Методические указания к лабораторной работе №10 практикума по радиоэлектронике (стр. 4 из 4)

Для противофазного сигнала вход должен представлять значительный по модулю импеданс, поэтому индуктивность трансформатора должна быть значительной, на низких частотах такая цепь просто немыслима. Похожие свойства имеет схема, которую Вы можете изучить и исследовать, если откроете файл difcr.nl. Источник входного сигнала представлен двумя генераторами, которые можно включить противофазно или синфазно. Операционные усилители O1, O2, O4 вместе с резисторами цепи ООС образуют инструментальный дифференциальный усилитель. Симметрия конфигурации схемы относительно входных источников обеспечивается равенством параметров соответствующих элементов. На вход дополнительного ОУ О3 подаётся сумма напряжений с выходов О1 и О2. Поэтому для противофазного сигнала этот каскад не меняет свойств инструментального усилителя. Для синфазного сигнала образуется другая цепь ООС. Найдите все ОС в этой схеме и разделите её на 2 функционально завершённых каскада. Если Вы успешно провели эту операцию, то легко определите функциональные схемы для противофазного и синфазного сигналов. Для проверки собственных выводов исследуйте схему расчётами. Одинаковые элементы схемы одноимённы, при изменении одного из них так же изменяются остальные. Для изменения характера входного сигнала достаточно изменить полярность одного из генераторов инверсией стрелки на графическом изображении элемента. Программа NL выводит результаты расчётов как многолучевой осциллограф. Соотношения сигналов в точках I1, O1, средней точке md и на выходе одного из генераторов, например U1, дадут ответы на все вопросы. Проведя расчёты и изучив “осциллограммы”, объясните полученные результаты.

3.2. Нелинейные искажения в усилителях с отрицательной ОС

Общий анализ частотно зависимых, инерционных, нелинейных цепей с ОС существенно сложнее, т.к. здесь принцип суперпозиции не применим, и при линейчатом спектре входного сигнала в спектре выходного сигнала появляются другие линии. Рассмотрим, как иллюстрацию, схему усилителя с нелинейностью при малых сигналах. Схема, файл boost.nl, содержит операционный усилитель О1 с транзисторами Т1 и Т2. Этот мощный оконечный усилитель собран по двухтактной схеме, т.е. при смене полярности выходного сигнала включается транзистор определённой проводимости, а другой запирается. Оба транзистора заперты, если модуль разности потенциалов между базами и эмиттерами не более ~0.6 V, что приводит к специфическим искажениям при малом сигнале. Для значительного ослабления этого эффекта усилитель охвачен петлёй ООС

Для расчётов используется та же программа NL. Установите коэффициент усиления О1 К = 4e+4, частота единичного усиления f1 = 1e+6; R1 = R2; R3 = 8; U2 = U3 = 10. В качестве источника сигнала выберите генератор треугольного импульса с периодом 0.5 ms. Установите амплитуду входного сигнала 0.5 V. Сначала замкните точки “а” и “с” и получите “осциллограммы” напряжений в точках входа, выхода и точке “с” токов источников питания U2 и U3. Всё это можно получить на “одном листе” сразу, как распорядитесь в списке меню “Display”. Переключите точку “а” на точку “b” и повторите опыт. Уменьшите в 5¸10 раз частоту единичного усиления ОУ и повторите опыт. Особый интерес представляет характер процессов в области малых амплитуд. Сделайте выводы и ответьте на вопросы.

3.3. Диодные выпрямители слабых сигналов

В схемах выпрямителей сигналов низкой частоты с амплитудой ~ 1¸100 mV применение ОУ, как и в предыдущей схеме, приближает вольтамперную характеристику p-n перехода к характеристике идеального диода. Пример такой схемы файл diod.nl. Вы можете самостоятельно дополнить её дифференциальным усилителем, чтобы получить двухполупериодный выпрямитель с заземлённой нагрузкой. Испытайте схему расчётом “осциллограмм” процессов в точках О, О1, О2. Рекомендуемый источник сигнала генератор напряжения, модель Sin, амплитуда ~10 mV, частота ~2kHz. Модель ОУ: K~10⁴, частота единичного усиления F₁~1MHz.

Другой пример, файл rect.nl, моделирует стрелочный милливольтметр переменного тока. Если диоды были бы идеальны, схема не отличалась бы от изученной Вами выше схемы генератора тока (прототип (с)). Пусть стрелочный прибор имеет параметры: ток полного отклонения (среднее значение) 0.1 mA, сопротивление 1kW. Оцените величину резистора R1 для среднего значения напряжения полного отклонения стрелки прибора 10mV для синусоидального сигнала. Проверьте правильность оценок “экспериментально”. В очередной раз обратите внимание на характер процессов при переходе нулевого уровня.

Контрольные вопросы

1. На схемах рис. 2 в качестве активного элемента используется усилитель напряжения, характеризуемый коэффициентом усиления К = Uout/Uin. Какие варианты структурных схем с отрицательной ОС Вы могли бы предложить, если бы использовались усилители с токовым входом (Ri~0) и функцией передачи Iout = K_I×Iin (F_T = K_I – коэффициент усиления тока)? Как изменятся при этом входные и выходные сопротивления, если цепь ООС реальный пассивный четырёхполюсник?

2. На рис. 4 приведён ряд схем усилителей с ОС. Дайте ответ на предложенные вопросы.

Рис. 4

Задания к рис. 4:

2a. Для каждой схемы укажите тип ОС и определите её параметры. Параметры резисторов указаны в Омах, b -коэффициент усиления транзистора по току, K-коэффициент усиления операционного усилителя. Операционные усилители считать идеальными.

2b. Для схем (1) и (2) оценить все параметры усилителя с ОС.

2c. Схема (3) имеет два входа, определите выходное напряжение как функцию от (U₁₊, U_1-, R?). При каком значении R будет реализована функция дифференциального усилителя?

2d. Какую передаточную функцию имеет схема (4)? Как изменится эта функция, если поменять местами резистор R и ёмкость C?

2e. Для усилительного транзисторного каскада (схема (5)) оценить коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление. Источник питания изображён условно (VCC)

3. В чём заключается стабилизирующее действие частотно независимой ООС, если иметь в виду параметры передачи усилителя в диапазоне частот равном полосе пропускания? (Полосой пропускания называют интервал частот, в котором модуль параметра передачи изменяется не более чем в

раз.) Как изменяет полосу пропускания усилителя отрицательная ОС в построенных на ОУ схемах, исследованных Вами?

Рис. 5

4. На рис.5 изображен усилитель S с коэффициентом усиления 1, его выход Out замкнут на суммирующий вход ±a через линию задержки сигнала во времени на величину t, a – вещественное число – весовой коэффициент входа ОС. Передаточной функции линии задержки, являющейся в данной схеме цепью ОС, соответствует формула: F_B(p) = exp(-p×t). При каких значениях a усилитель будет устойчив? Каковы будут ЧХ при ООС и положительной ОС? Какие процессы будут наблюдаться на выходе усилителя О, если на его вход подать одиночный импульс длительностью t< t? (Рассмотреть случаи устойчивого усиления при a> 0 и a<0.)

5. Как различные схемы отрицательной ОС изменяют входное и выходное сопротивления в широком диапазоне частот? Пользуясь результатами расчётов моделей, приведите схемы двухполюсников, состоящих из R-C-L элементов и эквивалентных входным и выходным сопротивлениям или проводимостям. (Рекомендация: для сопротивлений удобна форма последовательного соединения параллельно соединённых элементов, а для проводимостей – дуальная форма.)

6. В схеме с общим эмиттером при некотором токе эмиттера биполярный транзистор на низкой частоте имеет следующие параметры: коэффициент усиления по току b = 50, входное сопротивление Ri = 1.5 kW, сопротивление коллектора Rc = 20 kW. Оцените, используя методы анализа свойств цепей с ОС, параметры транзистора в схеме с общей базой при том же токе эмиттера.

7. При каком из двух входных источников, тока или напряжения, усилитель, собранный по схеме с общим эмиттером будет иметь более широкую полосу пропускания?

8. Как будет изменяться входное сопротивление транзисторного усилителя в области нижних частот при увеличении сопротивления в цепи эмиттера R3?

9. Почему транзисторный дифференциальный усилитель имеет большой коэффициент усиления на постоянном токе даже при очень большом значении сопротивления в цепи эмиттеров?

10. Почему для высокой верности воспроизведения звука с полосой примерно 18 кГц в высококачественных двухтактных мощных усилителях используют усилители с граничной частотой порядка 10МГц? Может ли быть такой усилитель заменён усилителем с граничной частотой 1МГц, но с большим в 10 раз усилением?

11. Чему будет равно среднее за период значение тока, потребляемого от источников питания в двухтактной схеме мощного усилителя, если его амплитуда при синусоидальном сигнале 1А?

12. В усилителях постоянного тока с дифференциальными входами (файл difcr.nl) средняя точка md часто создаётся не резисторами, а парой ёмкостей С, как правило, это ёмкость подводящего сигнал симметричного кабеля. Как будут отличаться частотные характеристики входной цепи для противофазного и синфазного сигналов?

Литература

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1989.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1993, т. 1

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высш. шк., 1991.

Подписано в печать __________ Печать офсетная. Уч.-изд.л. – _. Заказ №	Формат 60x84 1/16 Тираж ___ экз.
Редакционно-издательский отдел Новосибирского университета. Участок оперативной полиграфии НГУ. 630090, Новосибирск, 90, ул. Пирогова, 2.