magisterLec3 (Основы схемотехники)

2015-11-22СтудИзба

Описание файла

Файл "magisterLec3" внутри архива находится в папке "Основы схемотехники". Документ из архива "Основы схемотехники", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "схемотехника" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "схемотехника аэу" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "magisterLec3"

Текст из документа "magisterLec3"

Передаточная функция цепи. Полюса. Устойчивость цепи.

В общем случае для N узлов цепи (исключая узлы соединения с «землей» и питаниями) имеем систему N линейных относительно S уравнений. Передаточная функция цепи, найденная из этих уравнений, имеет вид:

H(S)= =

здесь m не может превышать n более, чем на 1 (см. теорию линейных цепей).

H(S) можно представить в виде:

H(S)=

Поведение системы в основном зависит от значений полюсов .

Будем в дальнейшем рассматривать аналоговые схемы, где появление собственных частот является паразитным эффектом, т.к. ухудшает переходные характеристики этих схем. Будем так проектировать схемы, чтобы (хотя это не всегда удается). Другими словами, нам нужны схемы с действительными полюсами. В этом случае сложную схему со многими узлами и с таким же количеством полюсов можно рассматривать как совокупность RC-узлов, причем обратное значение произведения низкочастотного активного выходного сопротивления R на суммарную выходную емкость C представляет круговую частоту полюса.

Рассмотрим дополнительные требования к полюсам, имея ввиду необходимость присутствия в системах 100%-й отрицательной обратной связи (см. рис. 3-1).

ЛАЧХ многополюсной системы приведен на рис. 3-2:

Для системы с ЛАЧХ приведенной на рис. 3-2 наличие 100%-й отрицательной обратной связи гарантированно означает генерацию на частотах, близких и превышающих , поскольку как в окрестности = , так, тем более, при > коэффициент усиления системы больше единицы. В общем случае многополюсной системы превышение над 1 при влечет проблемы в схемах со 100%-й обратной связью. Очевидно, что устойчивость схемы может быть гарантирована только при ЛАЧХ системы, приведенной на рис. 3-3.

Вплоть до = зависимость - такое же, как у системы с одним полюсом на частоте = , т.е. системы первого порядка. На частоте = , что гарантирует устойчивость системы при наличии обратной связи. Однако фаза многополюсной системы с ЛАЧХ, изображенной на рис. 3-3, отличается от фазы системы с одним полюсом, а именно, на частоте = уже может иметь запаздывание фазы, большее 90˚. В рассматриваемых нами устойчивых системах запаздывание фазы всегда меньше 180˚. Запас фазы (180˚- ) должен быть как можно ближе к 90˚.

Очевидно, что чтобы неосновные полюса системы с ЛАЧХ, подобной показанной на рис. 3-3, вносили меньший вклад в сдвиг фазы, необходимо иметь возможно более высокими частоты , , … неосновных полюсов, чтобы отношение этих частот к частоте единичного усиления было как можно больше. Это требование приближает поведение многополюсной системы к поведению однополюсной, всегда устойчивой и имеющую асимптотический переходной процесс.

Глядя на рис. 3-3 отметим, что для системы, которая при ведет себя как система 1-го порядка, отношение - низкочастотный коэффициент усиления. Это обстоятельство является одним из признаков гарантированно устойчивой системы 1-го порядка.

Далее отметим:

  1. Поскольку для усилителя с чисто емкостной нагрузкой , где - крутизна входного транзистора, а -выходное сопротивление входного узла, то для увеличения необходимо увеличивать как , так и . Отметим, что увеличение ведет к уменьшению частоты основного полюса и увеличению таким образом отношения . Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что тот единственный узел, который должен отвечать за параметры основного полюса, должен быть самым высокоомным в системе и выходным в каком-либо каскаде усиления.

  2. Остальные узлы, отвечающие за неосновные полюса, должны иметь как можно меньшее , чтобы частоты этих полюсов были как можно большими.

Следующие главы как раз будут посвящены анализу выходных сопротивлений схем различных конфигураций. Предстоит выяснять, являются ли полюса действительными и что нужно, чтобы это было.

Предварительно рассмотрим, каким основным требованиям должен отвечать операционный усилитель (ОУ), являющийся главным элементом обработки и преобразования аналогового сигнала.

Пусть ОУ будет гарантированно устойчивым, т.е. иметь передаточную функцию 1-го порядка. Эквивалентная схема такого ОУ приведена на рис. 3-4.

Передаточная функция K(S) такого ОУ имеет вид:

K(S)= (Здесь использовано известное соотношение: (см. выше) )

Проиллюстрируем поведение ОУ 1-го порядка с конечным коэффициентом усиления в двух представительных случаях применения ОУ:

  • в непрерывной схеме инвертирующего аналогового сумматора;

  • в схеме повторителя, реагирующего на скачок входного напряжения.

Аналоговый инвертирующий сумматор.

Уравнения Кирхгофа:

(1)

(2)

(2) подставляем в (1):

(1) в результате:

Проанализируем результат:

  1. Низкие частоты, S 0. Тогда (Нижний индекс «0» означает область низких частот) При , выражение для становится привычным: . Резюме: точность операции суммирования в области низких частот определяется максимальным низкочастотным коэффициентом усиления .

  2. Высокие частоты, S . Тогда

Очевидно, что идеальным (также и привычным) выражение для становится при увеличении и (или) .

Повторитель.

Схема повторителя приведена на рис. 3-1. Найдем передаточную функцию повторителя.

; пусть , тогда

Недоработка повторителя ( ) в момент времени t равна:

Для случая >>1:

Увеличение выходного сопротивления усилительного каскада как способ увеличения максимального коэффициента усиления . Каскодный усилитель.

Базовый усилительный каскад (сейчас и в дальнейшем будем по умолчанию подразумевать каскад с активной нагрузкой) содержит транзисторы обоих типов проводимости, и для увеличения необходимо найти метод увеличения выходных сопротивлений транзисторов обоих же типов. Метод будем иллюстрировать на примере транзисторов одного типа (например, N-типа). Для исключения влияния на результат транзисторов одного типа заменим идеальным источником тока. Рассмотрим такой усилительный каскад. Но где в исток входного транзистора включен резистор (см. рис. 3-6).

Будем рассматривать каскада на низких частотах, когда влиянием всех емкостей можно пренебречь. Эквивалентная схема каскада при расчете приведена на рис. 3-7.

Уравнения Кирхгофа:

(1)

(2)

Здесь и - крутизна и выходное сопротивление сток-исток входного NMOПТ. Решая систему, получаем: . Видно, что выходное сопротивление входного транзистора после включения в его истоковую цепь резистора цепь резистора как бы увеличилось более чем в раз.

Физическое объяснение эффекта следующее: при увеличении , растет ток в NМОПТ, как и положено в пологой области. Однако при этом увеличивается . Поскольку при расчете , то уменьшается , и ток через NМОПТ растет в меньшей степени, чем при отсутствии , т.е. при .

Очевидно, что для увеличения необходимо увеличивать , но при этом неизбежно уменьшается режимный ток и, соответственно, крутизна транзистора и быстродействие каскада (см. также Задание №3).

Единственно удачным решением является использование вместо транзистора того же типа проводимости в режиме источника тока (в пологом режиме). При этом эффективное значение резистора в истоке равно в пологом режиме, т.е. очень велико и приблизительно равно при равенстве параметров обоих транзисторов. Это решение ценно также тем, что входным транзистором каскада является именно нижний транзистор (см. рис. 3-8) со своей исходной крутизной, не уменьшенной из-за включения резистора в исток (см. Задание №3).

В таком каскаде транзистор NМОП2 называется каскодным. На его затворе всегда- постоянное напряжение . Усилительный же каскад называется каскодным.

Выходное сопротивление каскада: .

Низкочастотный коэффициент усиления каскада:

Отметим, что коэффициент усиления получился почти таким же, как у двухкаскодного усилителя из 2-х базовых каскадов с источниками тока в нагрузках, т.е. произведению собственных коэффициентов усиления транзисторов. Каскодный же усилитель является однокаскодным, поскольку сигнал в нагрузке определяется током транзистора, на затвор которого подается входной сигнал.

Схема формирования смещения на затворе каскодного транзистора.

Базовый каскодный усилитель совместно со схемой формирователя смещения на затворе каскодного транзистора изображен на рис. 3-9.

Режимный ток в формирователе смещения выбирается из условия допустимого изменения напряжения в узле С (и, следовательно, искомого смещения ) при воздействии наводки от выходного узла усилителя через емкость затвор-сток транзистора N2. Разумеется, очень желательно, чтобы было постоянным, поскольку изменение потенциала на затворе N2 ведет к почти такому же изменению потенциала узла А (см. Задание №5). Потенциал узла А является потенциалом стока транзистора N1 (т.е. ), а любое изменение этого потенциала ведет к необходимости увеличивать на величину этого изменения постоянную составляющую во избежание перехода N1 в область с низким и, следовательно, уменьшению собственного коэффициента усиления транзистора N1 (а затем и всего каскада!).

Ток смещения через шунтируется выходным сопротивлением узла С. Имеем:

. При условии (см. Задание №6). Максимальное изменение .

Дополнительно уменьшить можно включением между узлом С и «землей» конденсатора, однако следует иметь ввиду увеличение площади.

Пусть включением упомянутого конденсатора «подогнали» режимный ток в формирователе смещения так, что он стал равным току в усилителе, т.е. (в противном случае параметры и изменяются пропорционально отношению режимных токов формирователя и усилителя). Пусть выбрано исходя из суммарного действия на узел А как изменения , так и изменения (эквивалентная схема Задания №7 изображена на рис. 3-10). Это означает, что , где m>1. Пусть резисторы N3 и N2 одинаковы.

Поскольку через N3 и N2 текут одинаковые токи, . Итак, , следовательно .

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5075
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее