Физические основы электроники (стр. 3 из 8)
Литература: [5, с. 183 – 186].
3. Усилители и аналоговые ИМС
3.1. Общая характеристика усилителей
Классификация. Характеристики и параметры усилителей. Обратные связи в усилителях. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь.
Методические указания
Устройства, усиливающие мощность входного сигнала за счет энергии источника питания называются электронными усилителями. В электронном усилителе имеется два канала: информационный канал и энергетический канал. По первому от входа к выходу передается информация за счет энергии, поступающей по второму каналу от источника питания (ИП). Все усилители делятся на усилители мгновенных значений сигнала и усилители действующих или средних значений сигнала. Здесь будем рассматривать только усилители мгновенных значений.
Свойства усилителей определяются их характеристиками и параметрами. Основной параметр усилителя коэффициент усиления (коэффициент передачи) усилителя. Линейные (частотные) искажения являются важнейшим показателем качества усилителей. Это такие искажения, при которых сохраняется форма синусоидального входного сигнала, но коэффициент усиления изменяется при изменении частоты. При этом, если входной сигнал несинусоидален, то выходной сигнал будет отличаться и по форме. Линейные искажения определяются по амплитудно-частотной характеристике. Нелинейные искажения определяются амплитудной характеристикой (АХ). Нелинейные искажения возникают, когда усилитель начинает работать на нелинейных участках АХ, и форма выходного сигнала начинает отличаться от формы входного синусоидального сигнала. Когда сигнал на входе имеет произвольную форму, то пользуются понятием передаточная характеристика.
Обратная связь - это передача части мощности с выхода или промежуточного звена на вход. Обратите внимание на преимущества отрицательных обратных связей и их широчайшее применение. Обратите внимание на нецелесообразность применения положительной обратной связи в усилителях.
Литература: [1, с. 239 – 247; 2, с.. 59 – 67].
Контрольные вопросы
1. Что такое коэффициент усиления (коэффициент передачи)?
2. Что можно определить по АЧХ?
3. Что можно определить по амплитудной или передаточной характеристике?
4. Какие параметры и характеристики относятся к информационному, а какие к энергетическому каналу?
5. Что такое ОС?
6. Что такое коэффициент передачи цепи ОС?
7. Преимущества и недостатки ООС.
8. Преимущества и недостатки ПОС.
3.2. Усилители переменного тока
Одиночные усилительные каскады. Схема стабилизации рабочей точки покоя. Каскад с общим эмиттером. Схема замещения. Каскад с общим коллектором.
Многокаскадные усилители. Паразитные связи. Помехи. Методы борьбы.
Методические указания
Усилители переменного тока служат для усиления сигналов, в которых нет постоянной составляющей. Усилительный каскад с общим эмиттером требует из-за нетермостабильности применения схемы стабилизации рабочей точки покоя. Двухкаскадный усилитель переменного напряжения с емкостной связью представляет собой два каскада с общим эмиттером, соединенных через конденсатор.
Паразитные обратные связи возникают благодаря передаче энергии электромагнитного поля с выхода на вход, в частности через паразитные емкости и взаимоиндуктивности, а также из-за внутреннего сопротивления источника питания. Методы борьбы с паразитными обратными связями: правильное взаимное расположение элементов, экранирование и применение развязывающих фильтров.
Литература: [1, с. 247 – 253; 2, с. 68 – 74].
Контрольные вопросы
1. Как стабилизировать рабочую точку покоя?
2. Как определить коэффициент усиления каскада с ОЭ?
3. Как определить АЧХ каскада с ОЭ? Как можно влиять на нее?
4. В чем состоят преимущества каскада с ОК?
5. Как строятся многокаскадные усилители переменного тока?
3.3. Усилители постоянного тока
Назначение и особенности усилителей постоянного тока (УПТ). Трудности согласования каскадов. Дрейф нуля и методы его уменьшения. Классификация усилителей.
Усилители с промежуточным преобразованием. Модулятор. Демодулятор. Усилители прямого усиления и элементы аналоговых ИМС. Дифференциальный усилительный каскад. Каскад сдвига уровня. Каскад усиления мощности.
Методические указания
УПТ - это усилитель с полосой пропускания, включающей нулевую частоту. УПТ очень широко применяются в системах автоматического регулирования. В УПТ применяется гальваническая связь каскадов. Из-за этого возникает ряд проблем:а) трудность согласования потенциалов соседних каскадов, трудность независимого выбора рабочей точки покоя;б) нестабильность выходного сигнала при изменении напряжения питания, температуры, параметров элементов, получившая название дрейф нуля. Обратите внимание на причины и пути уменьшения дрейфа нуля.
Дифференциальный (балансный) усилительный каскад (ДУ) имеет ряд преимуществ: входной сигнал подается относительно земли, малый дрейф нуля, ослабляется синфазный сигнал, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, так как помехи одновременно поступают на оба входа.
Выходной каскад усиления мощности с заземленной нагрузкой обеспечивает усиление мощности. При этом выходной сигнал снимается относительно земли. Эти каскады являются основой создания операционных усилителей.
Литература: [1, с. 253 – 258; 2, с. 74 – 80].
Контрольные вопросы
1. В чем состоят особенности УПТ?
2. Что такое дрейф нуля и как с ним бороться?
3. Как в дифференциальном усилительном каскаде уменьшается дрейф нуля без уменьшения коэффициента усиления?
4. Что такое коэффициент передачи дифференциального и синфазного сигнала?
5. Каков недостаток дифференциального усилительного каскада и как с ним борются?
6. Как работает усилитель мощности с заземленной нагрузкой?
3.4 Аналоговые ИМС и устройства на их основе
Классификация. Операционные усилители. Характеристики и параметры. Схемы замещения. Инвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель. Повторитель. Интегратор. Компаратор. Регенеративный компаратор (триггер Шмидта). Мультивибратор. Элементы расчета схем. Частотные свойства.
Методические указания
Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока прямого усиления с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения математических операций. Обратите внимание на передаточные характеристики ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам. Современные ОУ характеризуются очень высоким коэффициентом усиления (ku=103...107) и очень большим входным сопротивлением (
до 107 Ом). При анализе схем с ОУ обычно применяют допущения, существенно упрощающие расчеты:1) входное сопротивление
, оно действительно велико, см. выше;2) напряжение непосредственно на входе в точке суммирования
. Оно мало по сравнению с выходным и с входным напряжениями, т.к. ku очень велико).Чтобы ОУ выполнял различные операции, его по-разному включают, охватывают различными обратными связями. Коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя определяется отношением резисторов и не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя. Нужно уметь определить какой сигнал будет на выходе интегратора, если известен сигнал, подаваемый на вход.
Компаратор - это устройство для сравнения двух сигналов. Недостаток компаратора – низкая помехоустойчивость. Это вызвано тем, что помеха накладывается на полезный сигнал и вызывает многократные ложные переключения. Регенеративный компаратор применяется для повышения помехоустойчивости. Передаточная характеристика регенеративного компаратора имеет петлю гистерезиса. Преимущества регенеративного компаратора: большая помехоустойчивость и быстрое переключение. Недостаток: меньшая точность.
Мультивибратор - это генератор прямоугольных колебаний. Нужно уметь путем изменения параметров схемы повлиять на частоту мультивибратора.
Литература: [1, с. 258 – 267; 2, с. 80 – 89].
Контрольные вопросы
1. Обоснуйте допущения, принимаемые при расчете схем на основе ОУ.
1. Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) инвертирующего усилителя?
2. Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) неинвертирующего усилителя?
3. Как определить коэффициент усиления повторителя?
4. Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается знакопеременный прямоугольный входной сигнал?
5. Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается серия однополярных прямоугольных импульсов?
6. Как работает компаратор?
7. В чем преимущества регенеративного компаратора перед простым компаратором? В чем его недостаток?
8. Поясните временные диаграммы мультивибратора. Как можно изменить частоту?
4. Цифровые ИМС (ЦИМС)
Общая характеристика ЦИМС. Классификация. Типы логических схем и их сравнение. Элементы алгебры логики.
Комбинационные ЦИМС. Схемы ДТЛ и ТТЛ. Характеристики и параметры