Лабораторные работы по аналоговой схемотехнике (стр. 3 )

Эквивалентная схема каскада по переменной составляющей при сделанных допущениях представлена на рис.2.

Рис.2.

На схеме резистор RВХ эквивалентен параллельному соединению R1, R2 и входному сопротивлению база-эмиттер транзистора; RВЫХ эквивалентен параллельному соединению R3 и сопротивлению эмиттер-коллектор транзистора. Величина , где β – коэффициент усиления по току. Ёмкость СП – выходная паразитная ёмкость, которая складывается из емкости переходов эмиттер-коллектор транзистора и емкости монтажа.

Наличие ёмкостей в эквивалентной схеме усилительного каскада приводит к частотной зависимости его передаточной функции К(jω).Определим его К(jω) для области низких, высоких и средних частот.

2.1. Для области средних частот будем полагать

       .

Тогда эквивалентная схема рис.2 может быть представлена в виде

где  . Найдем коэффициент передачи схемы как отношение выходного и входного напряжений

  (1).

2.2. В области верхних частот будем полагать, что , а эквивалентная схема имеет вид

Передаточная функция цепи может быть найдена как отношение напряжения падения на резисторе RЭКВ, к напряжению падения на RВХ. После упрощения можно получить

  (2)

где К0 дается выражением (1), а τВ = RЭКВCП – постоянная времени цепи. Нетрудно видеть, что передаточная функция (2) имеет вид фильтра нижних частот с частотой среза ωВ ≅ 1/τВ.

2.3. В области нижних частот будем полагать, что тогда эквивалентная схема цепи будет иметь вид, показанный на рис.3.

Рис.3

Найдем передаточную функцию цепи. После упрощений можно получить:

  ,  (3)

где τН ≅ С1(RВЫХ +R5). Зависимость (3) имеет вид фильтра верхних частот с частотой среза ωН ≅ 1/τН. Объединяя результаты (1), (2) и (3), можно  получить суммарную передаточную характеристику , показанную на рис.4.

Рис.4

Из анализа видно, что на работу резистивного каскада в области нижних частот оказывают влияние величина разделительной емкости С1, чем она больше, тем ωН меньше при постоянных RВЫХ и R5.

В области верхних частот на работу каскада оказывает влияние паразитная емкость СП, чем она меньше, тем ωВ выше. Паразитная емкость СП зависит от конструктивных и технологических  параметров транзистора, поэтому для СВЧ  усилителей применяют специальные высокочастотные транзисторы.

В области средних частот коэффициент усиления каскада определяется отношением выходного сопротивления RЭКВ ко входному RВХ и величиной β транзистора.

3. Контрольные вопросы

1. Что называется входной и выходной характеристикой транзистора?

2. Какие параметры схемы можно найти с использованием входной и вы­ходной характеристик?

3. Поясните работу резистивного каскада по переменной составляющей в классе А.

4. Как провести анализ работы схемы и найти качественные показатели резистивного кас­када?

5.  Поясните назначения элементов в схеме резистивного усилительного каскада.

6. Как проводится анализ работы каскада в статическом и динамическом режимах?

7. Поясните работу каскада и его эквивалентные схемы в области верхних, нижних и средних частот.

4. Список литературы

1. Каяцкас радиоэлектроники/. − М.: Высш. шк., 1988.

2. Нефедов радиоэлектроники: учеб. для вузов/ − М.: Высш. шк.,2000.

3. Ногин электронные устройства: учеб. пособие/. / НГТ, 1992.

4. , Промышленная электроника/ , − М.: Энерго­атомиздат, 1988.

5. Опадчий и цифровая электроника: учеб.  для вузов /, , ; под ред. − М.: Горячая линия−Телеком, 2007.

Лабораторная работа № 4

Интегральный операционный усилитель
и активный Rc-фильтр

1. Цель работы

Изучение принципа работы интегрального операционного усилителя, выполняющего функции масштабного усилителя и активного RC–фильтра с 2т–мостом.

2. Краткие сведения из теории

Операционный усилитель (ОУ) — высококачественный интегральный усилитель напряжения многоцелевого назначения. Дифференциальный (разностный) вход и возможность подключения внешних цепей обратной связи практически неограниченно расширяет функциональные возможности ОУ, превращая его в основной унифицированный элемент современной интегральной схемотехники. ОУ широко используется в составе элементной базы аналоговых вычислительных устройств, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, генераторов функций, активных фильтров частот и многих других устройств.

Типовое обозначение ОУ в интегральной схемотехнике показано на рис. 1.

  Рис. 1

Здесь Uвх 1,2, Uвых, — соответственно входные и выходное напряжения. Вход со знаком “минус” называют инвертирующим, со знаком “плюс” — неинвертирующим; +E, –E − напряжения двухполярного источника питания. Выходное напряжение является функцией разности входных напряжений:

Uвых= f(ΔUВХ),

где ΔUВХ = UВХ1  −  UВХ2

В общем виде функция UВЫХ= f(ΔUВХ) является нелинейной, поскольку ограничена максимально допустимыми значениями +UMAX  и –UMAX.

2.1. Основные параметры и применения ОУ

Операционные усилители с глубокой отрицательной обратной связью, используемые непосредственно для целей усиления напряжения,  имеют ряд существенных преимуществ перед усилительными устройствами других классов, предназначенными для работы в тех же динамических диапазонах. ОУ с обратной связью обладают:

1) широкой полосой пропускания частот (ΔF=F2–F1) с высокой степенью равномерности АЧХ и ФЧХ во всем рабочем диапазоне частот от F1=0 до F2=FMAX;

2) большим, порядка 103÷106 коэффициентом усиления K=Uвых/(Uвх1–Uвх2) и высокой степенью линейности амплитудной характеристики в рабочем диапазоне;

3) высоким входным сопротивлением для синфазного сигнала (сигнала, одновременно воздействующего на оба входа ОУ) Rсф, достигающим величин порядка 105÷108 Ом, а также большим входным сопротивлением Rвх=Rcф⋅10–2 со стороны одного из входов, когда другой вход заземлен;

4) большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала Ксф≈103÷105;

5) низким выходным сопротивлением Rвых с минимальным значением до единиц Ом.

Из недостатков ОУ отметим: сложность совокупности схемотехнических, конструктивно-топологических и температурно-тепловых расчетов, выполняемых обычно на ЭВМ; склонность к самовозбуждению за счет обратных связей по внешним цепям; высокий уровень собственных шумов.

ОУ применяется в качестве основы устройств, выполняющих функции усиления, модуляции и детектирования, алгебраического суммирования, дифференцирования и интегрирования, фильтрации частоты, генерации и т. д. Рассмотрим реализации ОУ, получившие наибольшее распространение на практике.

2.2. Масштабный инвертирующий и неинвертирующий ОУ

2.2.1. Инвертирующим является усилитель, напряжение на выходе которого находится в противофазе (инверсно) по отношению ко входному напряжению.

В качестве интегрального усилителя напряжения широко используется ОУ с отрицательной обратной связью, существенно повышающей устойчивость усилителя. В большинстве практических схем отрицательная обратная связь реализуется через резистор R2 (рис. 2), что позволяет выбирать и регулировать коэффициент усиления ОУ.

Рис. 2

В этом случае величина дифференциального напряжения на входе ΔUвх=Uвых/K ничтожно мала по сравнению с выходным напряжением вследствие больших значений коэффициентов усиления K, что типично для ОУ, работающих в линейном режиме. Это означает, что при большом входном и малом выходном сопротивлениях ток, протекающий через резистор R1 входной цепи, равен току, проходящему через резистор R2 цепи обратной связи, а потенциал на неинвертирующем входе равен потенциалу на инвертирующем входе (в нашей схеме  нулю). Отсюда следуют два принципиально важных свойства ОУ:

а) между входным и выходным напряжением имеется линейное соотношение, и в первом приближении дифференциальное входное напряжение ΔUвх можно считать равным нулю;

б) функциональные характеристики ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, определяются параметрами цепи обратной связи.

На основании указанных свойств найдем, что

Uвх=iR1+ΔUвх≈iR1, а Uвых=ΔUвх–iR2= – iR2,

следовательно, с учетом обратной связи коэффициент усиления ОУ (рис. 2)

K0=Uвых/Uвх≈(–R2/R1).

  2.2.2. На рис. 3 представлена схема неинвертирующего ОУ.

Рис.3

На основании ранее сделанных предположений напряжении обратной связи, поступающее на инвертирующий вход ОУ равно UОС ≈ UВХ. Для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя можно найти