сравним со значением тока, потребляемого предварительными каскадами.

Бестрансформаторные выходные каскады

Рассмотренные схемы двухтактных оконечных каскадов с параллельным возбуждением обеспечивают высокий КПД и незначительный уровень нелинейных искажений при работе на нагрузку при подключении через согласующий трансформатор практически любой нагрузки. Однако применение трансформатора существенно увеличивает размеры и стоимость устройства, вносит дополнительные линейные искажения в области нижних и верхних частот не позволяет использовать в интегральной технологии.

Выходной трансформатор можно исключить из схемы при условии, когда нагрузка близка по величине к оптимальному значению выходного сопротивления каскада. Это одновременно позволяет уменьшить нелинейные и линейные искажения, вносимые трансформатором.

Двухтактные бестрансформаторные выходные каскады выполняют с одним или двумя источниками питания на одиночных или составных транзисторах, требующие различных схем управления. Анализ свойств выходного каскада проводят для одного из плеч, используя свойство симметрии, что упрощает расчет.

Схема простейшего бестрансформаторного двухтактного каскада с возбуждением однофазным напряжением приведена на рис.6.43,а

Выходной каскад содержит комплементарную пару транзисторов различного типа проводимости n-p-n и p-n-p и может работать в режиме А или В, или АВ в зависимости от организации цепей смещения. При работе в режиме В напряжение смещения в исходной РТ равно нулю и при отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты. При поступлении входного сигнала транзисторы VT1 и VT2 поочередно открываются в зависимости от значения мгновенной полярности входного сигнала. При положительной полуволне входного воздействия открывается транзистор VT1, а VT2 – закрыт; при изменении полярности воздействия, наоборот, VT2 – открыт, VT1 – закрыт. Основной недостатки такой схемы: необходимость применения двух источников питания и значительный уровень нелинейных искажений, обусловленных появлением «ступеньки» в выходном напряжении (рис.6.42,б) вследствие отсутствия напряжения смещения (R3 = 0, рис.6.40).

391

Для уменьшения нелинейных искажений и перехода к питанию от одного источника используют более совершенную схему оконечного каскада (рис.6.43,б). В части периода, когда открыт верхний транзистор VT2, ток протекает через сопротивление нагрузки Rн , заряжая конденсатор С2. В следующий полупериод входного воздействия открыт нижний транзистор VT3, а конденсатор С2 служит для него источником питания. При достаточно большой емкости С2 напряжение на нем остается практически неизменным. На диоде VD создается относительно небольшое падение напряжение, создающее напряжение смещения на каждом из транзисторов U бэ = 0,5 UD , соответствующее току базы в исходной РТ I , iб1 = I б0 (рис. 6.41). Одновременно диод выполняет функцию элемента параметрической

температурной стабилизации, температурное изменение напряжения на котором, идентично закону изменения базо-эмиттерного напряжения, что существенно уменьшает изменение положения исходной РТ под действием температуры. Для возбуждения двухтактного каскада используется резисторный каскад на БТ VT1в режиме А c элементом смещения на резисторе R1. Основной недостаток схемы (рис.6.43,б) в том, для возбуждения оконечных транзисторов VT2 и VT3 требуется высокий уровень входного сигнала, т.к. они включены по схеме с ОК.

Снижение мощности на входе оконечных каскадов добиваются подключением нагрузки к положительному выводу источника питания (рис.6.44)

Рис.6.44

Схема по конфигурации близка к схеме рис.6.43. Отличие состоит в схеме питания транзистора VT1 (Q3) и способе включения транзисторов VT2 (Q1) и VT3 (Q2). Сопротивление нагрузки R9 подключено к источнику питания через разделительный конденсатор С7. Напряжение на С7 почти постоянно и близко к Е/2. Диоды D1 и D2 обеспечивают работу транзисторов VT2 и VT3 в режиме АВ, создавая небольшое напряжение смещения U бэ. В полупериод, когда транзистор VT3 открывается, конденсатор С7 включается последовательно с источником питания и их напряжения вычитаются, так что результирующее напряжение равно Е – Ес7 = Е/2 и конденсатор С7 подзаряжается током транзистора VT3. В другой полупериод входного воздействия, когда открыт транзистор VT2, конденсатор С7 служит источником напряжения Ес7 = Е/2 и частично разряжается. Подключение R9 к выводу резистора нагрузки R10 (не к источнику питания) позволяет получать амплитуду напряжения на коллекторе Q1 близкое к Е/2, что соответствует максимальному напряжению раскачки на входах транзисторов Q2 и Q3, а соответственно и напряжению на нагрузке близкое по величине к Е/2 (т.к. транзисторы Q2 и Q3 включены по схеме с ОК). С резистора R10 на вход двухтактного эмиттерного повторителя с помощью резистора R9 организуется положительная ОС по питанию, т.к. она подается в цепь питания транзистора Q1 (называется вольтдобавкой). Ее действие сказывается в том, что при уменьшении тока коллектора транзистора Q1 за счет цепи ОС напряжение питания на нем увеличивается. В этот полупериод напряжение на нагрузке складывается с Е , что увеличивает напряжение

392

раскачки ( коллектора транзистора Q1), достаточную для управления оконечным каскадом.

Одним из недостатков такой схемы является отсутствие общей точки у нагрузки и источника сигнала. Кроме того, нагрузка находится под напряжением источника питания относительно земли, что не всегда допустимо. В случае обрыва сопротивления нагрузки R10 отключается напряжение питания транзистора Q1, т.е. при отсутствии нагрузки (холостой ход) усилительный каскад неработоспособен.

Другой особенностью бестрансформаторных выходных каскадов с одним источником питания является необходимость подбора пар транзисторов с различным типом проводимости. Для устранения этих недостатков применяют дополнительные технические решения (квазикомплементарные пары транзисторов, группы составных транзисторов).

Приближенное изображение функциональной зависимости

Для оконечных каскадов является актуальной проблема стабилизации параметров выходных каскадов (коэффициент усиления, уровень линейных и нелинейных искажений), определяющихся в основном поддержанием постоянства оптимально выбранного режима при изменении температуры. Чаще всего это достигается применением стабилизированных цепей смещения использующих температурную компенсацию или отрицательную обратную связь.

При использовании для температурной компенсации полупроводникового диода (диодов, рис.6.44) повышение температуры вызывает уменьшение прямого сопротивления диода, что приводит к уменьшению смещения и возрастание коллекторного тока I к0 транзисторов в исходной РТ компенсируется. Диодная температурная компенсация находит применение в выходных двухтактных каскадах, работающих в режиме В, для получения малого напряжения смещения. Такой способ стабилизации РТ находит широкое применение в интегральной схемотехнике, когда роль диодов выполняют транзисторы в диодном включении, реализованные на одной полдложке. Диодная компенсация может обеспечить полную температурная компенсацию изменения положения РТ транзистора.

Применение терморезистора Rt, непроволочного сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом, так же возможно для температурной компенсации изменения коллекторного тока I к0 . С ростом температуры сопротивление терморезистора Rt (рис.6.36,б) уменьшается, что уменьшает напряжение смещения U бэ0 на каждом из транзисторов и, соответственно, коллекторных токов I к0. Повышение температуры окружающей среды вызвало увеличение коллекторного тока каждого из транзисторов и, в то же время, привело к уменьшению сопротивления терморезистора (уменьшению напряжения смещения U бэ0) и, соответственно, к уменьшению коллекторного тока. Наибольшую сложность вызывает достижение компенсации изменения коллекторного тока под действием этих компонентов, имеющих различную природу изменения своего сопротивления (свойства p-n перехода и терморезистора) под действием температуры. Для полученной кривой изменения коллекторного тока Iк04 одного плеча оконечного каскада (рис.6.31) применим метод наилучшего приближения, чтобы получить на интервале температур - 40оС….70оС внешней среды, наилучшее совпадение аппроксимирующей зависимости I*к04 (линейной функции) и реальной кривой. Это происходит при условии, что максимум величины | I к04 — I*к04| на указанном интервале температур был наименьшим. Такое возможно, поскольку у функции Iк04 существует вторая производная, которая сохраняет знак на всем интервале температур. Линейная функция наилучшего линейного приближения на этом интервале находится следующим образом: на графике Iк04 (рис.6.31) проводится хорда, соединяющая значения кривой на границах интервала MN (зависимость — а)); затем находится точка P (координаты 18.918, -85.551, на кривой — с)), в которой касательная параллельна зависимости а); проводится прямая, соединяющая середины хорд MP и NP (график — б) Iк04 = 0,00853t -0,023).

393

Реальная зависимость изменения сопротивления температуры терморезистора может быть задана таблично или в виде списка значений, что позволит полностью скомпенсировать температурную зависимость тока коллектора Iк04. Однако это нецелесообразно потому, что технологически очень трудно реализовать противоположные законы изменения сопротивления p–n перехода и терморезистора. По этой причине терморезисторы не нашли применения в интегральной технологии.

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.Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. М.: РиС, 1983. – 286 с.

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

394

Лабораторная работа №9

ЧАСТОТНО — СЕЛЕКТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ НА БАЗЕ

ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

1 Цель работы

Изучение с помощью компьютерного моделирования свойств частотно — селектирующих схем на примере фильтра низкой частоты (ФНЧ) и регулятора тембра, реализованных с помощью операционного усилителя (ОУ), охваченного обратной связью (ОС); определение основных технических показателей, оценка влияния на характеристики устройств изменения внешней температуры.

2Задание

2.1Задание для самостоятельной подготовки

Изучить основные положения курса «Основы схемотехники» о способах построения узлов радиотехнических устройств на базе ОУ, охваченных ОС, на стр.318 — 325 [2], стр. 197 — 217 [4], стр. 253 — 260 [5], стр. 298 – 311 [3], приложения к лабораторной работе и письменно ответить на контрольные вопросы.

2.1.1 Рассчитать частоту среза и добротность активного ФНЧ на базе ОУ для значений компонентов цепи ОС, приведенных на рис.9.1.

2.2Экспериментальная часть

A)Исследование свойств активного фильтра низкой частоты

2.2.1Создание принципиальной схемы ФНЧ.

2.2.2Расчет амплитудно-частотной характеристики ФНЧ

2.2.3Переходные характеристики фильтра низкой частоты

2.2.4Влияние параметров цепи ООС на характеристики ФНЧ.

Б) Исследование свойств регулятора тембра

2.2.1Сборка принципиальной схемы регулятора тембра

2.2.2Исследование свойств регулятора тембра в частотной области

3 Описание принципиальных схем исследуемых устройств

3A Описание принципиальной схемы ФНЧ

Исследование свойств фильтра низких частот (ФНЧ, рис.9.1), реализованного на операционном усилителе (ОУ), охваченного частотно — зависимой отрицательной обратной связью (ООС) проводится методом компьютерного моделирования с использованием системы схемотехнического моделирования МС9.

395

достаточно близкими частотами среза, что в результате позволяет подавлять (усиливать) входной сигнал в области нижних или верхних частот порознь или одновременно, формируя АЧХ с подъемом в области нижних, верхних или средних частот. Регулировка тембра в области нижних частот осуществляются с помощью потенциометра Х7, сопротивлением 100 кОм. Соединение компонентов R9, C4 и R10, C5, являющихся фильтрами нижних частот первого порядка, исключает появление на потенциометре Х7 высокочастотных составляющих выходного сигнала (общая точка конденсаторов С4, С5 подключена

к“мнимой земле”, т.к. сопротивление идеального ОУ бесконечно). Перемещение скользящего контакта потенциометра изменяет соотношение между сопротивлением источника сигнала и сопротивлением ОС. Аналогичным образом построена работа схемы в области верхних частот, где роль регулятора выполняет потенциометр Х8, а конденсаторы С6 и С7 пропускают составляющие только верхних частот. Скользящий контакт также подключен

кточке мнимой “земли”, что обеспечивает независимую регулировку в области нижних и верхних частот, обеспечивающей подъем или завал частотной характеристики с максимальным наклоном 6дБ/октаву. Среднее положение регуляторов соответствует единичному коэффициенту усиления с горизонтальной частотной характеристикой во всем звуковом диапазоне.

4 Методические указания по выполнению работы

4.1 Расчетная часть

Для расчета частоты среза (резонансной частоты) ФНЧ воспользуйтесь литературой, указанной в п. 2.1 описания, и значениями компонентов схемы, приведенной на рис.9.1. Результаты расчета внесите в таблицу 1.

4.2 Машинное моделирование

А) Ввод принципиальной схемы фильтра низкой частоты Перед выполнении п.2.2.1. следует загрузить систему схемотехнического проектиро-

вания МС9 и вызвать в главное окно принципиальную схемы ФНЧ (рис.9.3), реализованном на ИМС К140УД8, охваченной цепью ОС, находящиеся в файле VLFOPAm.CIR. Для этого необходимо выбрать режим FILE основного меню (рис.9.3), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC9DEMO\data\VLFOPAm.CIR, вызвав его в окно схем.

Для этого необходимо выбрать режим (рис.9.3.1) основного меню (рис.9.3), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC9DEMO\data\VLFOPAm.CIR, вызвав его в основное окно редактора (рис.9.3).

При отсутствии в списке указанного файла необходимо обратиться к схемному файлу,

нажав на пиктограмму (рис.9.3.2) в окне схем (рис.9.3).

В диалоговом окне (рис.9.3.3) обратиться к папке (рис.9.3.4) и, от-

крыв ее, отыскать файл VLFOPAm.CIR и загрузить его, нажав на кнопку

(рис.9.3.5) (рис.9.4).

В окне схем указаны основные команды и вспомогательные пиктограммы, позволяющие “ собирать” принципиальные или эквивалентные схемы устройств, для последующего анализа по постоянному току, во временной или частотной области и др. Возможности системы схемотехнического моделирования МС9, реализованные в МС8, и, подробно описанные в [1], расширены, дополнены примерами анализа аналоговых и цифровых схем и в некоторых случаях применена другая форма представления моделей компонентов.

397

Например, библиотека диодов, транзисторов, ОУ в отличие от МС8 теперь сформирована

в текстовом файле (рис.9.3.6) в папке (рис.9.3.7).

Рис.9.3

Рис.9.4

После загрузки файла C:\MC9DEMO\data\VLFOPAm.CIR, в центральном окне редактора должны появиться (рис.9.5) принципиальная схема ФНЧ.

Следует убедиться в соответствии параметров компонентов вызванной схемы и, приведенных в описании.

Если полученные методические материалы не содержат дискету с файлом принципиальной схемы ФНЧ, то ее следует ввести самостоятельно, выбрав режим FILE в строке команд меню главного окна (рис.9.5), которое содержит: File, Edit, Components, Windows, Options, Analysis, Help.

398

программа автоматически присваивает окну схем некоторый текущий номер (например, circuit2.CIR).

(каталог содержит более 100 аналоговых и цифровых компонентов). Каталог команды Components можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них новые компоненты (например, транзисторы отечественного производства).

Меню Analysis предлагает виды анализа введенной принципиальной схемы.

Меню Help позволяет обратиться к встроенному файлу помощи и оценить, на предлагаемых примерах, возможности программы.

4.2.1 Создание принципиальной схемы ФНЧ

Ввод резисторов

Создание принципиальной схемы активного ФНЧ начинается с ввода моделей компонентов, например резистора. Для этого в окне схем (рис.9.3), нажатием на левую кнопку

мыши, выбрать условно графическое обозначение (УГО) резистора (рис.9.3.8), затем разместить его в окне схем, выбрав положение, обеспечивающее компактное изображение принципиальной схемы ФНЧ с минимальным числом пересечений цепей связи. Целесообразнее всего воспользоваться схемой ФНЧ, изображенной на рис.9.5. На выпадающем

(рис.9.3.9) подробно описаны, например, в разделе 4.1 лабораторной работы №4 «Исследование усилителя на ИМС с отрицательной обратной связью» или в [1]).

Ввод конденсаторов

Аналогичным образом вводятся параметры моделей конденсаторов. Альтернативным вариантом ввода разнообразных моделей пассивных, активных элементов, генераторов сиг-

399