Бутенко Д.В., Черкасова Г.С. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов (2014) (1186344), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов23ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИКУСИЛИТЕЛЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕЦель работы - изучениеявлений, возникающих при прохождении черезкаскад УНЧ на биполярном транзисторе прямоугольного импульса.Исследуетсявлияние на временные характеристики элементов схемы, цепей коррекции и отрицательной обратной связи.

Устанавливается связь между временными и частотнымихарактеристиками УНЧ.Краткие сведения о работе усилительных каскадов в импульсном режимеУсиление импульсных сигналов сопровождается переходными искажениями,вследствие чего выходной и входной импульсы в той или иной степени отличаются поформе. В правильно спроектированном усилителе эти отличия минимальны, т. е. непревышают заранее заданные малые величины. При работе усилителя в линейном режиме переходные искажения являются линейными, т.

е. проявляются в одинаковойстепени при различной амплитуде входного сигнала. Причиной их появления являетсяработа реактивных элементов, входящих в состав усилительных каскадов (заряд разделительных емкостей, собственных емкостей транзисторов и т. п.). Для оценки переходных искажений применяется переходная характеристика усилителя h(t) (рис. 12) –временная зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на его вход единичного перепада напряжения, пронормированная по коэффициенту усиления.

Можнопоказать, что переходные искажения однозначно связаны с частотными так же, как переходная характеристика усилителя связана с его АЧХ.Рис. 12. Общий вид переходной характеристики усилителяОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов24Для оценки переходных искажений по переходной характеристике усилителяобычно определяются следующие параметры:1) время нарастания tнар – время, в течение которого h(t) изменяется от 0,1 до 0,9установившегося значения;2) относительный спад выходного напряжения δ в заданный момент времени;3) максимальный относительный выброс выходного напряжения γ, имеющийместо в случае, когда процесс изменения выходного напряжения имеет колебательныйхарактер. Отметим, что такое изменение выходного сигнала связано с наличием подъема АЧХ в области ВЧ и в большинстве случаев является нежелательным.С помощью операторного метода можно определить вид переходной характеристики, найти связь переходных искажений выходного импульса с частотными искажениями, а также выяснить, какие элементы усилителя определяют искажение вершины ифронтов выходного импульса.

Пусть входной сигнал усилителя представляет собой перепад напряжения величиной Umвх в момент времени t = 0. Тогда его изображение поЛапласу будет определяться какUВХ(t) UВХ(p)= UmВХ / p,а изображение выходного напряженияUВЫХ(p)=UВХ(p)K(p)=K(p)/p,где K(p) – передаточная функция усилителя, получаемая из зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты заменой j2πf на оператор Лапласа p. Если полоса частот усилителя ограничена с двух сторон частотами fН и fВ, то для него K(j2πf) иK(p) могут быть записаны соответственно какK ( j 2f ) K СРK СР, K ( p) ,1  j 2f В 1  1 j 2f Н (1  1 / p Н   p В )тогда UВЫХ(p) =K СР Н U m ВХ(1  1 / p Н   p В ),где τН=1/2πfН и τВ=1/2πfВ – постоянные времени усилителя в области НЧ и ВЧ (см.

лабораторную работу № 1). Оригиналом UВЫХ(p) является временная зависимость выходного напряжения усилителя:UВЫХ(t) = KСРUmВХ[exp(-t/τН) – exp(-t/τВ)]= KСР UmВХ h(t),где h(t)= exp(-t/τН) – exp(-t/τВ) – переходная характеристика усилителя.Появление переходных искажений при подаче на вход усилителя прямоугольного импульса поясняется с помощью рис. 13.

Входной прямоугольный импульс амплитудой Um и длительностью tи может быть представлен как сумма перепадов напряженияОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов25разной полярности величиной Um, сдвинутых во времени на tи (рис. 13, а, б). Выходноенапряжение, соответствующее каждому из этих перепадов, определяется переходнойхарактеристикой (рис.

13, в). В итоге выходное напряжение определяется какuвых(t)=KUmвх[h(t)-h(t-tи)] и представляет собой импульс, по форме отличающийся отпрямоугольного (рис. 13, г): появляются фронт и спад конечной длительности, спадвершины и обратный выброс напряжения (соизмермый со спадом вершины). Если усилитель работает в линейном режиме, то tпф = tзф = tф. Таким образом, искажения выходного импульса могут оцениваться по времени фронта tф, которое может определяться по переходной характеристике как tнар, и по относительному спаду вершины δ, определяемому также по переходной характеристике в момент времени tи.

Абсолютная величина спада вершины определяется как Δ= δUmвых.Рис. 13. Усиление импульсного сигнала: входной прямоугольный импульс (а), представление входного импульса как суммы разнополярных перепадов напряжения (б), реакцияусилителя на перепады входного напряжения (в), выходной импульс (г).ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова.

Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов26Для определения tф и δ следует рассмотреть ход переходной характеристики наинтервале 0… tи. С учетом того, что в усилителях импульсных сигналов τН >> τВ, целесообразно разбить интервал 0… tи на две области.1. «Область малых времен» (t << τН), соответствующая начальному участку переходной характеристики. С учетом указанного приближения для «области малых времен» можно получить выражение, приближенно описывающее формирование фронтавыходного импульса:UВЫХ МВ(t) = KСРUmВХ[1 – exp(-t/τВ)]= KСР UmВХ hМВ(t),где hМВ(t)= 1 – exp(-t/τВ) – переходная характеристика усилителя в «области малых времен» (рис.

14, а). Определяя tф как время нарастания UВЫХ МВ(t) от 0,1UmВЫХ до 0,9UmВЫХ,получаемtф≈2,2τВ.Рис. 14. Переходная характеристика в «области больших времен» (а), в «области малыхвремен» (б); итоговая переходная характеристика (в).Изображение UВЫХ МВ(t) при замене p на j2πf преобразуется в частотную зависимость коэффициента усиления в области ВЧ:UВЫХ МВ(t)  KСР/(1+pτВ) → KСР/(1+j2πfτВ) = KВЧ (j2πf),т. е. имеется связь между переходной характеристикой в «области малых времен» иАЧХ в области ВЧ.

Таким образом, для уменьшения tф следует вносить изменения вОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов27схему усилителя таким образом, чтобы уменьшать τВ, тем самым увеличивая fВ, т. е.расширяя полосу частот усилителя в область ВЧ.2. «Область больших времен» (t >> τН), соответствующая вершине выходногоимпульса. Для «области больших времен» с учетом указанного приближения можетбыть получено выражение, приближенно описывающее формирование вершины выходного импульса:UВЫХ БВ(t) = KСРUmВХ exp(-t/τН)= KСР UmВХ hБВ(t),где hБВ(t) = exp(-t/τН) – переходная характеристика усилителя в «области больших времен» (рис.

14, б). Для определения δ учтем, что в момент t = tИ UВЫХ БВ(t) уменьшаетсяна величинуΔ = UmВЫХ - UВЫХ БВ(tИ)= KСРUmВХ [1 – exp(-tИ/τН)],тогда δ = Δ /UmВЫХ =1 – exp(-tИ/τН).Изображение UВЫХ БВ(t) при замене p на j2πf преобразуется в частотную зависимость коэффициента усиления в области НЧ:UВЫХ БВ(t)  KСР pτН /(1+pτН) → KСР j2πfτН /(1+j2πfτН) = KНЧ (j2πf),т. е. имеется связь между переходной характеристикой в «области больших времен» сАЧХ в области НЧ, вследствие которой элементы схемы, определяющие fН, также определяют δ.

Очевидно, для уменьшения δ необходимо изменять схему усилителя такимобразом, чтобы увеличивать τН, тем самым уменьшая fН, т. е. расширяя полосу частот вобласть НЧ. При выполнении условия tИ<<τН для нахождения δ можно использоватьприближенную формулу: δ ≈ tИ/τН. Отметим, что если fН=0, что характерно для так называемых усилителей постоянного тока, то спад вершины выходного импульса отсутствует. Итоговая переходная характеристика показана на рис.

14, в.Все вышеизложенное в равной степени относится как к усилителям в целом, таки к отдельным усилительным каскадам, а учет конкретных особенностей анализируемых схем подтверждает общие закономерности. Так, в усилительном каскаде с ОЭ (лабораторная работа № 1, рис. 4, а) при подаче на вход отрицательного перепада напряжения (учтем, что каскад с ОЭ является инвертирующим) происходит заряд емкостейразделительных конденсаторов CР1 и CР2, емкости в эмиттерной цепи, емкости нагрузки CН, а также эквивалентной выходной емкости транзистора C*К. При этом емкости CНи C*К включены параллельно нагрузке усилителя (рис. 9 а, б), поэтому при их зарядепроисходит плавное нарастание выходного напряжения с постоянной времени τВ.ВЫХ ==СЭКВRЭКВ, где СЭКВ = СН + С*К, RЭКВ ≈ RК || RН.

Следует также учитывать, что при перепаде входного напряжения коллекторный ток транзистора нарастает с постоянной вре-ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов28мени τβ=1/2πfβ, что также является причиной плавного нарастания выходного напряжения. Таким образом, выходное напряжение вначале плавно нарастает с постояннойвремени  В   В2 ВЫХ   2 .Разделительные конденсаторы CР1 и CР2 оказываютсявключенными последовательно с входным сопротивлением усилителя и с нагрузкойсоответственно (рис. 8), поэтому при их заряде происходит уменьшение выходного напряжения.

В процессе заряда конденсатора CЭ ток через него плавно уменьшается, приэтом снижается его шунтирующее действие на резистор Rэ, что дает плавное увеличение глубины ООС и соответственно дополнительное уменьшение выходного напряжения. Из этого следует, что после завершения этапа нарастания выходного напряженияначинается плавное его уменьшение с постоянной времениН 11 Н2 11 Н2 21, Н2 3где τН1≈(RГ+rВХ)СР1, τН2=(RК || RН)СР2, τН3≈ rЭСЭ. В итоге переходная характеристика каскада с ОЭ по форме будет соответствовать рис. 13, в и рис.

14, в, а переходныеискажения, вносимые каскадом с ОЭ при усилении прямоугольного импульса, могутбыть оценены по общим формулам для tф и δ, данным выше.Введение в усилитель отрицательной обратной связи (ООС) сопровождаетсяуменьшением переходных искажений. В общем случае ВООС   В /(1  KK ООС )   В , НООС   Н (1  KK ООС )   Н .Таким образом, при введении ООС время фронта tф и относительный спад вершины δ выходного импульса уменьшается.Уменьшить переходные искажения можно с помощью корректирующих цепей,при этом коррекция формы выходного импульса связана с коррекцией АЧХ. Дляуменьшения спада вершины выходного импульса может быть использована НЧкоррекция цепью RФ-CФ (рис.

Характеристики

Список файлов книги