Контрольная работа 1 АПз-310 / Электроника Ч2

71

Ом, Uбп = 0,13 В, Iбп = 49,5 мкА, Iкэо 50 мкА, а Iкп = 5 мА. Определите Rвх и КU.

21.10.Определите КU усилителя по условию задачи 21.8, если между выходом усилителя и нагрузкой включен каскад по условию задачи 21.9.

21.11.Каким фактором определяется название дифференциального усилителя?

21.12.Почему в схеме дифференциального усилителя Rэ не влияет на КU?

21.13.Усилитель по схеме рис. 21.10,б имеет КU = 100. Определите верхнюю граничную частоту АЧХ усилителя, если Um.вых = 10 В, частота единичного усиления ОУ f1

=2 МГц, а νн = 1 В/мкС.

ЛЕКЦИЯ 22. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Согласно определению классификации, избирательные усилители обеспечивают усиление сигналов со спектром достаточно узким относи-

тельно средней частоты f0. Для них справедливо условие fв − fн << 1 . Это ус- f0

ловие определяет требования к АЧХ избирательного усилителя – она должна выделять достаточно узкую полосу частот (рис 21.1, в). По приведенному признаку избирательные усилители часто называются полосовыми.

Для построения усилителей с полосовой АЧХ необходимо учитывать частотные свойства применяемых в схеме активных элементов, а также использовать цепи с явно выраженными частотными свойствами – фильтры. Поэтому в лекции предварительно рассматриваются частотные свойства ОУ, принципы построения фильтров, а затем схемы и основные свойства избирательных усилителей.

1.ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ОУ

Впредыдущей лекции было отмечено, что коэффициент усиления ОУ

72

зависит от частоты. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Частотная зависимость коэффициента усиления ОУ обусловлена зависимостью от частоты коэффициента передачи тока базы транзисторов, входящих в его схему. Известно, что

βωβ = β 0 2 .

Структурная схема ОУ содержит несколько каскадов (обычно два – три). Каждый каскад вносит свой вклад в формирование общей частотной характеристики ОУ. Допустим, что на некоторой частоте f коэффициент усиления i-го каскада КUi падает в Mi раз и появляется запаздывающий фазовый сдвиг-ϕi. Общий коэффициент усиления трёхфазного ОУ становится равным

Ku = Ku1 Ku2 Ku3 = K01 K02 K03 ,

M1 M 2 M 3

где Koi-модуль коэффициента усиления i-го каскада в области низких и средних частот.

Фазовый сдвиг также накапливается от каскада к каскаду:

ϕ = ϕ1 + ϕ2 + ϕ3.

Типичные АЧХ и ФЧХ ОУ приведены на риc. 22.1. На частотных характеристиках можно выделить две области. Первая область расположена на оси частот в пределах от 0 до fв. В этой области частот Ku ≥ 0,707·Ko, а фазовый

74

Сформулируем условия самовозбуждения:

1.ϕОУ+ϕОС=2π. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый ОУ и отрицательной ОС должен быть равен 2π. Такая ОС становиться ПОС. Условие на-

зывают "баланс фаз".

2.К fπ γ ≥ 1. Это условие называют "баланс амплитуд".

Для достижения устойчивости ОУ применяют частотную коррекцию их схем. Суть частотной коррекции заключается в уменьшении усиления на частотах, близких к fπ до значений, нарушающих условие баланса амплитуд. Выполняется частотная коррекция посредством RC – цепочек, которые подключаются параллельно какому – либо участку внутренней схемы ОУ. С ростом частоты сопротивление емкости ХС = 1/ω·C уменьшается и все большая часть тока ответвляется через RC – цепочку. Коэффициент усиления схемы уменьшается. Вид АЧХ ОУ после его коррекции показан на рис. 22.1, а пунктирной линией. Для подключения внешних цепей коррекции схема ОУ имеет специальные выводы FC. Ряд ОУ выпускаются с внутренней частотной коррекцией.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Электрические фильтры – это частотно-избирательные устройст-

ва, которые пропускают или задерживают сигналы в определенной полосе

частот. Фильтры применяются в составе усилителей, модуляторов, демодуляторов, генераторов сигналов, вторичных источников питания и т.д.

До 60 годов прошлого столетия фильтры собирались на L, С и R элементах. С разработкой ОУ появилось новое направление проектирования активных фильтров на базе ОУ. В них отсутствуют индуктивности. В на-

75

стоящее время пассивные фильтры применяются только за пределами частотного диапазона ОУ (более 1МГц).

Альтернативой активных фильтров являются цифровые, но они пока не могут заменить аналоговые фильтры во всех ситуациях, поэтому потребность в активных фильтрах остаётся высокой. Рассмотрим основные принципы построения таких фильтров.

Фильтры классифицируют по частотным свойствам. Фильтры нижних частот (ФНЧ) имеют полосу пропускания от f=0 до f=fв (рис. 22.2, а). Фильтры верхних частот (ФВЧ) имеют полосу пропускания от f=fн до f=∞ (рис. 22.2, б). Полосовой фильтр (ПФ) имеет полосу пропускания от f=fн до f=fв (рис. 22.2, в); полосно-подавляющий или режекторный фильтр (ППФ) имеет полосу подавления сигнала от f=fн до f=fв (рис. 22.2, г).

С помощью активных RC фильтров нельзя получитьидеальные формы АЧХ. Проектирование активного фильтра представляет поиск компромисса между формой АЧХ и сложностью её реализации.

Кроме деления фильтров по полосе пропускания частот возможно деление по назначению (сглаживающие фильтры источников питания, фильтры помех, фильтры селективных усилителей); по типу усилительных эле-

ментов (на транзисторах, на ОУ); по числу полюсов на частотной характе-

ристике (фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков).

76

Обобщенная схема активного фильтра на ОУ приведена на рис. 22.3. Она содержит два пассивных четырёхполюсника А и В и инвертирующий ОУ с ОС. При анализе схем будем считать ОУ идеальным.

Рис. 22.3. Обобщенная схема активного фильтра на ОУ

Передаточную функцию фильтра можно получить, используя уравнения четырёхполюсников А и В в У параметрах:

Для идеального ОУ Rвх→∞, поэтому Iвх= 0; Uвх= 0. Соответственно U2a= U1b= 0; I2a= -I1b= 0, и уравнения ЧП приводятся к виду:

77

Учитывая, что I2a= -I1b, можем записать:

Y11a·U1a= -Y21b·U2b или Y12a·U1a= -Y12b·U2b.

Последние равенства и позволяют определить коэффициент передачи фильтра по напряжению:

Таким образом, коэффициент передачи фильтра определяется отно-

шением обратных или проходных проводимостей четырёхполюсников А и В.

Обычно четырёхполюсники А и В представляют собой пассивные RC цепи.

2.1 Фильтр нижних частот

Фильтр предназначен для выделения сигналов, частота которых ниже fн (в дальнейшем – частоты среза fc=fн). Он должен без ослабления пропускать сигналы с частотой от нуля до fc и ослаблять сигналы, частота которых больше fc.

Схема ФНЧ первого порядка показана на рис. 22.4, а. В этом фильтре четырёхполюсник А выполнен на одном сопротивлении Ra, а четырёхполюсник В представляет параллельно соединенные сопротивление Rb и емкость Cb. Проходная проводимость ЧП А имеет значение

Y21a=-Ga,

а ЧП В - значение

Y21b=-(Gb+jω·Cb).

Коэффициент передачи фильтра

78

K0=Ga / Gb – коэффициент передачи фильтра на постоянном напряже-

нии;

ωс=Gb / Cb – частота среза фильтра.

С учетом введенных обозначений запишем:

Тогда модуль коэффициента передачи ФНЧ определится выражением

График АЧХ фильтра приведен на рис. 22.4, б. На частоте среза ФНЧ вносит затухание, равное 0,707·К0 (или 3дБ).

КФU

ω / ωc

2.2.Фильтр верхних частот

Фильтр предназначен для выделения сигналов, частота которых выше некоторой заданной частоты (частоты среза). Схема ФВЧ первого порядка приведена на рис. 22.5, а. В этой схеме изменён только ЧП А, в котором сопротивление Rа заменено ёмкостью Ca. Проходные проводимости ЧП имеют значения:

Коэффициент передачи фильтра определяется выражением:

80

График АЧХ ПФ для двух значений добротности приведён на рис. 22.6, а. С увеличением добротности фильтра его полоса пропускания уменьшается, а максимальное усиление остаётся постоянным.

Схема полосового фильтра приведена на рис. 22.6, б. В качестве ЧП А и В в ней используются пассивные RC - цепи.

Рис. 22.6. График АЧХ а) схема полосового фильтра б)

Для схемы рис. 22.6, б максимальное усиление в полосе пропускания определяется выражением:

а частота максимального усиления (резонансная частота) формулой:

ω0= (R1b R2b C1b C2b ) .

3. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Избирательные (полосовые, селективные, резонансные) усилители имеют максимальный коэффициент передачи в пределах полосы пропуска- ния и подавляет сигналы вне этой полосы. Это позволяет применять их для