Цель работы: Познакомиться с работой неинвертирующего усилителя переменного напряжения на базе операционного усилителя. Приобрести навыки компьютерного моделирования этого элемента
радиоэлектронных устройств с помощью программы EWB.
Приборы и материалы: ПК, дискета 3,5``,
Краткая теория. В схеме усилителя напряжения переменного тока, приведённой на данной картинке, сигнал подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя µА741 (140УД7). Схема является неинвертирующим
усилителем, коэффициент усиления которого в пределах полосы пропускания равен
Вид усилителя в окне программы EWB.
Основные характеристики любого усилителя следующие:
Полоса пропускания – диапазон частот выходного сигнала, в пределах которого по краям уровень усиленного сигнала снижается не более чем на
АЧХ – амплитудно – частотная характеристика показывает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты, то есть зависимость коэффициента усиления от частоты.
ФЧХ – фазо – частотная характеристика показывает зависимость угла фазового сдвига выходного сигнала по отношению к входному от частоты.
Коэффициент нелинейных искажений (гармоник) – это искажения, вызванные появлением в выходном сигнале высших гармоник, которых не было в спектре входного сигнала. Это обусловлено нелинейностью ВАХ активных
элементов в усилителях. Вычисляется по формуле
где U1 – амплитуда основного колебания, а U2, U3…Un амплитуды высших гармоник.
Порядок выполнения работы. Выполняется компьютерное моделирование. Включите компьютер, загрузите программу EWB, откройте файл «неинвертирующий усилитель.ewb». Путь к файлу диск С: \ Program Files \ Ewb512 \ Circuits \ схемы \ неинвертирующий усилитель.ewb. Запустить процесс симуляции щелчком левой кнопки мышки по выключателю,
расположенному в верхнем правом углу экрана. Активируйте осциллограф, щелкнув левой кнопкой мышки по его значку в схеме и выбрав в появившемся меню пункт «Open» (открыть).
Аналогично активируйте генератор функций. С помощью
мышки выставьте на генераторе частоту 100 Гц. У осциллографа настройте вертикальное отклонение каждого из лучей, скорость развёртки, смещения по осям Х и Y так, чтобы одновременно наблюдать сигнал на входе и на выходе схемы усилителя. Использование двухлучевого осциллографа в данном случае очень удобно, так как позволяет видеть фазовые соотношения между входным и выходным сигналами. Входной сигнал синего цвета сдвиньте в верхнюю
половину экрана, а выходной красного цвета – в нижнюю. Если выходной сигнал идёт с ограничением (в форме трапеции), то надо убавить амплитуду входного сигнала на генераторе функций. Для удобства сравнения амплитуд входного и выходного сигналов надо нажать кнопку «Expand» (расширить) и
развернуть осциллограмму во весь экран.
Посчитав амплитуды по клеткам, убедитесь, что выходной сигнал больше входного, то есть имеет место усиление. Последовательно измените сопротивление резистора R3 в цепи отрицательной обратной связи, увеличив
его сначала до 500 кОм, а затем до 1МОм. Как изменилось при этом усиление схемы ? Как это можно объяснить с точки зрения теории обратной связи? Соответствуют ли коэффициенты усиления схемы расчётной формуле?
Теперь посмотрим АЧХ и ФЧХ нашего усилителя. Для этого сверните осциллограф кнопкой «Reduce» (уменьшить), затем и вовсе закройте его. Для снятия АЧХ и ФЧХ используйте меню «Analysis» (анализ), пункт АС – frequency (анализ по переменному току).
Для оценки нелинейных искажений можно использовать
окно гармонического анализа Фурье. Исследуйте спектральный состав выходного сигнала усилителя при разных коэффициентах усиления. Какое влияние оказывает обратная связь на нелинейные искажения?
Строка «Total harmonic distorsions» (общие гармонические искажения) показывает коэффициент
нелинейных искажений.
Сохраните осциллограммы, спектрограммы, АЧХ и ФЧХ
на дискете для отчёта.
Контрольные вопросы
1. Почему данная схема усилителя называется неинвертирующей?
2. На какой вход подаётся сигнал в неинвертирующем усилителе?
3. Какими элементами схемы определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению?
4. Подумайте о роли конденсаторов в данной схеме.
Приложение №2
Пример расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе
Постановка задачи
Построение однокаскадного высокочастотного транзисторного усилителя для использования в модуляторе по схеме с общим эмиттером с термостабилизацией, резистивно-емкостными связями.
Входные данные:
; ; ;
;
; S<10.
Аппроксимированные основные характеристики транзистора при T=25
Обратный ток коллектора не более:
Статический коэффициент передачи тока базы при напряжении коллектор-эмиттер
5В и токе коллектора 10 mA
Можно определить по кривой из документации: но очень неточно
Коэффициент передачи тока эмиттера:
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер:
Максимальный постоянный ток коллектора:
Наибольшая рассеиваемая на коллекторе мощность:
Обратный ток эмиттера
Расчет по постоянному току.
Выбираем рабочую точку:
Задаем среднюю комнатную температуру
И по ней вычисляем температурный потенциал
Задаем максимальное входное напряжение:
Физические параметры транзистора в рабочей точке (определены по входным и выходным ВАХ):
Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:
Входное сопротивление транзистора (по ВАХ):
Рассматривая эмиттерый переход как диод, вычислим rэ:
Коэффициент передачи обратной связи по напряжению:
Объемное сопротивление базы:
Малосигнальные параметры (определены по ВАХ):
Частотные характеристики (по характеристикам):
Максмальная частота генерации
Напряжение питания каскада (без Rф):
Учитывая что падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть порядка 0.1 Eк, получим
Принимая во внимание, что R0=30-100Ом а также требуемое Rвх, получаем:
Учитывая выходные параметры в рабочей точке , получим Rк
Далее проверим, получим ли мы требуемое выходное сопротивление
Учитываем Rвх и то, что Rб=2..5rвх
Проверим выполняются ли требуемые условия по температурным свойствам для выбранных номиналов Rэ и Rб:
Коэффициент нестабильности должен быть S<10
Коэффициент токораспределения базы:
Коэффициент температурной нестабильности:
Как видим S удовлетворяет заданному условию
Учитывая параметры рабочей точки получим R1 и R2
R1/(R2+R1)=Uбк/Eк, R1||R2=Rб
2. Упрощенный расчет каскада по постоянному току для для других схем
1. Примитивная схема
2. Термостабилизация резистором в эмиттерной цепи
3. Термостабилизация резистором между базой и коллектором
4. Термостабилизация резистором между базой и коллектором и резистором в эмиттерной цепи.
4. Входные и выходные характеристики схемы
Смотри далее
Максимальный входной ток
Максимальная потребляемая от генератора мощность
Мощность рассеиваемя на коллекторе в рабочей точке
Максимальная мощность
Напряжение на выводах
5. Параметры пассивных элементов схемы
Ток базового делителя
Выбираем номиналы резисторов: R1 1Вт, и R2 1 Вт
Выбираем номиналы резисторов Rэ 1.5Вт и Rк 1.5Вт
Расчет по переменному току
Область средних частот.
Вычисляем входное/выходное сопротивление, коэффициенты передачи по напряжению:
Коэффициенты передачи по току, уточнение коэффициента токораспределения базы
На переменном токе
Учитывая обратную связь, найдем Rвх, Ku и Ki
<-- Не учтено Rб
<-- Учли ОС по току
<-- Учли эк
<-- Учли ОС по току
Учитывая rк', вычислим параметры.
Получим эквивалентный КП
Область низких частот и больших времен.
1. Обеспечим fн=30Гц
Положим (C1)=(C2)=(C3)
Выбираем ближайший номинал с запасом:
2. С1=С2=1мкФ, Сэ=10мкФ
5. Для заданных C' найти коэффициент спада
3. Находим коэффициенты спада вершины импульса для основной схемы
4. Обратная задача: по =0.1 определить C
6. АЧХ, ФЧХ
Здесь ' означает только то, что это функция - для удобства и чтобы не переобозначать Ku на Ku0
7. Переходная характеристика.
Область высоких частот и малых времен.
1. Вычисляем частотные характеристики
Эквивалентная постоянная времени
Постоянная времени на высших частотах
2,3. Время нарастания импульса
Время нарастания фронта импульса:
4. АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика
6. Вычисляем добротность.
Добротность транзистора
Эмиттерный повторитель.
1. Рассчет по постоянному току.
Учитывая параметры рабочей точки получим R1 и R2
R1/R2=Uб/E0, R1||R2=Rб
Коэффициент токораспределения базы:
Коэффициент температурной нестабильности:
2. Находим Rвх БЕЗ УЧЕТА Rб
При Rн= получаем Rвхmax
При Rн=Rвхоэ
При заданном Rн
3. Находим Rвх С УЧЕТОМ Rб
4, 6. Находим Ku искать будем с учетом Rб, Uвых=(1+)Iб[rк'||(rэ+Rэ||Rн)], найдем ток базы: Eг=IбRвх'+Rг(Iб+Iд), где Rвх' - входное сопротивление без делителя, Iд - ток через Rб. Поскольку Rб||Rвх', Iд=Iб*Rвх/Rб, и тогды: Eг=Iб*(Rвх'+Rг*(1+Rвх'/Rб)) и получим Ku
Ну а теперь найдем Kumax при Rг=0 и Rн=
что и следовало ожидать. На самом деле 1 благодаря ограничению точности, более точно
7. Находим Rвых
5. Найдем коэффициенты входа и выхода и через них Ku
8. Находим Uвхmin, Uвхmax
Из условия rэ<<Rэ||Rн (1) получим Uвхmin: положим rэ=0.1Rэ||Rн
Подставим в rэ=t/(Iэ0+Iэ) => Iэ=t/rэ-Iэ0
=>
Каскад с эмиттерным входом.
1. Рассчет по постоянному току.
2. Находим входные, выходные параметры.
Выходное сопротивление можно повысить увеличив Rк и напряжение Eк, но поскольку требуется использовать тот же источник питания, менять Eк мы не можем.
Каскад с эмиттерной связью.
1. Рассчет по постоянному току.
Для первого транзистора рабочую точку выберем такую же как и для ОЭ, а для второго ее придется немного сдвинуть, лучше конечно было бы взять другой Т2
Сначала посчитаем Rэ рассматривая первый транзистор, при этом учтем что через него текут эмиттерные токи обоих транзисторов
Падение напряжения на нем:
Теперь обеспечим Uбэa для второго транзистора. Базовый делитель второго транзистора R3R4 для удобства заменим эквивалентным резистором между базой и +E (там где R3); учтем что через R34 течет ток базы VT2
получили систему R3/(R3+R4)=UR34/Eк, R3||R4=R34
Посчитаем Rк:
2. Параметры усилителя
Выходное сопротивление
Входное сопротивление второго каскада
Входное сопротивление усилителя, с учетом что он нагружен на второй каскад
<--- без учета Rб
Каскод.
2. Рассчет по постоянному току.
Положим, что на Rэ падает 0.1Eк'
Вычислим Rк:
Дифференциальный каскад.
Будем рассматривать симметричную схему.
1. Рассчет по постоянному току.
Поскольку от Rэ будет зависеть КОСС, а температурные изменения в параметрах транзисторов одинаковы, выберем падение напряжения на Rэ побольше.
R1 и R2 посчитаем так же как в обычном ОЭ
2. Характеристики усилителя
Учтем, что Rвхд=2Rвхоэ
Для вычисления Ku потребуются
Получим эквивалентный КП
Тогда коэффициент усиления дифференциального сигнала
Коэффициент усиления синфазного сигнала
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Вы познакомились с азами аналоговой схемотехники, с базовыми элементами и узлами. Авторы надеются, что знание предмета «Основы схемотехники» при настойчивой постоянной и обязятельно большой самостоятельной практической работе, позволит Вам освоить современные радиотехнические системы.
Авторы.
Список литературы
1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – М.: Сов. Радио, 1980. – 424с.
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 622с.: ил.
3. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс). – М.: Горячая линия – Телеком, 2000. – 768с.: ил.
4. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники .- М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. – 448с.: ил.
Дешифраторы.
Дешифратор – Узел ЭВМ осуществляющий микрооперацию преобразования входного n-разрядного числа в выходной сигнал на одной из m выходных линий, где m=2^n Деш-р. – узел комбинационного типа. Если Деш-р все комбинации полностью, то он называется полным.
Три вида дешифраторов: Линейные, Пирамидальные, Многоступенчатые
Параметры дешифраторов:
- Время дешифрации
- Кол-во используемых логич. элм-ов
tдеш = t&(n вх)
V = 2^n - для n-входовых эл-ов
V*= 2^n (n-1) – для 2-х входовых эл-ов
tдеш = t&(n-1)
V* = 2(2n-2)
Удобно строится на 2-х входовых элементах.
Основные достоинства: использование только двухвходных элементов.
Недостаток: низкое быстродействие.
Y0 = ; Y1 = ; Y2 = ; Y3 = .
а) б)
Рис. Условное графическое обозначение дешифратора (а) и схема его реализации (б)
6. Мультиплексор – Уст-во комумтирующее в желаемом порядке информацию, поступающую с нескольких входных шин на одну выходную. Мультиплексоры обладают двумя группами входов и одним реже двумя – взаимодополняющими выходами. Одни входы информационные, другие управляющие. К ним относятся адресные и разрешающие входы.
У мультиплексоров, выпускаемых в виде самостоятельных изделий, число информационных входов не превышает 16. Большее число входов обеспечивается путем наращивания. Два сопособа наращивания: объединение нескольких мультиплексоров в пирамидальную систему, либо последовательным соединением разрешающих входов и внешних логических элементов. Пирамидальный характер состоит в том, что каждая ступень, начиная с первой, имеет больше входов, чем последующая. Младшие разряды кода адреса подаются на адресные входы первой ступени, а ступеням более высокого ранга соответствуют старшие разряды адресного кода. Недостатки: Много микросхем, невысокое быстродействие.
Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах.
Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства.
Рассмотрим функционирование четырехвходового мультиплексора (4→1), который условно изображен в виде коммутатора рис.,а, а состояние его входов D1, D2, D3, D4 и выхода Y приведено на рис. б. Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:
Y = D0( ) + D1(A0 ) + D2( A1) + D3(A0A1)
а) б)
Рис. Упрощенное представление мультиплексора в виде коммутатора (а) и таблица состояний мультиплексора (б)
Четырехвходовый мультиплексор: условное графическое обозначение (а) и его реализация на логических элементах (б)
7. Демультиплексор – устр-во в котором сигналы с одного информационного входа распределяются в желаемой последовательности по нескольким выходам. Выбор выходной линии осуществляется при помощи сигналов, поступающих на адресные входы. Бывают полными и неполными.
а) б)
Рис.. Таблица состояний демультиплексора (а) и его реализация на логических элементах (б)
Демультиплексоры в виде самостоятельных ИС не изготавливаются, т.к. их функции могут выполняться дешифратором, имеющим хотя бы один вход разрешения, который используется как информационный вход.
Если информационные входы и выходы обоих коммутаторов представляют линии, то такие коммутаторы называют линейными. Если же входы и выходы – шины, то получим шинные мультиплексоры и демультиплексоры.
; 
; 
;
;
; S<10.
; Y1 = 
; Y2 = 
; Y3 = 
.
) + D1(A0 
) + D2( 
A1) + D3(A0A1)
