В.В. Дуркин - Схемотехника аналоговых электронных устройств - Методические указания к лабораторным работам (1267371), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Контрольные вопросы1. Назовите и охарактеризуйте известные вам режимы работы усилительных элементов.2. Перечислите преимущества и недостатки бестрансформаторного выходного каскада по сравнению с трансформаторным.3. Поясните назначение элементов схемы исследованного вработе усилителя.4. Перечислите основные достоинства и недостатки режимаработы класса B по сравнению с режимом A.5.
При каких условиях мощность рассеяния на коллекторахтранзисторов получается наибольшей в режимах A и B?6. Почему режимы с отсечкой тока не применяются в обычных апериодических усилителях?7. От чего зависит КПД выходных каскадов усилителя?8. Что такое нелинейные искажения? В чем их отличие отлинейных?9.
Какими параметрами характеризуются нелинейные искажения? Как их можно измерить?10. Что характеризует и от чего зависит выходное сопротивление усилителя?11. Как влияет отрицательная обратная связь на параметрымощных усилителей (полоса пропускания, нелинейные искажения, выходное сопротивление)?12. Каким образом в бестрансформаторных усилителях мощности осуществляется температурная стабилизация рабочей точки?48ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЯЦель работы: исследовать факторы, влияющие на устойчивую работу видеоусилителя на основе операционного усилителя(ОУ).4.1.
Описание схемы лабораторной установкиИсследуемая схема видеоусилителя и все необходимые длявыполнения работы элементы находятся в блоке №4 лабораторного стенда (рис. 4.1). Видеоусилитель собран на ОУ 140УД1Б,которыйобладаетследующимипараметрами:K 0 = 2000, Rвх = 4кОм, Rвых = 700Ом, f1 = 8МГц , U вых max = ±8B.ОУ охвачен последовательной отрицательной ОС по напряжению. Элементами цепи ОC являются резисторы R1 и R5(R6).Путём коммутации резисторов R5, R6 при помощи переключателя SA4 можно установить коэффициент усиления усилителя 20или 40 дБ.
Резистор R2 осуществляет токовую балансировку схемы.Активной нагрузкой видеоусилителя служит резистор R8. Припомощи переключателя SA6 параллельно резистору R8 можноподключать конденсаторы различной ёмкости С11…С14, изменяятем самым величину емкостной составляющей нагрузки. Конденсатор С3 и резистор R7 образуют цепь, которая уменьшает влияние ёмкости нагрузки на устойчивость видеоусилителя.140УД1Б – это ОУ с внешней коррекцией.
Элементами частотной коррекции при коэффициенте усиления 20 дБ являетсяRC-цепь R4C5, а при коэффициенте усиления 40 дБ – R3C4. Коммутация этих цепей осуществляется переключателем SA3.4950“выкл.”“C вх. ”входSA1X2X1SA2“выкл.”R21кC39.1“комп. C н.”“корр.”“корр. 40 дБ”“корр. 20 дБ”SA3C4100R3620SA4C5510R4330FC+U-UDAК140УД1БSA5R691кR512кC63.3R85.6к“комп. C вх.
”“усил. 40 дБ”“усил. 20 дБ”C7,С80.1мкR710040 дБSA420 дБSA2SA5R10110C9,С1010мкR9110“выкл.”C13180-12 ВSA6C14130+12 В“комп. C н”C121000“ёмкость наг рузки. C н.”C115600SA6Рис. 4.1. Вид лицевой панели блока №4«Видеоусилитель »SA3“C вх. ”VD1,VD2КД522АSA1“комп. C вх. ”C20.1мкR12.4кC1565600выкл.1301801000X4выходX3Конденсатор С1, подключаемый переключателем SA1, увеличивает входную емкость ОУ, моделируя, например, неудачное выполнение печатной платы усилителя, плохой монтаж и т.п.
Длякомпенсации нежелательного влияния С1 на устойчивость усилителя, в цепь ОС переключателем SA2 вводится конденсатор С6.Диоды VD1 и VD2, включенные встречно-параллельно дифференциальному входу ОУ, защищают этот вход от перенапряжения.4.2. Основные определения итеоретические сведенияАктивная полоса частот ОУ – полоса частот, в пределах которой коэффициент усиления ОУ превышает единицу.Запас устойчивости по фазе – удаленность годографа петлевого усиления по дуге единичного радиуса от критической точки.Определяется углом φз между положительным направлением действительной оси и лучом, проведенным через начало координат иточкой пересечения годографа с окружностью единичного радиуса.Относительная устойчивость схемы – удаленность схемы отнеустойчивого состояния.
Количественно относительная устойчивость оценивается запасом устойчивости по фазе φз.Операционная схема – ОУ с внешними элементами.Перерегулирование σ – отношение первого выброса на переходной характеристике ОУ с ОС к установившемуся значениювыходного напряжения.Петлевое усиление – усиление вдоль разомкнутой петли обратной связи (ОС).Полная частотная коррекция – такое изменение формы АЧХОУ, когда она имеет спад 20 дБ/дек, по крайней мере, в активнойполосе частот.Порядок операционной схемы – порядок характеристическогоуравнения передаточной функции петлевого усиления.Резонансный пик Мр – отношение максимума на АЧХ ОУ сОС к коэффициенту усиления ОУ с ОС на нулевой частоте.51Общие сведенияОтличительной особенностью видеоусилителя является широкая полоса пропускания.
Реализация такого усилителя на ОУ значительно проще, чем на дискретных элементах, при этом получается выигрыш в габаритах, массе, надежности и стабильностипараметров.ОУ – это устройство, изначально предназначенное для работыс обратными связями (ОС). Причём, в подавляющем большинствеслучае эта связь отрицательная (ООС). Но, строго говоря, ОС сохраняет свой знак (остаётся отрицательной) только в области частот, прилегающей к нулевой частоте. С повышением частоты засчёт фазовых сдвигов, вносимых ОУ и частотнозависимыми пассивными элементами, связь может перейти в положительную.Если при этом усиление вдоль разомкнутой петли ОС (петлевоеусиление) будет больше или равно единице, то произойдёт самовозбуждение усилителя, т.е.
усилитель превратится в генераторнезатухающих колебаний. Он не будет реагировать на входнойсигнал, т.е. перестанет выполнять свою прямую функцию – усиливать сигналы, подаваемые на вход. Это худший вариант. Однако, если даже усилитель и не возбудился на верхних частотах, ноблизок к неустойчивому состоянию, то это может привести к недопустимо большим искажениям АЧХ в области верхних частоти переходной характеристики в области малых времён. На АЧХпоявится подъём (рис. 4.2.а), называемый резонансным пиком Мр,а на переходной характеристике – выброс (перерегулирование) σ(рис.
4.2.б).Резонансный пик обычно оценивается в децибелах, а перерегулирование – в процентах. Мр и σ - это характеристики линейнойсхемы, поэтому амплитуду входного сигнала (синусоидального ипрямоугольного) надо выбирать такой, чтобы ОУ с ОС работал влинейном режиме. В противном случае возникнут искажения результатов за счет нелинейности ОУ.5220log y, дБU вых, В11.50-1-2-3105σ = 14.2%M p = 1.3дБ1а)б)0.5f, Гц10 6t, мкс10 700.10.20.3Рис. 4.2. Косвенные признаки относительной устойчивости:Мр - резонансный пик а);σ - перерегулирование переходного процесса б)Как объяснить появление подъема АЧХ в области верхнихчастот (резонансный пик) и выброса на переходной характеристике в области малых времён (перерегулирование)? Такая формаАЧХ и ПХ может иметь место только при условии, что порядокоперационной схемы нениже второго.
Что такое|B(p)K(p)|, дБпорядокоперационной-20 дБ/дексхемы - это порядок передаточнойфункциивдоль разомкнутой петлиобратной связи, т.е. по-40 дБ/декрядок петлевого усиления B(p)K(p). Пусть мы0, дБfимеем дело с операционf1fcной схемой второго поРис. 4.3.
АЧХ операционной схемырядка. В этом случае завторого порядкависимость |B(p)K(p)| будет иметь два излома (рис. 4.3) и данная схема будет вести себякак колебательный контур. Поэтому для количественного описания поведения этой схемы применяют те же параметры, что и дляколебательного контура: собственную частоту ω0; резонанснуючастоту ωр; коэффициент затухания k и т.д. Понятно, что эти параметры зависят как от параметров ОУ без ОС, так и от парамет53ров цепи ОС.
Наиболее важным из них является коэффициентзатухания, он определяет поведение АЧХ и ПХ. Критическоезначение затухания соответствует точке k = 1 (рис. 4.4).Резонансный максимум M p0 < k < 0.7070.70710Границаустойчивостиk=0Апериодическийпереходной процессk>10<k<1Затухающие колебания, перерегулированиеkГраницаапериодичностиk=1Рис.
4.4. Характерные значения коэффициента затухания kПри k >1 переходной процесс в усилителе будет устанавливаться по апериодическому закону. Выброс перерегулированияПХ σ и резонансный пик АЧХ Мр будут отсутствовать. При0<k<1 переходная характеU выхристика будет иметь вид затухающей синусоиды (рис.4.5). Чем меньше коэффициент затухания (чем большедобротность), тем большевыброс перерегулированияtσ и тем медленнее затухаютколебания.
То же самое Рис. 4.5. Переходная характеристикавидеоусилителя при 0<k<1можно сказать и о резонансном пике, но будет иметьместо только при 0 < k < 0.707 (при Q>1). При k = 0 Mр = ∞ и σ =100%, т.е. происходит самовозбуждение усиления.Между запасами устойчивости по фазе, Мр и σ есть связь (соответствие) (табл. 4.1). Она делает возможным косвенное определение запаса устойчивости по фазе по экспериментально найденным Мр и σ без разрыва (размыкания) петли ОС и без исследования ее внутренней структуры.Таким образом, воспользовавшись табл. 4.1, можно по экспериментально снятым Mр и σ определить запас устойчивости пофазе. Например, общепринятому запасу устойчивости по фазе54ϕЗ = 45o соответствует Mр = 2,5 дБ и σ = 25%. При k = 0 запас устойчивости по фазе ϕЗ = 0 , а Mр = ∞ и σ = 100%, т.е.
(как уже отмечалось) происходит самовозбуждение усиления. При k > 0,949и АЧХ и переходная характеристика имеют монотонный характер, запас устойчивости по фазе больше 75°, т.е. схема надежноустойчива.Запас устойчивости по фазе,град756545300Таблица 4.1Показатели относительной устойчивостиоперационной схемы второго порядкаОтносительноеРезонансныйКоэффициентперерегулировапик Mp, дБзатухания kние σ,%0,00,94904.70.6972,323,30,425,741,60,269∞1000Если воспользоваться обозначениями рис.
4.3, то коэффициент затухания:fc1k =,(4.1)2f1где fс – частота второго излома, а f1 – частота единичного усиления. Значит для увеличения k, т.е. для повышения относительнойустойчивости схемы (увеличения запаса устойчивости по фазе),необходимо увеличивать fс, т.е. увеличивать протяженность участка АЧХ со скоростью спадания 20 дБ/дек. А это можно сделать,применяя частотную коррекцию АЧХ ОУ.Вопросы частотой коррекции ОУ достаточно полно изложеныв [2].
С ними следует внимательно ознакомиться при подготовкек защите лабораторной работы. Здесь же хотелось бы отметить,что применение корректирующих цепей сужает полосу пропускания ОУ (ухудшается быстродействие).55K(f), дБ32-20 дБ/дек11 – C кор12 – C кор2 > C кор13 – C кор = 0F max-40 дБ/дек0fC1fC1f1fC2fРис. 4.6. АЧХ ОУ: 2– полная частотная коррекция;1 – неполная частотная коррекция; 3 – без коррекцииРазличают полную и неполную частотные коррекции (рис.4.6). В первом случае АЧХ имеет спад –20 дБ/дек вплоть до частоты 2 f 1 , что соответствует запасу устойчивости по фазе не менее 65о. Чаще всего такая коррекция формируется с помощьюэлементов, находящихся внутри ИМС.
ОУ с внутренней коррекцией работают устойчиво при любой глубине ОС, они удобны вприменении, если не требуется широкая полоса пропускания.При неполной частотной коррекции АЧХ ОУ занимает промежуточное положение между характеристиками без коррекции(АЧХ З) и полностью скорректированного усиления (АЧХ 2).Положение АЧХ зависит от номинальных значений R и C элементов коррекции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
