Аналоговая схемотехника Руков.сам.раб
.pdf
50
R1 |
R2 |
1 |
R4 |
2 |
R5 |
|
Uвх |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
DA1 |
|
VD1 |
|
DA2 |
С 4 |
|
|
|
|
|
|
Uвых
3
R3 |
VD2 |
R |
Решение.
При Uвх > 0 открывается диод VD1. В точке 1 получаем проинвертированное Uвх , диод VD2 закрыт, на обоих входах операционного усилителя DA2 нули, в точке 3 повторяется Uвх .
При Uвх < 0 открывается диод VD2. В точке 2 повторяется выходное напряжение операционного усилителя DA1, которое можно рассчитать по
|
|
|
(R2 + R4) |
|
R3 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
формуле U 2 = U |
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
= − |
U |
вх |
, а в точке 1 в два раза мень- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
вх |
|
R1 |
|
3 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ше. |
Напряжение |
в точке 3 можно рассчитать по формуле |
|||||
|
|
|
R5 |
|
|
|
|
U 3 |
= U 2 1 |
+ |
|
|
= −Uвх. Таким образом, в точке 3 |
напряжение равно |
|
R2 + R4 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
модулю входного (схема является двухполупериодным выпрямителем). Конденсатор уберет постоянную составляющую и на выходе в точке 4 снова получаем симметричное треугольное напряжение, амплитуда которого в два раза меньше, а частота в два раза больше частоты входного сигнала.
Uвх 
t
U1 
t
U2 |
t |
U3 |
t |
U4 |
t |
51
5 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №1
Контрольная работа №1 предполагает выполнение задачи по анализу усилительного каскада на биполярном транзисторе.
Задание
1. Указать способ включения транзистора. Рассчитать координаты точки покоя (напряжение и ток в выходной цепи транзистора до подачи входного сигнала) и их нестабильность в диапазоне температур (20…50) °С.
2.Построить нагрузочные прямые постоянного и переменного тока.
3.Изобразить эквивалентную схему каскада УНЧ для рабочего диапазона частот (области средних частот). Оценить коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления.
4.Характеристики и параметры транзистора приведены вприложении Г.
Варианты заданий
1. |
2. |
12 В |
10 В |
|
|
3 к |
6 к |
2 к |
Uвх |
Uвх |
|
2 к |
|
2 к |
|
|
2 к |
|
4 к |
|
|
2 к |
|
5 к |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
14В |
4. |
15 В |
9 к |
4 к |
|
500 к 5 к |
|
|
Uвх |
|
Uвх |
|
|
|
6 к |
4 к |
10 к |
5 к |
52
5. |
11 |
В |
|
500 к
Uвх
5 к |
|
10 к |
|
|
|
7. |
1 к |
|
20 В |
500 к |
2 к |
Uвх
20 к
9. |
15В |
|
|
10 к |
1 к |
Uвх |
|
6.
13 к |
5 к |
Uвх
2 к |
|
1 к |
|
|
|
8.
5 к
Uвх
10 к
10.
500 к
Uвх
5 к |
|
2 к |
|
5 к |
|
10 к |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 В
10 к
10 В
10 к
-10 В
15 В
10 к
53
6 ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №1
Схема анализируемого усилительного каскада приведена на рис. 6.1. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Введем обозначения и поясним назначение элементов схемы:
|
Rф 1к |
Е |
|
|
|
Cф |
RК |
15 В |
R |
|
|
Б |
5к C2 |
|
680к |
|
C1
Uвх
VT1 Rн
10к
Рисунок 6.1
RфСф – фильтр в цепи питания, за счет Rф действует ООС по постоянному току, стабилизирующая режим работы VT1; RК – сопротивление коллекторной цепи, с помощью которого формируется переменная составляющая напряжения на коллекторе VT1;
Rн – сопротивление нагрузки;
RБ – базовое сопротивление, задающее режим работы транзистора по постоянному току;
С1, С2 – разделительные конденсаторы.
1. Определим координаты рабочей точки транзистора U0 = UКЭ и I0 = =IК. Для этого запишем систему уравнений, связывающих токи и напряже-
ния транзистора в рабочей точке: |
|
|
|
||||
|
|
|
E = Rф(I0 + IБ )+ RКI0 + U0 ; |
|
|||
|
|
E = Rф(I0 + IБ )+ RБIБ + UЭБ; |
|
||||
|
|
|
I0 = βIБ. |
|
|||
Полагая β = 100 и UЭБ = 0,7 В, определяем: |
|
||||||
а) ток базы в рабочей точке |
|
|
|
||||
|
|
|
E −UЭБ |
15 −0,7 |
мкА; |
||
IБ = |
|
|
|
= |
|
=18,3 |
|
R |
Б |
+ R (1+β) |
680 +1 101 |
||||
|
|
ф |
|
|
|
||
б) ток коллектора в рабочей точке
I0 =βIБ =100 18,3 =1,83 мА;
в) напряжение между коллектором и эмиттером VT1
U0 = E − Rф(I0 + IБ )− RКI0 =15 −1(1,83 +0,02)−5 1,83 = 4 В.
Сопротивление выходной цепи постоянному току
R= ≈ RК + Rф = 6 кОм.
54
Нагрузочная прямая постоянного тока проходит через точку Е =15 В на оси абсцисс и точку Iк= Е/R= = 15/6 = 2,5 мА на оси ординат (см. приложение Г). Отмечаем на характеристиках транзистора положение рабочей точки А.
Сопротивление выходной цепи переменному току
R |
|
= R |
|
|
|
|
R |
= |
5 10 |
= 3,33 кОм. |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|||||||||
|
~ |
|
К |
|
|
|
н |
5 +10 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Через рабочую точку А и точку U КЭ = U0 + R~ I0 = 6,1 В на оси абсцисс проводим нагрузочную прямую переменного тока.
2. Температурная нестабильность коллекторного тока
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α |
U |
Т |
|
|
|
|
0,99 60 |
|
|
|
I |
К |
= S |
Т |
|
I |
Т |
− |
|
|
|
= 87 27,5 |
+ |
|
|
= 2400 |
мкА, |
|||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
681 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RБ + Rф |
|
|
|
|
||||||
где SТ = |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
= |
|
1 |
|
|
= 87 – |
коэффициент температурной не- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
α RБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
1− |
|
|
|
|
|
|
1− |
0,99 680 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
R |
|
+ R |
Б |
|
|
681 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
стабильности каскада;
IТ = I0 α=1,83(50 −30) 5 10−4 = 27,5 мкА – температурное смещение выходных характеристик транзистора;
UТ = −2 30 = −60 мВ – температурное смещение входных характеристик транзистора.
Вывод. Схема неработоспособна в заданном диапазоне температур. Транзистор с ростом температуры заходит в режим насыщения и перестает усиливать сигналы.
3. При построении эквивалентной схемы для средних частот закорачиваем E, C1, C2, Cф, а транзистор заменяем его эквивалентной схемой
(рис. 11.2).
|
rБ |
→ iБ |
βiБ |
|
|
« |
|
||
|
|
|
|
|
Uвх |
RБ |
rЭ |
RК |
R |
|
|
|
|
н |
↓ iЭ
Рисунок 6.2
55
Коэффициент усиления по напряжению
KU |
= |
β R~ |
|
|
= |
|
100 |
3,33 |
= 216 |
, |
|
rБ + rЭ(1 |
+ β) |
100 +14(1+100) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
где rЭ = 26
I0 = 14 Ом.
Входное сопротивление усилителя
Rвх = RБ 
[rБ + rЭ(1+ β)] = 1,53 кОм.
Выходное сопротивление каскада
Rвых = RК 
rК 
(1+ β) = 4,5 кОм.
56
7 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №2
Контрольная работа №2 предполагает выполнение задачи по анализу усилительного каскада на операционном усилителе.
Задание
1.Определить коэффициент усиления по напряжению на средних частотах.
2.Определить входное и выходное сопротивления.
3.Оценить полосу пропускания на уровне 3 дБ.
4.Оценить возможную ошибку смещения нуля и дрейф нулевого уровня на выходе операционного усилителя в диапазоне температур
(20…50)°С.
5. Характеристики и параметры ОУ приведены в приложении Д.
Варианты заданий
1. |
|
2. |
Uвх 2 к |
8 к |
20 к |
|
1 мкФ |
1 мкФ |
|
|
Uвх |
|
10 к |
5 к |
3. |
4. |
|
Uвх 1 мкФ 1 к |
|
10 к |
10 к |
|
|
|
1 мкФ
Uвх
|
|
|
5 к |
5 к |
|
||
|
|||
5 к
|
|
|
|
57 |
|
5. |
|
|
6. |
|
|
|
2 к 1 мкФ 10 к |
|
10 к |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх 10 к |
|
Uвх 1 мкФ |
|
2 к |
10 к |
5 к |
5 к |
|
|
7. |
|
|
8. |
|
|
|
|
|
5 к |
5 к |
|
5 к |
10 к |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 мкФ 5 к |
|
|
Uвх 1 мкФ |
|
Uвх |
5 к |
5 к |
5 к |
10 к |
|
|
|
9. |
|
10. |
|
1 к |
10 к |
1 к |
10 к |
|
|
1 мкФ |
1 мкФ |
|
|
|
|
Uвх 1 к |
|
Uвх |
|
|
10 к |
5 к |
5 к |
|
|
||
|
|
|
58
8 ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №2
Схема анализируемого усилителя приведена на рис. 8.1. Введены обозначения элементов. Влияние конденсатора С1 проявляется в том, что схема передает на выход с разными коэффициентами усиления постоянную и переменную составляющие Uвх.
1. На постоянном токе схема является повторителем напряжения. Переменная составляющая Uвх усиливается в
KОС = 1+ RR12 = 11 раз.
2. Входное сопротивление каскада
Rвх = R3 + rсф 
[rвх (1+ Kγ)] ≈ rсф = 100 МОм.
где А = 1+ Kγ = K
KОС = 9090 – глубина ООС.
3. Выходное сопротивление каскада |
|
R1 1к C1 1мкФ |
R2 10к |
R3 10к
Uвх
Rн
5к
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 8.1 |
|
|
|
|
Rвых = rвых |
А = 100 9090 = 0,01 Ом. |
||||||
4. Нижняя рабочая частота при Мн = 3 дБ |
|
||||||||
f |
н |
= |
ωн |
= |
1 |
|
= |
1 |
= 159,2 Гц. |
2π |
|
|
2π 103 10−6 |
||||||
|
|
|
2πR1С1 |
|
|||||
59
5. Верхняя рабочая частота при Мв = 3 дБ
fв = |
f1 |
= |
1000 |
= 90,9 кГц, |
KОС |
|
|||
|
11 |
|
||
где f1 = 1 МГц – частота единичного усиления. 6. Ошибка смещения нуля
Uвых сдв ≤Uсм + I+R3 − I−R2 .
Так как R3=R2, можно упростить это выражение
Uвых сдв ≤Uсм + |
IвхR2 = 5 +1 10 =15 мВ. |
7. Дрейф выходного напряжения |
|
Uвых др ≤ δUсм T +δ Iвх |
T R2 = 50 30 +5 30 10 = 3000 мкВ. |