Задание 4.3.5. Исследование температурной стабильности усилителя
Кафедра « Измерительно-вычислительные комплексы »
Дисциплина «ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ.
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ»
Лабораторная работа № 4
Вариант: 13
Исследование усилителей электрических сигналов в инфокоммуникационных системах и сетях
Выполнил:
Студент группы ИСТбд-31
Силантьев А. Р.
Проверил:
Ефимов И. П.
Ульяновск
2020
Цель: познакомиться со схемотехникой усилителей электрических сигналов; получить навыки моделирования усилителей электрических сигналов; исследовать параметры и характеристики усилителей электрических сигналов.
Кратка теоретическая справка:
4.2.1. Место усилителей электрических сигналов в ИКСС
При физической реализации распределенных ИКСС приходится учитывать максимальную длину сегмента сети. Под сегментом сети можно понимать длину кабеля соединяющего корпуса сетевого оборудования. Эта длина зависит, прежде всего, от стандарта Ethernet и типа кабеля.
Ниже приводятся данные по значению максимальной длины сегмента кабельных линий связи для различных стандартов Ethernet.
Если длина сегмента сети Ethernet по каким-либо причинам превышает максимально допустимое значение, то для удлинения соответствующего сегмента используются специальные устройства – репитеры (повторители сигнала), рис. 4.1.
|
|
|
Как видно из рис. 4.1, кабельная линия связи Ethernet между компьютерами разбита на пять сегментов, соединенных с помощью четырех репитеров.
В состав активных репитеров входят усилители электрических сигналов. Репитеры могут быть двух основных типов: простые повторители с минимальной задержкой сигнала и повторители, в которых входной сигнал обрабатывается по определенному алгоритму и выходной сигнал формируется заново. Последние вносят большую задержку в распространение сигнала.
Задержка в распространении сигнала может представлять реальную проблему, связанную с тем, что сети Ethernet используют протокол доступа, называемый CSMA/CD («Carrier Sense Multiple Access, with Collision Detection»). Из-за задержки сигнала механизм предотвращения коллизий не всегда справляется с поставленной перед ним задачей. Более подробно данная проблема рассматривается в лекционном курсе дисциплины «Инфокоммуникационные системы и сети». Пока стоит отметить только следующее. Согласно выполненным специалистами в области Ethernet исследованиям, в тракте прохождения сигнала в сети не может быть более четырех репитеров, как показано на рис. 4.1. При этом в сети не должно быть более пяти сегментов, причем только к трем из них могут быть подключены сетевые устройства или хосты (правило «5-4-3»).
|
|
|
В простейшем случае входной сигнал усиливается усилителем и передается на выход. В этом случае усилитель компенсирует уменьшение амплитуды электрического сигнала и обеспечивает развязку сегментов сети, рис. 4.2.
В ряде случаев для развязки сегментов сети к усилителю подключаются специальные развязывающие узлы (РУ), рис. 4.3.
В качестве развязывающих устройств (узлов) могут использоваться, например, повторители сигналов, выполненные на транзисторах или операционных усилителях.
Усилители электрических сигналов также используются в инфокоммуникационных распределенных системах, одной из функций которых является передача и контроль информации о параметрах различных технологических процессов. При этом усилители, как правило, решают не только задачу сохранения уровня и формы сигнала, но и ряд других задач, например, масштабирование входного сигнала по напряжению или по току. В подобных системах усилители могут использоваться как самостоятельно, так и входить в состав специальных согласующих блоков – устройств сопряжения с объектом (УСО). Различают два вида УСО: устройства согласования с датчиками (сенсорами) и устройства согласования с исполнительными устройствами, которые оказывают физическое воздействие на объект контроля и управления. В последнем случае УСО, как правило, содержат элементы силовой электроники. Более подробно данная тема раскрывается в специальной лекции в рамках дисциплины «Инфокоммуникационные системы и сети».
|
|
|
4.2.2. Общие принципы построения усилителей электрических сигналов
Электронным усилителем называется устройство, посредством которого увеличивается мощность электрических сигналов без изменения их формы и частоты. Функциональная схема процесса усиления электрического сигнала приведена на рис. 4.4.
Усилитель потребляет мощность от источника питания и преобразует ее в мощность, передаваемую в нагрузку (выходную мощность). Алгоритм преобразования мощности в усилителе задается входным электрическим сигналом, поступающим от источника входного сигнала.
Усилителем может называться устройство, которое обеспечивает передачу в нагрузку большей мощности по сравнению со входной мощностью (мощностью, отбираемой от источника сигнала).
Для пояснения принципа действия усилителя рассмотрим вначале обычный делитель напряжения с регулируемым коэффициентом передачи напряжения, рис. 4.5.
|
|
|
Предположим, что сопротивления резисторов R1 и R2 невелики, в цепи делителя протекает большой ток, и на каждом из резисторов делителя формируется некоторая электрическая мощность. Если изменять сопротивление резистора R2, например, по гармоническому закону (входной сигнал), то на выходе делителя будет формироваться электрический сигнал, также изменяющийся по гармоническому закону (выходной сигнал). При этом мощность входного сигнала (механическая мощность, затрачиваемая на перемещение подвижной системы переменного резистора R2) может быть значительно меньше выходной электрической мощности делителя. Таким образом, схема, рис. 4.5, может рассматриваться как усилитель мощности. Правда, входной мощностью является механическая мощность, а выходной – электрическая мощность.
Для превращения схемы, рис. 4.5, в усилитель электрического сигнала достаточно просто заменить резистор R2 на транзистор, который будет выполнять функцию переменного резистора. Управляющим сигналом для биполярного транзистора в этом случае будет напряжение база-эмиттер Uбэ или ток базы Iб. А так как коэффициент передачи тока транзистора в схеме общий эмиттер (ОЭ) много больше единицы, то условие усиления мощности оказывается вполне выполнимым, рис. 4.6.
Учитывая входную характеристику биполярного транзистора (зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер), рис. 4.7, можно заметить, что в рассматриваемой схеме, рис. 4.6, невозможно получить гармонический выходной сигнал.
Если проанализировать работу схемы, рис. 4.6, с учетом зависимости, рис. 4.7, нетрудно заметь, что только отрицательная полуволна входного сигнала будет создавать прямое напряжение для эмиттерного перехода транзистора, при этом сопротивление перехода коллектор-эмиттер будет изменяться, и, следовательно, на выходе схемы будет формироваться полуволна выходного сигнала. При смене полярности входного сигнала (положительная полуволна) транзистор закрывается, и выходной сигнал перестает изменяться, рис. 4.8.
Как видно из рис. 4.8, первая полуволна входного сигнала генератора 
(источник входного сигнала будем называть генератором) вызывает появление выходного сигнала, вторая – нет. Для формирования гармонического сигнала или другого двухполярного сигнала необходимо сместить транзистор (изменить положение точки покоя О) за счет создания дополнительного постоянного напряжения база-эмиттер, рис. 4.9.
Если обеспечить положение точки покоя О на середине линейного участка сквозной динамической характеристики (СДХ-зависимость тока коллектора 
от напряжения 
), то на выходе усилителя будет формироваться гармонический сигнал с равными значениями амплитуд коллекторного тока 
и 
. Нетрудно заметить, что вследствие наличия напряжения смещения транзистора в усилителе протекает постоянный ток коллектора 
, причем независимо от наличия или отсутствия входного сигнала. При этом величина постоянного тока коллектора примерно равна половине его максимального значения, что существенно уменьшает коэффициент полезного действия усилителя.
4.2.3. Схемы фиксированного смещения в усилительных каскадах
На рис. 4.10 приведена последовательная схема смещения в усилительном каскаде с двумя источниками питания.
Напряжение смещения транзистора, при котором точка покоя О находится на середине линейного участка СДХ, обеспечивается источником постоянного напряжения 
. Источником входного сигнала (генератором) является универсальный источник импульсного или гармонического сигнала 
обладающим внутренним сопротивлением 
. Внутреннее сопротивление источника на схеме, рис. 4.10, не показано (его величина много меньше сопротивления генератора).
Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения 
. Признаком того, что точка покоя транзистора О находится на середине линейного участка СДХ (линейный режим работы усилительного элемента), является: 
/ 2, где 
— постоянное напряжение на коллекторе биполярного транзистора.
Назначение нагрузочного резистора 
аналогично назначению соответствующего резистора 
в схемах, рис. 4.5 и 4.6. Таким образом, резистор и транзистор 
образуют делитель напряжения с переменным значением коэффициента передачи напряжения. Значение коэффициента передачи напряжения при неизменных номиналах элементов схемы, рис. 4.10, определяется только напряжением генератора .
Сопротивление нагрузки подключено к усилителю через разделительный конденсатор Ср, благодаря чему исключено протекание через нагрузку постоянного тока.
На рис. 4.11 показана схема усилителя, рис. 4.10, в которой выделены внутренние сопротивления источников постоянного напряжения и – 
и 
.
Рассмотрим входную цепь усилительного каскада. Напряжение генератора распределяется между , и эмиттерным переходом транзистора. При этом желательно, чтобы максимальная часть значения напряжения приходилась на переход база-эмиттер транзистора . Для уменьшения падения переменного напряжения входного сигнала на резисторе в схему включен конденсатор фильтра 
.
Аналогичным образом для уменьшения переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника постоянного напряжения в схему включен конденсатор 
. Включение разделительного конденсатора 
в выходную цепь уменьшает напряжение выходного сигнала на нагрузке Rн. Минимальное допустимое значение емкости определяется из условия: емкостное сопротивление разделительного конденсатора во всем диапазоне рабочих частот должно быть меньше сопротивления нагрузки усилителя Rн не менее чем в десять раз.
Недостатком схем, рис. 4.10 и 4.11, является наличие двух источников постоянного напряжения. На рис. 4.12 представлена последовательная схема смещения с одним источником постоянного напряжения.
Физически источник напряжения смещения , рис. 4.10, в рассматриваемой схеме отсутствует. Делитель напряжения (резисторы и 
) формирует необходимое значение напряжения смещения транзистора. Положительное напряжение, падающее на резисторе , является аналогом напряжения, создаваемого источником в схеме, рис. 4.10.
Сопротивления резисторов и выбираются исходя из двух условий: напряжение на резисторе должно обеспечивать линейный режим работы транзистора, и ток в цепи делителя напряжения (резисторы - ) должен превышать ток базы транзистора, по крайней мере, в три раза.
Рассмотрим некоторые особенности установки точки покоя в схеме, рис. 4.12. Предположим, что точка покоя О смещена в нижнюю часть СДХ и требуется переместить ее вверх характеристики. Из рис. 4.9 видно, что для этого необходимо повысить напряжение смещения транзистора 
. С этой целью можно либо увеличить сопротивление резистора , либо уменьшить сопротивление резистора . Аналогичным образом, если требуется переместить точку покоя вниз по СДХ, то этого можно достигнуть либо уменьшением сопротивления резистора , либо увеличением сопротивления резистора .
Другим вариантом смещения является параллельная схема с двумя источниками постоянного напряжения, рис. 4.13.
Напряжение смещения, создаваемое источником постоянного напряжения , приложено к эмиттерному переходу транзистора после разделительного конденсатора 
. Благодаря постоянный ток, порождаемый источником , не протекает по цепи генератора. Это в отличие от схемы, рис. 4.10, позволяет снизить требования к источнику входного сигнала: внутреннее сопротивление может быть практически любым, в том числе и очень большим; выходное напряжение генератора может содержать постоянную составляющую.
Как уже отмечалось, внутреннее сопротивление источника много меньше сопротивления генератора . По этой причине с целью повышения сопротивления цепи эмиттерного перехода транзистора переменному току сигнала в схему добавлен дополнительный резистор . Рассмотрим, какие требования предъявляются к данному резистору. С точки зрения экономичности (расход энергии источника ) сопротивление резистора должно быть равно нулю. С другой стороны, нормальная работа усилителя возможна только при условии, что сопротивление цепи эмиттерного перехода транзистора должно быть примерно в десять раз больше сопротивления резистора . Следовательно, за оптимальное значение сопротивления дополнительного резистора можно принять: 
= 10 . Внутреннее сопротивление источника мало и составляет около 0,3…5 Ом против 300…100000 Ом у .
Недостатком схемы, рис. 4.13, является наличие двух источников постоянного напряжения, что снижает эксплуатационные показатели усилителя. Параллельная схема смещения с одним источником постоянного напряжения показана на рис. 4.14.
Напряжение смещения в схеме, рис. 4.14, создается делителем напряжения (резисторы и ). Для увеличения напряжения следует либо увеличить сопротивление резистора , либо уменьшить сопротивление резистора . Уменьшение напряжения достигается либо за счет уменьшения сопротивления резистора , либо увеличением сопротивления резистора R1.
При выборе значений сопротивлений резисторов и можно руководствоваться соблюдением условий, приведенных в описании к схеме, рис. 4.12.
Особенностью рассмотренных схем с фиксированным значением напряжения смещения является то, что точка покоя О перемещается по СДХ при изменении температуры транзистора, рис. 4.15.
На рис. 4.15 показано, что линейный режим работы транзистора был отрегулирован при температуре 20 
. При этом напряжение смещения
= 
, а коллекторный ток 
= 
. При понижении температуры транзистора точка покоя О смещается вниз по СДХ, и коллекторный ток транзистора уменьшается 
. При нагревании транзистора его коллекторный ток увеличивается 
, и точка покоя смещается в верхнюю часть СДХ.
Очевидно, что для сохранения режима работы транзистора при изменении температуры необходимо подстраивать значение напряжения , что невозможно в вышерассмотренных схемах. Возможность подстройки напряжения появляется в схемах с автоматическим смещением.
4.2.4. Автоматическое смещение в усилительных каскадах
Если в схеме, рис. 4.14, вместо обычного резистора включить полупроводниковый терморезистор и обеспечить его тепловой контакт с транзистором, то напряжение смещения транзистора будет подстраивать напряжение смещения таким образом, что режим работы транзистора будет изменяться значительно меньше. Рассмотрим поведение такой схемы при изменении температуры.
Пусть температура транзистора увеличилась. Коллекторный ток транзистора также увеличился. Полупроводниковый терморезистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому его сопротивление при росте температуры уменьшается. Уменьшение сопротивления резистора приводит к уменьшению значения , что определяет снижение величины тока коллектора.
Если температура транзистора уменьшается, его коллекторный ток стремится уменьшиться. Но при понижении температуры сопротивление резистора увеличивается, напряжение возрастает, и ток коллектора транзистора увеличивается.
Для достижения максимального эффекта стабилизации точки покоя транзистора необходимо обеспечить строго определенное изменение сопротивления резистора в зависимости от температуры, что представляет собой определенную сложность. В ряде случаев вместо резистора приходится использовать несколько резисторов (термозависимых и обычных). Необходимо также учитывать инерционность процессов теплопередачи от кристалла транзистора к полупроводниковому элементу терморезистора и время выравнивания температуры во всем объеме полупроводникового термочувствительного элемента. Кроме этого, требуется индивидуальная настройка каждого усилительного каскада.
Все вышеописанные трудности приводят к тому, что рассмотренное схемотехническое решение используется крайне редко. Гораздо чаще используются другие решения, при которых не требуется индивидуальная регулировка усилительного каскада, а процесс регулирования осуществляется практически мгновенно.
На рис. 4.16 показана схема усилительного каскада, в котором реализована эмиттерная стабилизация тока покоя транзистора.
В отличие от схемы, рис. 4.14, в каскад с эмиттерной стабилизацией включен дополнительный резистор 
, благодаря которому напряжение смещения ( 
– 
) является функцией коллекторного тока транзистора. Напряжение на базе транзистора постоянно и определяется только напряжением источника и сопротивлениями резисторов и . Напряжение на эмиттере изменяется прямо пропорционально коллекторному току. Рассмотрим работу данной схемы при изменении температуры, а, следовательно, и тока коллектора.
Пусть ток коллектора транзистора возрос, например, по причине роста температуры. Ток эмиттера транзистора также возрастает (в биполярном транзисторе ток эмиттера практически равен току коллектора), что приводит к росту значения . Напряжение смещения транзистора (разность базового и эмиттерного напряжений) уменьшается, что снижает величину коллекторного тока.
Уменьшение тока коллектора приводит к уменьшению напряжения , а следовательно, к увеличению напряжения смещения. Напряжение смещения увеличивается, приводя к возрастанию величины коллекторного тока.
Эффективность стабилизации зависит от сопротивления резистора . Чем больше сопротивление , тем эффективнее стабилизация. При этом следует иметь в виду, что увеличение сопротивления резистора снижает экономичность усилителя и приводит к необходимости повышения напряжения источника . Обычно сопротивление резистора выбирают таким образом, чтобы на нем падало от 10 до 30 % напряжения источника .
Другой вариант стабилизации коллекторного тока транзистора представлен на рис. 4.17.
Отличительной особенностью схемы, рис. 4.17, является то, что верхний вывод резистора подключен не к источнику напряжения , а к коллектору транзистора. Благодаря этому напряжение смещения транзистора (напряжение на резисторе ) зависит от напряжения . Так как коллекторный ток транзистора протекает через резистор , то напряжение получается зависимым от этого тока.
Рассмотрим ситуацию, когда коллекторный ток транзистора увеличился. При этом возросло падение напряжения на резисторе , а напряжение уменьшилось. Уменьшение напряжения приводит к уменьшению напряжения смещения, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора.
При уменьшении тока коллектора падение напряжения на резисторе уменьшается. Это приводит к увеличению напряжения смещения транзистора и, следовательно, к увеличению тока коллектора транзистора.
Другой вариант схемы коллекторной стабилизации тока покоя транзистора показан на рис. 4.18.
В схеме, рис. 4.18, верхний вывод резистора подключен не к коллектору транзистора, а к источнику питания , но через резистор фильтра 
. Учитывая, что все токи схемы, в том числе и коллекторный ток транзистора, протекают через резистор , напряжение смещения, также, как и в схеме, рис. 4.17, оказывается зависимым от тока коллектора.
Предположим, что ток коллектора увеличился. Тогда имеет место увеличение падения напряжения на резисторе . Напряжение в точке А 
уменьшается, что пропорционально уменьшает напряжение смещения транзистора и к уменьшению коллекторного тока.
При уменьшении коллекторного тока напряжение на уменьшается, Uао увеличивается, напряжение смещения транзистора становится больше, что приводит к увеличению тока коллектора.
Наиболее эффективной в плане стабилизации тока покоя транзистора является схема, рис. 4.19.
В схеме, рис. 4.19, реализовано два контура стабилизации: один – через резистор (коллекторная стабилизация), другой – через (эмиттерная стабилизация).
Предположим, что коллекторный ток транзистора возрос. В этом случае увеличится, что приведет к уменьшению напряжения смещения транзистора. С другой стороны, увеличение коллекторного тока приводит к уменьшению потенциала точки А ( уменьшается), что также влечет за собой уменьшение значения напряжения смещения. Таким образом, создается «сжатие» напряжения смещения транзистора с двух сторон, рис. 4.20.
Уменьшение напряжения смещения приводит к уменьшению коллекторного тока. Очевидно, что комбинированная схема стабилизирует ток покоя транзистора лучше. Чем любая из схем коллекторной или эмиттерной стабилизации в отдельности.
Аналогичным образом можно рассмотреть работу схемы, рис. 4.19, при уменьшении тока коллектора.
Платой за улучшенные характеристики является понижение экономичности и еще большее увеличение напряжения источника питания . Требования к выбору сопротивления резистора такие же, как и к сопротивлению резистора .
4.2.5. Параметры и характеристики усилителей
Относительные энергетические показатели (параметры) дают информацию о том, во сколько раз обеспечивается усиление. К относительным энергетическим показателям относятся:
1. Коэффициент усиления по мощности 
= 
/ 
, где и – мощности сигнала на выходе и на входе усилителя;
2. Коэффициент усиления по току 
= 
/ 
, где и – входной и выходной ток усилителя;
3. Коэффициент усиления по напряжению 
= 
/ 
, где и – выходное и входное напряжения усилителя.
Все эти показатели связаны между собой уравнением: = 
* .
В процессе усиления электрические сигналы искажаются. Качественные показатели и характеристики предоставляют информацию о степени искажения электрических сигналов. К основным параметрам и характеристикам, характеризующим качество процесса усиления, относятся: частотные и нелинейные искажения.
Частотные искажения создаются вследствие разных коэффициентов усиления по напряжению для гармонических составляющих сложного сигнала. На рис. 4.21 представленная типовая нормированная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя напряжения сигнала.
Коэффициент усиления по напряжению на средних частотах принят равным единице. Диапазоном рабочих частот усилителя является интервал частот 
… 
. Частотные искажения характеризуются коэффициентами частотных искажений на низкой 
и высокой 
частотах: = 
/ 
и
= / 
, где , , — коэффициенты усиления по напряжению на средних частотах, нижней заданной частоте и верхней заданной частоте.
При нелинейном усилении сигнала изменяется его спектральный состав. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, выходной сигнал будет содержать не только его первую гармонику, но и ряд других гармонических составляющих. Коэффициент гармоник вычисляется по формуле:
где 
, 
, 
, … — действующие значения напряжений соответствующих гармоник.
К абсолютным энергетическим показателям усилителя относятся: входное 
и выходное 
сопротивления; номинальное 
и максимальное 
значения выходной мощности; чувствительность; потребляемая мощность 
; коэффициент полезного действия.
Чувствительность усилителя характеризуется минимальным напряжением генератора, при котором на выходе усилителя появляется сигнал, различимый на фоне его собственных шумов. Рассмотрим рис. 4.22, на котором представлена зависимость выходного напряжения усилителя от напряжения генератора.
В идеальном случае выходное напряжение линейно возрастает при увеличении напряжения генератора. За чувствительность усилителя принимается пороговое значение напряжения 
, при котором выходное напряжение превышает уровень шумов.
Амплитудная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения от входного напряжения, рис. 4.23.
В отличие от рис. 4.22, на рис. 4.23 изображена реальная зависимость выходного напряжения усилителя от входного напряжения. Реальная характеристика имеет два изгиба: нижний, определяемый наличием собственных шумов, и верхний, обусловленный перегрузкой усилительного элемента. Максимальное гармоническое выходное напряжение не может превышать половины напряжения источника питания усилителя.
С амплитудной характеристикой тесно связан такой параметр, как динамический диапазон: Д = 
/ 
, рис. 4.23. В пределах динамического диапазона наблюдается линейная зависимость выходного напряжения усилителя от входного напряжения.
Переходная характеристика усилителя представляет собой временную зависимость мгновенного значения выходного напряжения при воздействии на вход усилителя единичного скачка напряжения. Пример переходной характеристики дан на рис. 4.24.
Основные параметры, связанные с переходной характеристикой, следующие:
1) 
– время задержки сигнала;
2) 
– время нарастания сигнала;
3) 
– время спада вершины импульса.
Причиной импульсных (переходных) искажений являются реактивные элементы усилителя, изменения энергии в электрических и магнитных полях которых не могут происходить мгновенно.
Переходная характеристика позволяет сделать заключение о возможности усиления импульсных сигналов различной формы и длительности. Искажения импульса в большинстве случаев считаются приемлемыми, если длительность импульса превышает время нарастания не менее чем в 5…20 раз.
4.2.6. Обратная связь в усилителях
Обратная связь (ОС) – это связь, посредством которой часть энергии из последующих цепей усилителя передается в предыдущие. На рис. 4.25 показан принцип организации обратной связи, благодаря которой часть энергии с выхода усилителя передается на его вход.
В усилителях используется отрицательная обратная связь, благодаря чему улучшаются качественные характеристики усилителя, правда, за счет уменьшения коэффициентов усиления.
Глубиной ОС называется величина А=1+ 
К. Глубина ОС, равная сумме единицы и произведения коэффициентов передачи напряжения звена обратной связи и усилителя, определяет степень улучшения качественных характеристик, которые увеличиваются в А раз. Во столько же раз уменьшаются коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности.
Различают четыре вида ОС: параллельная по напряжению; параллельная по току; последовательная по напряжению; последовательная по току. В первых двух случаях обратная связь подключается параллельно входной цепи усилителя, в двух других случаях – последовательно. ОС по напряжению подразумевает параллельное подключение обратной связи к выходной цепи усилителя, ОС по току – последовательное подключение к выходной цепи усилителя.
Влияние обратной связи на АЧХ усилителя иллюстрирует рис. 4.26.
Как видно из рис. 4.26, введение ОС приводит к уменьшению выходного сигнала (снижению коэффициента усиления по напряжению) и расширению диапазона частот.
4.2.7. Усилители электрических сигналов, построенные
с использованием линейных интегральных схем
Специализированные линейные интегральные схемы – операционные усилители (ОУ) – широко используются для построения усилителей электрических сигналов. Структурная схема ОУ показана на рис. 4.27.
Операционный усилитель имеет два входа: не инвертирующий (+) и инвертирующий (-), которые образуют входные цепи двух транзисторов, образующих дифференциальный входной каскад (ДВК). Выходной сигнал ДВК усиливается промежуточными каскадами усиления (ПКУ). С оконечного каскада (ОК) снимается выходной сигнал усилителя.
Обозначение ОУ на принципиальных схемах дано на рис. 4.28.
При анализе схем с ОУ используют два правила, справедливые для идеального операционного усилителя.
1. Если ОУ находится в линейном режиме, разность напряжений между его входами равна нулю.
2. Сопротивление со стороны входов ОУ бесконечно велико, и, следовательно, входные токи усилителя равны нулю.
На рис. 4.29 представлена схема повторителя напряжения на ОУ.
Как видно из рис. 4.29, ОУ охвачен отрицательной ОС, благодаря чему между его входами поддерживается разность потенциалов близкая к нулю. Отрицательный полюс источника входного сигнала 
и нижний по схеме вывод сопротивления нагрузки заземлены. Положительный полюс источника входного сигнала подключен к не инвертирующему входу ОУ. Так как между входами ОУ разность потенциалов равна нулю, то потенциал инвертирующего входа ОУ оказывается равным + . Нетрудно заметить, что к инвертирующему входу ОУ подключен второй вывод сопротивления нагрузки. Таким образом, имеет место виртуальное параллельное включение источника входного сигнала и нагрузки. Следовательно, выходное напряжение схемы, рис. 4.29, равно напряжению на ее входе. При этом ток в нагрузку отдает ОУ, а ток от источника входного сигнала не отбирается.
Таким образом, повторитель напряжения может использоваться для построения разветвителей сигнала, используемых для передачи сигнала, приходящего по одной линии на несколько линий. При этом будет осуществляться гальваническая изоляция источника входного сигнала от выходных каналов. Подобная задача решается в концентраторах Ethernet, которые являются активными репитерами. С использованием концентраторов реализуется топология «общая шина». При этом сигнал, поступающий на один из входов концентратора, передается на все остальные порты данного концентратора.
На базе ОУ строятся инвертирующие и не инвертирующие усилители электрических сигналов. Коэффициент усиления по напряжению таких усилителей может иметь либо фиксированное значение, либо изменяться. Изменение коэффициента усиления возможно за счет внешнего управляющего сигнала, причем такой управляющий сигнал может быть сформирован программно.
На рис. 4.30 приведена схема инвертирующего усилителя на ОУ.
В силу правила 1, потенциал точки А в схеме, рис. 4.30, равен потенциалу земли. Следовательно, резистор входной резистор усилителя оказывается виртуально подключенным параллельно источнику входного сигнала .
Входной ток I = / 
. Напряжение на резисторе 
= I * 
. Так как точка А имеет потенциал земли, нагрузочный резистор 
(выходная цепь усилителя) оказывается виртуально подключенным параллельно резистору обратной связи .
Ток, протекающий по цепи обратной связи, как и ток нагрузки, втекают в ОУ. На выходе схемы формируется сигнал отрицательной полярности (при подаче на вход положительного сигнала).
Учитывая вышеизложенное, можно записать выражение для выходного напряжения схемы: = * 
, где Кос= _ / – коэффициент усиления инвертирующего усилителя.
Схема не инвертирующего усилителя показана на рис. 4.31.
В силу первого правила, справедливого для идеального ОУ, напряжение на резисторе равно . Через резистор протекает ток = / . Этот же ток протекает через резистор обратной связи, который одним своим выводом подключен к входному резистору , а другим – к выходу ОУ. Падение напряжения, формирующееся на резисторе обратной связи,
= * .
Учитывая, что нагрузка усилителя подключена к последовательно соединенным резисторам и 
, выходное напряжение не инвертирующего усилителя оказывается равным сумме напряжений и . Следовательно, = * , где
= 1 + ( / ) – коэффициент усиления по напряжению не инвертирующего усилителя.
При использовании ОУ для построения усилителей электрических сигналов необходимо учитывать такой параметр операционного усилителя, как скорость нарастания выходного напряжения. При определенных условиях скорости нарастания может не хватить для формирования усилителем выходного напряжения и его форма исказится, рис. 4.32.
Чем больше амплитуда и частота выходного сигнала, тем больше вероятность искажения формы сигнала.
При использовании усилителя сигналов на ОУ также следует учитывать АЧХ операционного усилителя, рис. 4.33.
Как следует из рис. 4.33, с ростом частоты сигнала коэффициент усиления ОУ уменьшается. Частотой единичного усиления f1 называется частота, при которой коэффициент усиления по напряжению становится равным единице.
Предположим, что на базе ОУ реализован усилитель с коэффициентом усиления по напряжению . Тогда данный коэффициент усиления будет обеспечиваться усилителем вплоть до максимально возможной частоты сигнала 
. Затем с ростом частоты сигнала коэффициент усиления уменьшается и становится равным коэффициенту усиления ОУ без обратной связи.
Общий вывод по работе: было проведено исследование процесса передачи электрических сигналов от источника к нагрузке, исследование процесса дифференцирования и интегрирования сигналов в каналах передачи информации в ИКСС, принципы фильтрации электрических сигналов в ИКСС.
Задание 4.3.1. Исследование режимов работы транзистора в усилительном каскаде с фиксированным смещением, схема рис.4.14
Рис. 4.14. Параллельная схема смещения с одним источником постоянного напряжения:
Таблица 4.6 Номиналы элементов схемы, рис. 4.14:
| Номер варианта |  , мкФ
|  , кОм
|  , мкФ
| Транзистор |
| 13 | 3,5 | 1,7 | 15 | 2N4400 |
Максимально возможное значение амплитуды входного сигнала, при котором выходной сигнал усилителя не искажается по форме равно 50 мВ, при этом напряжение также равно 50 мВ.
Временная диаграмма выходного сигнала:
Режим отсечки ( = 12, = 1m):
Режим насыщения ( = 1k, = 10k ):
Исходя из полученных временных диаграмм, можно сказать, что при > выходной сигнал почти не искажается, а в случае, когда > выходной сигнал сильно искажается.
Вывод: было проведено исследование режимов работы транзистора в усилительном каскаде с фиксированным смещением, по которым были построены временные диаграммы, с указанным описанием.
Задание 4.3.2. Исследование температурной стабильности усилительных каскадов, схем, рис. 4.14 и 4.16.
Таблица 4.7 Температурная стабильность усилителя, схема, рис 4.14:
Температура транзистора, 
| Ток коллектора  , мА
| Напряжение коллектора,  , В
|
| -30 | 2,146 | 5,353 |
| -25 | 2,191 | 5,275 |
| -20 | 2,237 | 5,197 |
| -15 | 2,283 | 5,119 |
| -10 | 2,329 | 5,041 |
| -5 | 2,375 | 4,963 |
| 0 | 2,421 | 4,884 |
| 5 | 2,467 | 4,806 |
| 10 | 2,514 | 4,727 |
| 15 | 2,560 | 4,647 |
| 20 | 2,607 | 4,568 |
| 25 | 2,654 | 4,489 |
| 30 | 2,701 | 4,409 |
| 35 | 2,748 | 4,329 |
| 40 | 2,795 | 4,249 |
График зависимости = 
( 
):
График зависимости 
= 
( ):
Рис. 4.16. Эмиттерная стабилизация тока покоя транзистора:
Таблица 4.8 Температурная стабильность усилителя, схема, рис. 4.16 при 
=100 Ом:
| Температура транзистора,
| Ток коллектора , мА
| Напряжение коллектора,  , В
|
| -30 | 3,553 | 2,960 |
| -25 | 3,597 | 2,885 |
| -20 | 3,641 | 2,810 |
| -15 | 3,686 | 2,734 |
| -10 | 3,730 | 2,659 |
| -5 | 3,775 | 2,583 |
| 0 | 3,820 | 2,506 |
| 5 | 3,865 | 2,430 |
| 10 | 3,910 | 2,353 |
| 15 | 3,955 | 2,276 |
| 20 | 4,001 | 2,198 |
| 25 | 4,047 | 2,121 |
| 30 | 4,092 | 2,043 |
| 35 | 4,138 | 1,965 |
| 40 | 4,184 | 1,887 |
График зависимости = 
( ):
График зависимости = 
( ):
Таблица 4.9 Температурная стабильность усилителя, схема, рис 4.16 при =200 Ом:
| Температура транзистора,
| Ток коллектора , мА
| Напряжение коллектора, , В
|
| -30 | 2,120 | 5,396 |
| -25 | 2,148 | 5,349 |
| -20 | 2,176 | 5,301 |
| -15 | 2,204 | 5,253 |
| -10 | 2,232 | 5,205 |
| -5 | 2,261 | 5,157 |
| 0 | 2,289 | 5,109 |
| 5 | 2,318 | 5,060 |
| 10 | 2,346 | 5,012 |
| 15 | 2,375 | 4,963 |
| 20 | 2,404 | 4,914 |
| 25 | 2,432 | 4,865 |
| 30 | 2,461 | 4,816 |
| 35 | 2,490 | 4,766 |
| 40 | 2,519 | 4,717 |
График зависимости = 
( ):
График зависимости = 
( ):
Таблица 4.10 Температурная стабильность усилителя, схема, рис. 4.16 при =300 Ом:
| Температура транзистора,
| Ток коллектора , мА
| Напряжение коллектора, , В
|
| -30 | 1,519 | 6,417 |
| -25 | 1,540 | 6,382 |
| -20 | 1,560 | 6,347 |
| -15 | 1,581 | 6,312 |
| -10 | 1,602 | 6,277 |
| -5 | 1,623 | 6,241 |
| 0 | 1,644 | 6,206 |
| 5 | 1,665 | 6,170 |
| 10 | 1,686 | 6,134 |
| 15 | 1,707 | 6,098 |
| 20 | 1,728 | 6,063 |
| 25 | 1,749 | 6,027 |
| 30 | 1,770 | 5,990 |
| 35 | 1,792 | 5,954 |
| 40 | 1,813 | 5,918 |
График зависимости = 
( ):
График зависимости = 
( ):
По полученным графикам зависимостей, можно сделать вывод, что в полученной схеме при увеличении температуры увеличивается ток коллектора, но при этом падает его напряжение.
Вывод: было выполнено исследование температурной стабильности усилительных каскадов, по которым были сформированы соответствующие зависимости схемы, в которой было замечено, что увеличение сопротивления резистора снижает экономичность усилителя и приводит к необходимости повышения напряжения источника 
.
Задание 4.3.3. Исследование амплитудно-частотной характеристики усилительного каскада, схема, рис. 4.14
Рис. 4.14. Параллельная схема смещения с одним источником постоянного напряжения:
Максимально возможное значение амплитуды входного сигнала, при котором выходной сигнал усилителя не искажается по форме при условии, что, амплитуда выходного сигнала будет равна 1,0…2.5 В, равно 50 мВ.
Таблица 4.11 Зависимость выходного напряжения усилителя, рис. 4.14, от частоты сигнала при 
= 3,5 мкФ:
Частота сигнала  , кГц
| Выходное напряжение  , В
| Частота сигнала , кГц
| Выходное напряжение , В
|
| 3 | 0,38908 | 7 | 0,68957 |
| 4 | 0,48770 | 8 | 0,74464 |
| 5 | 0,56436 | 9 | 0,79692 |
| 6 | 0,62992 | 10 | 0,84719 |
Таблица 4.12 Зависимость выходного напряжения усилителя, рис. 4.14, от частоты сигнала при = 1,75 мкФ:
| Частота сигнала , кГц
| Выходное напряжение , В
| Частота сигнала , кГц
| Выходное напряжение , В
|
| 3 | 0,17131 | 7 | 0,63169 |
| 4 | 0,33976 | 8 | 0,70166 |
| 5 | 0,45848 | 9 | 0,76550 |
| 6 | 0,55261 | 10 | 0,82500 |
Таблица 4.13 Зависимость выходного напряжения усилителя, рис. 4.14, от частоты сигнала при 
= 7 мкФ:
| Частота сигнала , кГц
| Выходное напряжение , В
| Частота сигнала , кГц
| Выходное напряжение , В
|
| 3 | 0,41163 | 7 | 0,63372 |
| 4 | 0,47584 | 8 | 0,68159 |
| 5 | 0,53194 | 9 | 0,72831 |
| 6 | 0,58389 | 10 | 0,77417 |
График зависимостей = φ( ):
Вывод: было выполнено исследование амплитудно-частотной характеристики усилительного каскада, а также построен график зависимости, по которому видно, что при изменении частоты сигнала нельзя точно предсказать упадет или возрастет выходное напряжение.
Задание 4.3.4. Построение амплитудной характеристики усилительного каскада, рис. 4.14
Таблица 4.14 Взаимосвязь входного и выходного напряжений в схеме, рис.4.14:
Входное напряжение  , В
| Выходное напряжение , В
| Входное напряжение , В
| Выходное напряжение , В
|
| 3 | 0,00091067 | 7 | 0,003239 |
| 4 | 0,001576 | 8 | 0,003752 |
| 5 | 0,002164 | 9 | 0,004256 |
| 6 | 0,002712 | 10 | 0,004753 |
Максимально возможное значение амплитуды входного сигнала, при котором выходной сигнал усилителя не искажается по форме равно 5 мВ.
График зависимости = φ( ):
Динамический диапазон усилителя равен
Вывод: было выполнено построение амплитудной характеристики усилительного каскада, по которому можно сказать, что при увеличении входного напряжения возрастает выходное напряжение.
Задание 4.3.5. Исследование температурной стабильности усилителя
с комбинированной стабилизацией тока покоя транзистора, рис. 4.18
Рис. 4.19. Комбинированная стабилизация тока покоя транзистор:
Таблица 4.16 Температурная стабильность усилителя, схема, рис. 4.19 при
= 100 Ом:
| Температура транзистора,
| Ток коллектора , мА
| Напряжение коллектора, , В
|
| -30 | 4,652 | 0,590075 |
| -25 | 4,651 | 0,592482 |
| -20 | 4,649 | 0,594877 |
| -15 | 4,648 | 0,597263 |
| -10 | 4,647 | 0,599637 |
| -5 | 4,645 | 0,602002 |
| 0 | 4,644 | 0,604357 |
| 5 | 4,643 | 0,606702 |
| 10 | 4,641 | 0,609037 |
| 15 | 4,640 | 0,611363 |
| 20 | 4,639 | 0,613680 |
| 25 | 4,637 | 0,615989 |
| 30 | 4,636 | 0,618288 |
| 35 | 4,635 | 0,620580 |
| 40 | 4,634 | 0,622863 |
График зависимости = ( ):
График зависимости = ( ):
Таблица 4.17 Температурная стабильность усилителя, схема, рис. 4.19 при
= 200 Ом:
| Температура транзистора,
| Ток коллектора , мА
| Напряжение коллектора, , В
|
| -30 | 4,402 | 0,567008 |
| -25 | 4,401 | 0,569360 |
| -20 | 4,400 | 0,571702 |
| -15 | 4,399 | 0,574035 |
| -10 | 4,397 | 0,576358 |
| -5 | 4,396 | 0,578671 |
| 0 | 4,395 | 0,580975 |
| 5 | 4,394 | 0,583270 |
| 10 | 4,392 | 0,585556 |
| 15 | 4,391 | 0,587833 |
| 20 | 4,390 | 0,590103 |
| 25 | 4,389 | 0,592364 |
| 30 | 4,387 | 0,593617 |
| 35 | 4,386 | 0,596862 |
| 40 | 4,385 | 0,599099 |
График зависимости = ( ):
График зависимости
Таблица 4.18 Температурная стабильность усилителя, схема, рис. 4.19 при
= 300 Ом:
| Температура транзистора,
| Ток коллектора , мА
| Напряжение коллектора, , В
|
| -30 | 4,178 | 0,547349 |
| -25 | 4,177 | 0,549602 |
| -20 | 4,176 | 0,551850 |
| -15 | 4,174 | 0,554091 |
| -10 | 4,173 | 0,556326 |
| -5 | 4,172 | 0,558554 |
| 0 | 4,171 | 0,560776 |
| 5 | 4,170 | 0,562992 |
| 10 | 4,169 | 0,565201 |
| 15 | 4,167 | 0,567404 |
| 20 | 4,166 | 0,569601 |
| 25 | 4,165 | 0,571792 |
| 30 | 4,164 | 0,573977 |
| 35 | 4,163 | 0,576156 |
| 40 | 4,162 | 0,578329 |
График зависимости = ( ):
График зависимостей = ( ):
Как видно, полученные графики зависимостей отличаются от графиков зависимостей заданий 6 и 7 п. 4.3.2, как по полученным значениям, так и возрастанием и убываем графиков.
Вывод: было выполнено исследование температурной стабильности усилителя с комбинированной стабилизацией тока покоя транзистора, а также были построены графики зависимостей, по которым можно установить связь тока и напряжения коллектора от температуры.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 157; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!