Добавил:

Morze Developer Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский технический университет связи и информатики

Предмет:

Основы компьютерного анализа электрических цепей

Файл:

Лабораторные практикумы / 2 Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемных устройств

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.01.2024

Размер:

18.99 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 / 6643 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 > Следующая >>>

Рис.9.39

Повторите эксперимент при изменении сопротивления потенциометра Х7.R1 в пределах от 1 кОм до 90 кОм с шагом в 10 кОм. Распечатку результатов вычислений (аналог рис.9.39) приложите к отчету. Для удаления надписей в окне результатов, соответствую-

щих некоторым значения сопротивления R1, выберите команду (рис.9.4.19) (Select Mode) и затем, наведя курсор на удаляемую надпись, активизируйте ее нажатием на левую кнопку мыши (подсвечивается красным цветом) и удалите, выбрав на строке инструмен-

тов пиктограмму (рис.9.4.20).

4.2.2.2 Регулирование АЧХ в области верхних частот

Характер изменения АЧХ регулятора тембра, реализованного по схеме (рис.9.40), проводится аналогично исследованию, поведенному для области НЧ.

Рис.9.40

420

Отличие состоит в задании условий варьирования потенциометра Х3.R1, максимальное значение которого составляет 18 кОм (рис.9.40).

Амплитудно-частотные характеристики регулятора тембра в логарифмическом масштабе для различных положений движка потенциометра Х3.R1 и условия изменения приведены на рис.9.41.

Рис.9.41

Повторите расчет при вариации сопротивления R1 потенциометра Х3.R1 начиная

(рис.9.4.21) с 500 Ом, до (рис.9.4.22) 18 кОм, с шагом (рис.9.4.23) в 2 кОм.

Распечатку результатов расчета приложите к отчету.

4.2.2.3 АЧХ регулятора тембра с наибольшим подъемом в области нижних и верхних частот одновременно

Используя семейство АЧХ регулятора при изменении резистора R1 потенциометра Х1 отмечаем, что наибольший подъем АЧХ реализуется при значении R1 = 100 кОм. Заменив потенциометр делителем из двух резисторов R3 = 1 кОм и R4 = 99 кОм, трансформируем принципиальную схему регулятора тембра (рис.9.42).

(Примечание: замена регулятора Х1.R1 делителем из двух резисторов R3, R4 обусловлена невозможностью варьирования одновременно двух компонентов схемы в МС9.demo)

421

Рис.9.42

Для получения наибольшего подъема АЧХ в области верхних частот необходимо выбрать, используя результаты анализа пункт 2.2.6.2, значение резистора R1 потенциометра

Х3 и исключить режим (рис.9.4.1). Для этого, выполнив последовательно

Analysis, AC…, ОК, AC Analysis Limits, Stepping, войдем в подменю (рис.9.43)

Рис.9.43

и получим результирующую АЧХ регулятора тембра, соответствующую выбранным значениям положения регуляторов.

Повторите расчет АЧХ регулятора тембра, выбрав значения сопротивления варьируемых потенциометров, соответствующих наибольшему подавлению в области НЧ и ВЧ (полосовой фильтр) для значений резисторов в модели потенциометра, полученных в результате самостоятельного моделирования. Распечатку результатов моделирования приложите к отчету.

422

5 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

•наименование и цель работы;

•принципиальную схему активного ФНЧ и регулятора тембра;

•таблицу 1, с результатами расчета и эксперимента;

•АЧХ регулятора тембра при раздельном регулировании в области верхних и нижних частот;

•АЧХ полосового фильтра на основе регулятора тембра.

6 Контрольные вопросы

1.Изобразите схему активного ФНЧ и поясните назначение отдельных элементов.

2.Изобразите схему регулятора тембра и поясните назначение отдельных элементов.

3.Поясните назначение регулятора тембра и возможность эквалайзера построения на их основе.

4.Поясните способы включения ОУ и их особенности.

5.Изобразите схему активного ФНЧ с использованием звена первого порядка.

6.Изобразите схему построения активного ФНЧ второго порядка с применением неинвертирующего включения ОУ.

7.Поясните возможные способы реализации катушки индуктивности в интегральном исполнении.

8.Что такое конвертор сопротивлений? Изобразите его схему.

9.Изобразите возможные способы построения гираторов.

10.Изобразите схему активного фильтра на основе ОУ и поясните влияние ПОС в схеме фильтра.

7 Краткие теоретические сведения

7.1 Простейшие применения ОУ

Основные свойства ОУ Операционные усилители, представляют собой усилители с большим коэффициентом

усиления, особенно реализованные на ОУ, применяемые для выполнения аналоговых математических операций. Для большинства приложений ОУ обладают следующими характеристиками:

—коэффициент усиления без ОС бесконечно велик ( реальное значение К = 104…105),

—входное сопротивление равно бесконечности (типичное значение R вх ≈ 2 Мом),

—выходное сопротивление равно нулю (типичное значение R вых ≈ 75 Ом).

На входной каскад УО, традиционно реализованный как дифференциальный, на БТ или ПТ необходимо подавать некоторое постоянное опорное напряжение и обеспечивать протекание небольшого тока (рис.9.44).

423

Рис.9.44

Для этого каждый из входов подключают через большое сопротивление на “землю”, обеспечивая протекание постоянного тока. В идеальном случае требуется обеспечивать равенство начальных входных токов

I 1 = I 2 (9.1)

в том числе, при наличии цепи обратной связи. На практике следует добиваться выполнения равенства (9.1) с точностью, не превышающей разности начальных токов, называемых токами смещения, и обусловленных технологическими особенностями и типом входных транзисторов (БТ, ПТ).

Кроме того, вместе действующим напряжением, на входе ОУ существует собственное напряжение смещения (см. описание модели ОУ), составляющее единицы милливольт (К140УД7). Включение на входах ОУ резисторов R1 и R2 , обладающих большим сопротивлением (сотни килом), создает за счет протекания токов смещения напряжение, сравнимое с величиной входного воздействия. Это требует ограничения предельного значения сопротивлений на входах (для К140УД7, не более 500 кОм).

Важным условием для сохранения стабильности параметров ОУ является обеспечение малой зависимости токов смещения и начальных токов от температуры. Дрейф тока смещения всего 1 нА/оС (К140УД7) вызывает заметное изменение выходного напряжения. Уменьшение величины входных токов обеспечивают применением на входе ОУ дифференциального каскада на ПТ. В этом случае входной ток смещения составляет 200 пА (К140УД8В,[6]), а разность входных токов 10 пА. Однако, уменьшение тока смещения, обусловленное применением ПТ, из-за технологической сложности получения двух идентичных ПТ, приводит к увеличению входного напряжения смещения, которое более чувствительно к изменению температуры, чем у БТ.

Реализация на ОУ усилителей постоянных токов требует обеспечения нулевого выходного напряжения при отсутствии входного воздействия, даже при наличии реально существующих на его входе напряжений и токов смещения. Для реальных значений коэффициента усиления ОУ (примерно 1000), существование напряжения смещения на входе всего 1 мВ создает выходное напряжение порядка одного вольта, что недопустимо. Устранение этого явления добиваются применением схем балансировки (рис.9.45) при использовании корпуса с 8 выводами.

424

Рис.9.45

Схема балансировки состоит из потенциометра R3 (К140УД7), позволяющего компенсировать напряжения смещения величиной примерно ± 25 мВ.

Для усиления только переменных сигналов на входе включают разделительный конденсатор, устраняющий взаимное влияние постоянных составляющих устройств. Собственная постоянная составляющая, изменяющая положение рабочей точки активных элементов в схеме ОУ, определяет предельные значения выходного сигнала, обусловленные переходом транзисторов в режим ограничения.

Неинвертирующий усилитель

Схема простейшего неинвертирующего усилителя постоянного тока с последова-

тельной ООС по напряжению приведена на рис.9.46.

Рис.9.46

Сигнал обратной связи с выхода подается на инвертирующий вход ОУ, т.е. по сути, вычитается из входного сигнала, поступающего на неинвертирующий вход. Входная цепь рассчитана на подключение усилителя к источнику сигнала с малым выходным сопротивлением, что обеспечивает протекание начального тока между входом и землей. Резистор R1 предназначен для выравнивания токов между каждым из входов и землей. При этом включение R1 практически не ослабляет входной сигнал, вследствие того, что входное сопротивление ОУ, охваченного ООС, составляет десятки и даже сотни мегаом, что на несколько порядков больше R1. Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель, величина выходного сопротивления которого, может составлять насколько Ом. Реально подключаемая к выходу ОУ нагрузка составляет значение не менее 1 кОм, так как ее уменьшение ограничено энергетическими показателями транзистора и сужением динамического диапазона усилителя. Подбором значений резисторов R1…R3 можно обеспечить единичный коэффициент усиления неинвертирующего усилителя. Поэтому его часто называют повторителем напряжения.

425

Применение неинвертирующего ОУ в качестве усилителя переменных сигналов

(рис.9.47)

Рис.9.47

предполагает включение разделительного конденсатора С1 на его входе. Резистор R1 обеспечивает протекание начального тока ОУ, шунтируя вход схемы, что снижает его высокое входное сопротивление. Для уменьшения шунтирующего действия R1 его выбирают возможно большим, одновременно, снижая напряжение смещения на выходе ОУ. Исключить появление напряжение смещения на выходе ОУ можно, включив последовательно разделительный конденсатор.

Другим вариантом уменьшения напряжения смещения на входе ОУ является включение конденсатора последовательно с резистором R2. Это обеспечивает коэффициент усиления ОУ по постоянному току равный единице, при большом коэффициенте усиления по переменному току. Одновременно это позволят сделать R1 таким же большим как R3, что не приведет к большому напряжению смещения.

Инвертирующий усилитель

Подавая сигнал на инвертирующий вход ОУ получаем инвертирующий усилитель, фаза выходного сигнала которого, сдвинута на 180о по отношению к фазе входного. Резисторы R1, R2, как и в схеме неинвертирующего усилителя, обеспечивают протекание начальных токов (R1 обеспечивает их равенство), а R3 (рис.9.48) организует параллельную ООС по напряжению, поскольку напряжение обратной связи подается параллельно

Рис.9.48

с входным на один и тот же вход. Инвертирующие усилители широко применяются в аналоговых устройствах для выполнения математических операций (сумматоры, интеграторы, дифференциаторы).

426

Влияние параллельной ООС рассмотрим в предположении, что ОУ обладает идеальными характеристиками:

—коэффициент усиления без обратной связи К→∞ ,

—входное сопротивление Zвх = ∞ ,

—выходное сопротивление Zвых = 0.

Точку подключения входного напряжения и напряжения ОС (точка Е) для идеального ОУ называют мнимой землей. При Zвх = ∞ разность потенциалов между входами усилителя становится пренебрежимо малой: с точки зрения сигнала инвертирующий вход и неинвертирующий вход имеют и тот же нулевой потенциал (начальные токи отсутствуют, а входное сопротивление ОУ равно бесконечности). Поскольку точка Е является мнимой землей, то входное напряжение Uвх приложено к резистору R1, поэтому входное сопротивление ОУ равно R1: это единственное сопротивление между входной клеммой и землей.

Входной ток iвх =Uвх / R1. Ток через резистор ОС R3 определяется разностью потенциалов между выходной клеммой и мнимой землей, т.е. Uвых. С учетом направления тока iос = −Uвых / R3 . Поскольку входное сопротивление ОУ бесконечно велико, то i ос = iвх,

аследовательно,

−UR3вых = UR1вх ,

Отсюда


K oc =	U		вых = −		R3	(9.2)


		U		вх	R1

Зависимость коэффициента усиления инвертирующего ОУ от входного сопротивления

исопротивления ОС позволяет использовать его как:

—инвертор (R1= R3) без изменения величины сигнала,

—усилитель/умножитель (R1/R3= k).

7.2 Частотно — селектирующие цепи

Фильтры с применением конверторов сопротивлений

Фильтры различного назначения (фильтры низких частот, фильтры высоких частот, полосовые фильтры) при дискретном исполнении узлов радиотехнической аппаратуры выполняются с применением RLC компонентов. Наиболее технологически несовершенными являются катушки индуктивности: достаточно громоздки и практически не реализуемы при интегральной технологии, весьма чувствительны к воздействию внешних электромагнитных полей. Катушки индуктивности в диапазоне частот примерно до 10 МГц могут быть выполнены с применением конверторов (инверторов) сопротивлений. Инвертором сопротивления называют активный четырехполюсник (четырехполюсник, организованный с применением усилительных устройств), входное сопротивление которого Z вх обычно пропорционально сопротивлению нагрузки Z н четырехполюсника

Z вх = ки / Z н,	(9.3)
где ки [B/A2] – коэффициент инверсии.

Инверторы сопротивления могут быть выполнены с положительным коэффициентом инверсии ки > 0 (положительная инверсия) и с ки < 0 – отрицательная инверсия. Отрицательная инверсия позволяет реализовать инвертеры сопротивления на двухполюснике, эквивалентные индуктивности (рис.9.49).

427

Рис.9.49

В этом случае происходит включение вместо реальной индуктивности фильтра его эквивалента, реализованного с помощью конвертора (инвертора) сопротивления.

В этой схеме, называемой гиратором, нагрузкой является конденсатор С н, т.е.

Zвх = к и / Z н = jω С н к и = jωLэкв .

Проводя анализ схемы гиратора как усилителя, охваченного обратной связью, и вычисляя значение коэффициента петлевого усиления в режиме холостого хода и короткого замыкания [4] получаем

Z вх = (R+1/ jωCн) jCн / g21 = rL + jωLэкв

(9.4)

Соотношение (9.4) показывает, что входное сопротивление является индуктивностью

L экв = RCн /g 21

с потерями
r L = 1/ g 21,
обладающей на заданной частоте собственной добротностью
Q = 2πfRCн.	(9.5)

Соотношение (9.5) показывает, что в области низких частот сложно реализовать индуктивность с высокой добротностью, определяющей крутизну АЧХ фильтра.

Построение гираторов по рассмотренной выше схеме (рис.9.6) является наиболее простым способом их реализации. Для построения высококачественных гираторов применяют схемы на основе двух встречно включенных усилителей с высокими значениями как входного, так и выходного сопротивления. Усилители такого типа называют источниками тока, управляемыми напряжением (ИТУН). Пример функциональной схемы гиратора, реализованного на ИТУН, приведен на рис. 9.50

Рис.9.50

Усилитель ИТУН-1 выступает в качестве неинвертирующего преобразователя напряжение – ток, с крутизной преобразования g1. Другой усилитель ИТУН-2 с крутизной преобразования g 2 является инвертирующим усилителем. Положительный потенциал на его входе u н вызывает появление на его выходе тока i 2. Выходное сопротивление такого гиратора определяется [4]

Z вх = uвх/ iвх = uвх / i2 = uвх / g2uн = j ωCн /g1 g2 = j ωLэкв , 428

где Lэкв = Сн / g1g 2.

В схеме (рис.9.6) преобразователь ток – напряжение (ИТУН-1), реализован на резисторе R, т.е. является цепью с крутизной g1 = 1/R.

Основным затруднением, препятствующим широко применению активных преобразователей сопротивления, является ограничение уровня входного сигнала, поскольку при сильных сигналах ИТУН вносят значительные нелинейные искажения.

Активные фильтры низкой частоты

Широкое распространение получили фильтры, реализованные на ОУ с частотноза- висимой ОС. Такие конструкции, содержащие усилитель и цепь ОС получили название активных фильтров. Они позволяют исключить применение катушек индуктивности, которые громоздки, не пригодны при интегральной реализации схем, особенно в области низких частот. При этом они обладают достаточно высокой избирательностью, за счет компенсации потерь энергии в RC — фильтрах благодаря включению в схему усилительного элемента (ОУ). Фактически активные фильтры являются недовозбужденными усилителями.

Активные RС – фильтры, несмотря на преимущества по сравнению с LC аналогами, обладают недостатками, обусловленными включением в схему фильтра усилителя необходимостью источников питания, повышенным уровнем нелинейных искажений, пониженной надежностью, ограничением динамического диапазона сигнала.

Построение фильтров чаще всего основано на каскадном соединении базовых звеньев первого или второго порядков. Звенья ФНЧ и ФВЧ первого порядка на основе пассивных RC — цепей и усилителя (ОУ), чаще всего включаются на выходе усилителя. При использовании инвертирующего усилителя на основе ОУ их включают в цепь ОС, обеспечивая функцию усиления при минимальном числе деталей в схеме фильтра.

Вариант построения активного ФНЧ с использованием звена первого порядка (содержит один конденсатор) представлен на рис.9.51а

а)

б)

Рис.9.51

На вход ОУ в инверсном включении подается входной сигнал и напряжение ООС с помощью RC – цепи. Усилитель постоянного тока на основе ОУ обладает постоянным коэффициентом передачи в области низких частот, а с ростом частоты сопротивление цепи ОС уменьшается, что увеличивает напряжение ООС на входе ОУ, а значит — снижение коэффициента передачи, асимптотически стремящегося к уменьшению на 20 дБ на декаду (рис.9.51,б). Точка пересечения двух асимптот определяет частоту полюса передаточной функции в операторной форме.

Вариантом построения активного ФНЧ второго порядка с применением неинвертирующего включения ОУ с малым коэффициентом усиления, является схема Саллена и Кея

(рис.9.52).

429

<<< < Предыдущая 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 / 6643 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Лабораторные практикумы