ЭКЗАМЕН ЭЛЕКТРОНИКА ver2206

Основные причины нелинейных искажений:

-Нелинейностью ВАХ транзистора

-Нелинейностью выходных характеристик транзистора

-Схемой включения транзистора

-Заданным значением входного напряжения

-Отношением внутреннего сопротивления источника ко входному сопротивлению усилителя

Способы устранения: bruh no idea tbh от случая к случаю думаю по разному

-Изменить режим работы транзистора (например на AB)

-Уменьшить входное напряжение

-Использовать ООС (часть выходного сигнала подается обратно на вход и противодействует входному сигналу)

5.3 Эффект Миллера в транзисторах. Каскодная схема

Эффект Миллера – увеличение эквивалентной емкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход. Особенно хорошо его видно в усилителях напряжения на транзисторах.

Всхемах с ОЭ, он приводит к значительному увеличению эффективной емкости, при том ухудшаются динамические свойства каскада. Этот эффект можно ослабить схемотехнически.

Каскодная схема от слов каскад на катоде. Схема с общим эмиттером нагружена на каскад с общей базой.

Врезультате коэффициент усиления по напряжению равен 1. Потому в VT1 эффект Миллера не возникает и его частотная характеристика расширяется.

Это самая распространенная схема ОЭ-ОБ. А вообще они делаются из любых комбинаций (итого 9 штук)

ОЭ-ОБ получила большое распространение в усилителях. Входное сопротивление здесь почти равно входному VT1, потому получается более высокое входное сопротивление и низкий уровень шума.

электроника Стр.31

5.4 Разделительные конденсаторы в усилителях переменного тока. Назначение разделительных емкостей. Условия и формулы для расчёта ёмкости разделительных конденсаторов

Разделительные конденсаторы не пропускают постоянное напряжение на входе и выходе каскада, но пропускают переменную составляющую. Это нужно, чтобы каскад не мешал работать соседним каскадам. Сейчас их не особо используют, т.к. разделительные конденсаторы неизбежно ослабляют и сдвигают фазу на низких частотах, а также изготовить конденсатор более десятков пФ на ИС невозможно.

На высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора пренебрежимо мало, но на нижних все

плохо и коэффициент передачи уменьшается.

Значение емкости разделительных конденсаторов рассчитывается исходя из приходящих частотных искажений в нижней области. Для расчета необходимы: нижняя граничная частота f, допустимый уровень

спада M и входное сопротивление нагрузки R. Используя соотношение для временной постоянной:

Емкость можно найти по формуле:

5.5 Обратная связь. Внутренняя, паразитная, полезная. По постоянному току, по переменному току. Избирательная ОС. ПОС, ООС. ОС по току, по напряжению, комбинированная. КООС

Обратная связь – передача выходного сигнала на вход

Внутренняя ОС обусловлена свойствами и конструкцией реальных усилительных элементов

Паразитная ОС обусловлена связью между входными и выходными цепями устройства через паразитные емкости и индуктивности. Она сильно ухудшает свойства усилителя и ее тяжело учесть.

Полезная ОС специально создается через элементы связи с целью улучшить параметры.

ОС может быть может быть организована как по постоянному так и по переменному току.

Если ОС организована только в узком диапазоне частот, то ее называют частотно-избирательной. Если ОС совпадает по фазе со входным напряжением, то ее называют положительной ПОС.

Если напряжение ОС противофазно входному, то ее называют отрицательной ООС.

Классификация ОС от способа получения сигнала:

- По напряжению (в данной схеме параллельная)

На вход цепи обратной связи поступает либо все выходное напряжение, либо его часть. Такая обратная связь исчезает при КЗ на выходе

- По току (в данной схеме последовательная)

Здесь напряжение входа обратной связи прямо пропорционально выходному току. Аналогично, это цепь исчезает при ХХ

электроника Стр.32

- Комбинированная

КООС – коэффициент отрицательной обратной связи. Пусть К – коэффициент усиления усилителя, а бета – коэффициент передачи обратной связи. Тогда КООС = К/(1+К*бета).

5.6 Выбор рабочей точки. Уравнение нагрузочной прямой. Гипербола максимальной мощности. Определение максимальной мощности, рассеиваемой на транзисторе

Рабочую точку надо выбирать ± по середине между режимами отсечки и насыщения на выходной характеристике.

Уравнение нагрузочной прямой:

Гипербола максимальной мощности – график, ограничивающий область допустимых значений тока и напряжений для транзистора Uкэ*Iк ≤ Pmax.

Максимальная рассеиваемая мощность – та мощность которую транзистор может рассеять в виде тепла и не достичь теплового пробоя. Определяется тем же соотношением: Uкэ*Iк ≤ Pmax.

5.7 Усилитель класса А: схема, описание режима работы (в т.ч. с помощью графиков), преимущества и

недостатки. КПД

Режим А – режим работы усилителя, в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала ток, протекающий через усилитель, не прерывается. Усилитель не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, потому форма тока через нагрузку – входной сигнал. В режиме А ток протекает в течение всего периода, т.е. угол проводимости равен 360.

Чтобы транзистор всегда оставался в открытом состоянии, задается соответствующее смещение на базе, т.е. рабочую точку. Ток смещение подбирается так, чтобы транзистор работал в области линейного

усиления с минимальными искажениями. Так, выходной сигнал получается неискаженным, но потери энергии наибольшее среди всех классов.

Режим А задается при помощи цепей смещения. Не важно какая схема включения у транзистора.

Отличительная особенность режима А – выбор напряжения на коллекторе равным половине напряжения питания.

электроника Стр.33

Максимальный КПД усилителя класса А равен 25%, т.е. тепла рассеивать нужно очень много. Из-за

сложностей с отведением тепла транзисторные усилители мощности звуковых частот не получили распространения. В маломощных однотактных каскадах режим А является единственно возможным. Всем

остальным режимам свойственно очень высокие линейные искажения.

5.8 Усилитель класса B: схема, описание режима работы (в т.ч. с помощью графиков), преимущества и недостатки. КПД.

Врежиме В усилительный элемент способен сделать только половину входной синусоиды: либо положительную для npn, либо отрицательную pnp. При усилении сигналов угол проводимости равен 180.

При работе усилителя класса В ток протекает только половину периода, т.е. появляются нелинейные искажения выходного сигнала.

Вусилителях класса В нельзя использовать схемы стабилизации, т.к. коллекторный ток транзистора мал. Потому при проектировании используют схемы с фиксированным напряжением на базе. Благодаря малому току покоя, температурный уход рабочей точки почти отсутствует.

Предельный КПД составляет порядка 70-75%. Его можно достичь, если выходная мощность равна

максимально возможной.

5.9 Усилитель класса AB: схема, описание режима работы (в т.ч. с помощью графиков), преимущества и

недостатки. КПД.

Усилитель класса АВ – двухтактный усилитель, где верхняя и нижняя полуволны входного сигнала усиливаются разными плечами, а затем суммируются в нагрузке. Режим АВ промежуточный между А и В.

Ток покоя больше чем в В, но меньше чем в А. Рабочая точка выбирается так, чтобы угол проводимости чуть-чуть превышал 180. Так, каждый транзистор усиливает не ровно половину сигнала, а чуть больше, и

искажение сглаживается.

Чтобы добиться такого включения, добавляют несколько диодов и резисторов. Разделение входного

электроника Стр.34

сигнала на полуволны осуществляется за счет разных проводимостей биполярных транзисторов.

КПД порядка 50%, но они значительно выигрывают по качеству выходного сигнала. Благодаря своей

простоте и простой конструкции, они наиболее распространены.

5.10 Усилитель класса D: схема, описание режима работы (в т.ч. с помощью графиков), преимущества и недостатки. КПД.

Основной параметр потребления энергии каскадом – рассеиваемая мощность. Она равна нулю в режиме отсечки (тока нет) или в режиме насыщения (напряжения нет). Сопротивление открытого канала небольшое, потому можно сказать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД в нем порядка 90-95%, при том он мало зависит от выходной мощности.

Амплитуда выходного сигнала имеет 2 уровня. Для получения уровня входного сигнала используется ШИМ. Она реализуется при помощи компаратора, на который подаются полезный сигнал и пила. В результате ширина импульса на выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется при помощи фильтра нижних частот, он же интегратор.

В общем случае класс D не цифровые устройства. В их основе – задающий генератор пилы, обычно с

частотой 500 кГц, быстродействующий компаратор и формирователь импульсов. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе, компаратор подает сигнал на

электроника Стр.35

открытие верхнего плеча, а LC-фильтр сглаживает ток для нагрузки. На выходе получается усиленная, без помех копия входного сигнала.

Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения, но качество звука так

себе. Нелинейные искажения класса D имеют ряд причин: нелинейность генератора пилы, нелинейности

катушек, из-за времени включения плеч.

В отличие от обычных усилителей, в усилителях класса D низкочастотные помехи легко проходят с питающих шин на выход, они накладываются на сигнал и модулируют его по амплитуде.

6 УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

6.1 УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. Назначение. Варианты реализации, их преимущества и недостатки. Дрейф нуля

Усилители постоянного тока предназначены для усиления медленно изменяющихся сигналов во времени, в том числе постоянную составляющую.

В усилителях постоянного тока нет разделительных конденсаторов, потому все сложно с допустимыми

значениями напряжений. Желательно, чтобы в отсутствии сигнала потенциал на входе и выходе был землей. Т.к. теперь задать начальное выходное напряжение Vcc/2 нельзя, к усилителям постоянного тока применяется схема с двумя симметричными источниками: положительным и отрицательным.

Дрейф нуля – самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Возникать он может из-за температуры и нестабильности источников. Сигнал дрейфа может быть соизмерим с полезным и их едва ли получится различить. Бороться с дрейфом можно стабилизацией источников, использованием ООС, термокомпенсацией и применять промежуточное преобразование. УПТ оценивают по напряжению дрейфа, приведенному ко входу как отношение напряжения на выходе (абсолютного дрейфа) к коэффициенту усиления.

Классификация УПТ:

- Прямого усиления - Однотактные

Тут видно непосредственную связь между каскадами. Важно согласовать уровни коллекторного напряжения предыдущего и базового следующего каскадов. В эмиттерные цепи ставятся специальные резисторы которые гасят разницу между выходными и входными

напряжениями каскадов. Их наличие вызывает появление ООС по току, что снижает коэффициент усиление по напряжению, но стабильность выше.

Невысокий КПД, большой дрейф нуля.

- Двухтактные (дифференциальные каскады)

Они широко распространены в интегральной микросхемотехнике. Это мост из 2 транзисторов

электроника Стр.36

и 2 резисторов, параметры плеч идентичные.

Есть режим покоя Uвх1 = Uвх2 = 0 (балансный). В динамическом Uвх1 > 0, Uвх2 = 0 первый вход инвертирующий, а второй нет.

Он будет работать до тех пор, пока входной ток не сравняется по модулю с током смещения (покоя базы).

Реальные значения коэффициентов современных ДК могут достигать сотен, если использовать

полевые транзисторы. В реальных ДК наблюдается дрейф, но он сильно меньше чем в однотактных усилителях.

- УПТ с преобразованием Такие УПТ состоят из источника, модулятора, усилителя, демодулятор, ФНЧ и нагрузки.

Модулятор предназначен для получения из входного сигнала переменного напряжения с амплитудой прямо пропорциональной входному. Усилитель усиливает переменное напряжение с модулятора, демодулятор делает наоборот, ФНЧ не пропускает нагрузку гармоники несущей

частоты.

Нет дрейфа, можно усиливать малые сигналы, но это сложно и ненадежно, есть паразитные напряжения с частотой преобразований

6.2 ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО. Назначение. Разновидности. Преимущества и недостатки каждой из реализаций

Токовое зеркало – схема, обеспечивающая протекание через нагрузку тока, связанного с током в другой, токозадающей ветви.

Ток I1 протекает через VT1, создает падение напряжение между его базой и эмиттером. Оно, будучи приложено к базе VT2 обеспечивает протекание коллекторного тока I2 и, если транзисторы одинаковы, он будет равен I1. Транзисторы нужно выбирать исходя из площадей эмиттерных переходов, задавая

соотношение I1 и I2. Это отношение также можно задать через резисторы.

Погрешность установки токов в цепи связана с протеканием токов баз. Для ее снижения используется дополнительный транзистор который можно рассматривать как усилитель тока.

6.3 Дифференциальный сигнал. Синфазный сигнал. Дифференциальный каскад: схема, назначение и

электроника Стр.37

особенности применения, принцип работы

Дифференциальные сигналы – сигналы имеющие равные амплитуды, но противоположные фазы. Синфазный сигнал – составляющая аналогового сигнала, присутствующая с одним знаком, амплитудой и

фазой на всех рассматриваемых выводах.

Дифференциальный каскад усиливает дифференциальный сигнал и подавляет синфазный. У него 2 входа, 2 выхода и 2 источника питания.

Пусть параметры плеч одинаковы. Положительный потенциал источника открывает транзисторы в равной

степени. При отсутствии входных сигналов по резистором текут равные коллекторные токи, они создают равное падение и напряжение на нагрузке равно 0. Это режим покоя. Аналогично каскад реагирует на одинаковые сигналы.

В случае дифференциальных сигналов. Ток I1 возрастает на I, а I2 уменьшиться на ту же величину, при том их сумма остается неизменной. Обратная связь не стремится уменьшить изменения токов, каждая схема ведет себя как обычная схема ОЭ. Каскад реагирует только на разность сигналов.

Если напряжение действует только на один из входов, то ток возрастает только в одном плече, но ООС сделает так что оба тока возрастут на I/2, и изменения на выходе будут в 2 раза меньше.

6.4 Определение ОУ. Основные свойства идеального ОУ. Внутренняя структура ОУ. Назначение каждого из функциональных блоков в структуре ОУ

Операционный усилитель – широкий класс усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенных для работы с глубокой обратной связью. Параметры схем на ОУ

преимущественно определяются именно ОС. Свойства идеального ОУ:

-Входное сопротивление бесконечно большое

-Выходное сопротивление 0

-Коэффициент усиления бесконечно большой

-Полоса пропускания бесконечно велика

-Охваченный ООС идеальной ОУ стремится установить равно напряжение на входах

Часто ОУ изготавливают на двухкаскадной схеме.

Входной каскад – дифференциальный усилитель. Он определяет величину входного сопротивления, чувствительность к синфазным сигналам и напряжение смещения. Дифференциальное напряжение

ограничивает напряжение между входами ОУ, для защиты транзисторов.

Усилитель напряжения также выполнен по схеме дифференциального усилителя, он имеет

асимметричный выход на коллекторе Т6. Потому один из входов становится инвертирующим.

Цепь смещения уровня необходима из-за отсутствия в схеме разделительных конденсаторов. Она состоит

электроника Стр.38

из генератора тока на Т8 и Т9 и усилителя по схеме ОЭ на Т10.

Выходной каскад обычно делают на комплементарных транзисторах в режиме эмиттерных повторителей, что обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление.

6.5 Пример и описание электрической схемы. Схема инвертирующего и неинвертирующего усилителя. Вывод формулы для коэффициента усиления по напряжению

Какой нахуй электрической схемы о чем речь???? Че это значит?????? Теорема скипа Инвертирующий усилитель умножает выходной сигнал на коэффициент К. Усилитель охвачен ООС по постоянному току. Цепь ОС состоит из делителя напряжения на двух резисторах.

Напряжение на инвертирующем входе равно таковому на неинвертирующем, т.к. неинвертирующий на

земле, то потенциал будет 0.

Падение напряжения на Rвх равно напряжению на входе, а на Rос равно напряжению на выходе, токи через резисторы равны Uвх/Rвх =-Uвых/Rос. Так, коэффициент усиления K = Uвых/Uвх = -Rос/Rвх может быть в диапазоне от 0 до -бесконечности.

Входной импеданс равен сопротивлению резистора Rвх, т.к. входу ОУ не потребляют ток и потенциал на них 0.

Неинвертирующий ОУ аналогично умножает входной сигнал на коэффициент К. Усилитель охвачен ООС по постоянному току, цепь состоит из делителя напряжения из 2 резисторов.

Напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем. Входы ОУ не потребляют, значит падение напряжения на R равно входному, а падение на R и Rос будет равно выходному. Uвых = Uвх(R+Rос)/R, т.е. K = Uвых/Uвх = 1+ Rос/R. Коэффициент не меньше 1.

электроника Стр.39

6.6 Схемы на ОУ и реализуемые ими формулы: неинвертирующий усилитель, повторитель, инвертирующий усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор, вычитающий усилитель, преобразователь ток в напряжение

Повторитель это частный случай неинвертирующего ОУ. K = 1 + 0/inf = 1

Сумматор. Uвых = sum(Ki*Uвхi). Каждый резистор задает свой коэффициент усиления.

Интегратор. Uвых = -1/RC * интеграл от 0 до t Uвхdt.

Дифференциатор. Uвых = -RC * dUвх/dt

электроника Стр.40