Измерительные усилители 2 страница

В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики

Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.

Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскады усиления.

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.

Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД»

Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.

Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.

Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

Виды усилителей по элементной базе

Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы

Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)

Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках

Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

50 /Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

Техника полупроводниковых приборов стала самостоятельной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах.

На всем протяжении развития радиотехники широко применялись кристаллические детекторы, представляющие собой полупроводниковые выпрямители для токов высокой частоты. Для выпрямления постоянного тока электрической сети в ХХ веке использовались купроксные (на основе окислов меди) и селеновые полупроводниковые выпрямители. Однако они непригодны для высоких частот и уступают по параметрам современным полупроподниковым приборам на основе кремния.

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства: Малый вес и малые размеры. Отсутствие затраты энергии на накал. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Классификация. Триггеры подразделяются на две большие группы — динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации.

Динамический триггер представляет собой управляемый генератор, одно из состояний которого (единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определённой частоты, а другое (нулевое) — отсутствием выходных импульсов. Смена состояний производится внешними импульсами (рис. 3). Динамические триггеры в настоящее время используются редко.

К статическим триггерам относят устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения (выходными потенциалами): высоким — близким к напряжению питания и низким — около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными.

Статические (потенциальные) триггеры, в свою очередь, подразделяются на две неравные по практическому значению группы — симметричные и несимметричные триггеры. Оба класса реализуются на двухкаскадном двухинверторном усилителе с положительной обратной связью, а названием своим они обязаны способам организации внутренних электрических связей между элементами схемы.

Симметричные триггеры отличает симметрия схемы и по структуре, и по параметрам элементов обоих плеч. Для несимметричных триггеров характерна неидентичность параметров элементов отдельных каскадов, а также и связей между ними.

Симметричные статические триггеры составляют основную массу триггеров, используемых в современной радиоэлектронной аппаратуре. Схемы симметричных триггеров в простейшей реализации.

Основной и наиболее общий классификационный признак — функциональный — позволяет систематизировать статические симметричные триггеры по способу организации логических связей между входами и выходами триггера в определённые дискретные моменты времени до и после появления входных сигналов. По этой классификации триггеры характеризуются числом логических входов и их функциональным назначением

Вторая классификационная схема, независимая от функциональной, характеризует триггеры по способу ввода информации и оценивает их по времени обновления выходной информации относительно момента смены информации на входах

Каждая из систем классификации характеризует триггеры по разным показателям и поэтому дополняет одна другую. К примеру, триггеры RS-типа могут быть в синхронном и асинхронном исполнении.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах, составляющих данный триггер.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С.

Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).

Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход). Также встречается название «триггер управляемый фронтом».

Одноступенчатые триггеры (latch, защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер на УГО обозначают одной буквой - Т.

Двухступенчатые триггеры (flip-flop, шлёпающие) делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая ступень заблокирована для записи). При другом уровне этого сигнала происходит копирование состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи), выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временны́х гонок. Двухступенчатый триггер на УГО обозначают двумя буквами - ТТ.

Триггеры со сложной логикой бывают также одно- и двухступенчатые. В этих триггерах наряду с синхронными сигналами присутствуют и асинхронные. Такой триггер изображён на рис. 1, верхний (S) и нижний (R) входные сигналы являются асинхронными.

Триггерные схемы классифицируют также по следующим признакам:

числу целочисленных устойчивых состояний (основанию системы счисления) (обычно устойчивых состояний два, реже — больше, см. двоичный триггер, троичный триггер, четверичный триггер[8], …, десятичный триггер, …, n-ичный триггер, …);

числу уровней — два уровня (высокий, низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль, отрицательный) в трёхуровневых элементах[9], …, N-уровней в N-уровневых элементах, …;

по способу реакции на помехи — прозрачные и непрозрачные. Непрозрачные, в свою очередь, делятся на проницаемые и непроницаемые.

по составу логических элементов (триггеры на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.).

Базовые понятия

Триггер — это запоминающий элемент с двумя (или более) устойчивыми состояниями, изменение которых происходит под действием входных сигналов и предназначен для хранения одного бита информации, то есть лог. 0 или лог. 1

Все разновидности триггеров представляют собой элементарный автомат, включающий собственно элемент памяти (ЭП) и комбинационную схему (КС), которая может называться схемой управления или входной логикой (рис. 7).

Рис. 7 структура триггеров в виде КС и ЭП

В графе триггера каждая вершина графа соединена со всеми другими вершинами, при этом переходы от вершины к вершине возможны в обе стороны (двухсторонние). Граф двоичного триггера — две точки соединённые отрезком прямой линии, троичного триггера — треугольник, четверичного триггера — квадрат с диагоналями, пятеричного триггера — пятиугольник с пентаграммой и т. д. При N=1 граф триггера вырождается в одну точку, в математике ему соответствует унарная единица или унарный ноль, а в электронике — монтажная «1» или монтажный «0», то есть простейшее ПЗУ. Устойчивые состояния имеют на графе триггера дополнительную петлю, которая обозначает, что при снятии управляющих сигналов триггер остаётся в установленном состоянии.

Состояние триггера определяется сигналами на прямом и инверсном выходах. При положительном кодировании (позитивная логика) высокий уровень напряжения на прямом выходе отображает значение лог. 1 (состояние = 1), а низкий уровень — значение лог. 0 (состояние = 0). При отрицательном кодировании (негативная логика) высокому уровню (напряжению) соответствует логическое значение «0», а низкому уровню (напряжению) соответствует логическое значение «1».

Изменение состояния триггера (его переключение или запись) обеспечивается внешними сигналами и сигналами обратной связи, поступающими с выходов триггера на входы схемы управления (комбинационной схемы или входной логики). Обычно внешние сигналы, как и входы триггера, обозначают латинскими буквами R, S, T, C, D, V и др. В простейших схемах триггеров отдельная схема управления (КС) может отсутствовать. Поскольку функциональные свойства триггеров определяются их входной логикой, то названия основных входов переносятся на всю схему триггера.

Входы триггеров разделяются на информационные (R, S, T и др.) и управляющие (С, V). Информационные входы предназначены для приема сигналов запоминаемой информации. Названия входных сигналов отождествляют с названиями входов триггера. Управляющие входы служат для управления записью информации. В триггерах может быть два вида управляющих сигналов:синхронизирующий (тактовый) сигнал С, поступающий на С-вход (тактовый вход);

разрешающий сигнал V, поступающий на V-вход.

На V-входы триггера поступают сигналы, которые разрешают (V=1) или запрещают (V=0) запись информации. В синхронных триггерах с V-входом запись информации возможна при совпадении сигналов на информационном С и V-входах.

Работа триггеров описывается с помощью таблицы переключений, являющейся аналогом таблицы истинности для комбинационной логики. Выходное состояние триггера обычно обозначают буквой Q. Индекс возле буквы означает состояние до подачи сигнала (t) либо (t-1) или после подачи сигнала (t+1) или (t). В триггерах с парафазным (двухфазным) выходом имеется второй (инверсный) выход, который обозначают как Q, /Q или Q'.

Кроме табличного определения работы триггера существует формульное задание функции триггера в секвенциальной логике. Например, функцию RS-триггера в секвенциальной логике представляет формула. Аналитическая запись SR-триггера выглядит так:

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные УПТ с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

в

Рис.1.1. Условное обозначение ОУ: а - упрощенное;
б - обозначение на принципиальных схемах; в – входные
и выходное напряжения относительно общей шины.

Классификация ОУ:

1) по роду усиливаемых сигналов:

А)усил. Гармонических сигн.

Б) усил. Импульсных сигн.

2) по характеру изменения сигналов во времени:

А) Усилители постоянного тока

Б) Усил. Перем. тока: НЧ, ВЧ, широкополостные и избирательные

3) В зав-ти от характера нагрузки: усилители напряжения, тока, мощности.

Напряжение смещения (U_см) - это потенциал на выходе усилителя, поделенный на коэффициент усиления усилителя при нулевом входном сигнале, который. Данный параметр показывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу ОУ для того, чтобы на выходе получить нулевое значение (U_вых=0).

Напряжение смещения является аддитивной погрешностью выполнения математических операций ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурные и временные дрейфы.

Входные токи (I_вх) – токи, протекающие во входных цепях ОУ, обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада.

Разность входных токов (∆I_вх) – разность значений токов, протекающих через входы дифференциального ОУ, при заданном значении входного напряжения:

,

может иметь любой знак.

Входная емкость (С_вх)– емкость между входами ОУ.

Входное сопротивление в зависимости от характера подаваемого сигнала делят на дифференциальное (для диф-ференциальных сигналов) и синфазное (сопротивление общего вида).

Входное сопротивление для дифференциального сигнала (R_{вх диф}) - это входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом (значение лежит от десятков кОм ÷ сотен МОм.)

Входное сопротивление для синфазного сигнала (R_{вх сф}) - характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. (Оно на несколько порядков выше, чем для дифференциального сигнала).

На зарубежные ОУ нормируется значение входного импеданса (Input Impedance) Z_вх, что эквивалентно параллельному соединению R_вх и C_вх. С увеличением частоты Z_вх значение уменьшается.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ос.сф или в зарубежной литературе К_ООС - важный параметр ОУ, характеризующий его точность при дифференциальном включении:

,

это отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения.

Диапазон синфазных входных напряжений - характеризует зону, в пределах которой возможны изменения синфазного входного напряжения без нарушения работоспособности ОУ.

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов характеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и обычно оцениваются в мкВ/град и нА/град. Эти параметры важны для прецизионных устройств, так как их в отличие от U_см и I_вх, эффективно скомпенсировать сложно. Температурные дрейфы являются основной причиной появления температурных погрешностей устройств с ОУ.

Напряжение шумов, приведенное ко входу – это действующее значение напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала, подключенного ко входу, поделенному на коэффициент усиления ОУ К_u. Размерность их .

Выходное сопротивление (R_вых) – величина, равная отношению приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшему его приращению выходного тока. Этот параметр нормируется достаточно редко, и ориентировочное его значение составляет десятки-сотни Ом. Необходимо учитывать, что выходное сопротивление оценивается для каждой схемы по соответствующей формуле и всегда во много раз меньше чем R_{вых ОУ} на базе, которого она построена.

Максимальныевыходные напряжение (U_{вых max}) – предельное значение выходного напряжения ОУ при оговоренном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала.

Предельный выходной ток (I_{вых max}) – максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызывающем необратимых изменений в ОУ.

Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчётную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

коэффициент усиления называют отношение выходного сигнала к входному сигналу. В зависимости от характера входных и выходных величин подразделяют:

- на коэффициенты усиления по напряжению

- коэффициент по току

- коэффициент усиления по мощности.

В этом случае коэффициенты усиления выражаются в безразмерных величинах, т.е. в (…раз).

Так же коэффициенты усиления могут быть выражены в логарифмических единицах - децибелах (дБ):

- коэффициент усиления по напряжению ;

- коэффициент усиления по току ;

- коэффициент усиления по мощности .

Частота единичного усиления ƒ₁ - это частота, на которой модуль коэффициента ОУ равен единице (0 дБ). Иногда оговаривают граничную частоту ОУ, при которой сохраняется гарантированная амплитуда выходного напряжения.

Скорость нарастания выходного напряжения () - это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды.

Ток (I_упр) (напряжение управления (U_упр)) – ток, протекающий по (напряжение, приложенное к) выводу управления и определяющий ряд основных параметров ОУ, таких как ток потребления, коэффициент усиления, частота единичного усиления, скорость нарастания, входной ток, минимальное сопротивление нагрузки и т.д.

Характеристики преобразования:

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) - зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты.

Амплитудно-фазовая характеристика - это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты.

Амплитудная характеристика - зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения. Или зависимость изменения выходного сигнала от входного сигнала.

Переходная характеристика - зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на входе которого подан мгновенный скачок напряжения (рис. 1.4).

а б

Рис 1.4. Переходная характеристика: для определения времени нарастания и времени установления (а), для определения времени восстановления (б) выходного напряжения

Время нарастания t_нар - время, за которое выходное напряжение изменится от уровня 0,1 до 0,9 своего установившегося значения (рис. 1.4, а).

Время установления выходного напряжения t_уст - время от момента подачи на вход импульса напряжения прямоугольной формы до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности (рис. 1.4, а). Иногда за время установления принимают . Обычно время установления нормируется для зоны заданной погрешности при максимальной амплитуде входного импульса для данного типа ОУ.

Под временем восстановления (t_в) понимают время с момента снятия скачком входного сигнала перегрузки, до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности (рис. 1.4, б). Или время, необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим работы. Необходимо помнить, что время восстановления, необходимое для выхода из положительного насыщения, отличается от времени восстановления, необходимого для выхода из отрицательного насыщения.

Обратная связь – процесс передачи сигнала с выхода усилителя обратно на его вход. Отрицательная обратная связь изменяет входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Это делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь, наоборот, усиливает изменение выходного сигнала. Системы с сильной положительной обратной связью проявляют тенденцию к неустойчивости, в них могут возникать незатухающие колебания, т.е. система становится генератором. Общий коэффициент передачи последовательно соединенных устройств равен произведению их коэффициентов передачи: Ku∙β. Эта величина является коэффициентом усиления сигнала в петле обратной связи и называется петлевым усилением: А=ß*К_u

коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью: К_yu=U_вых/U_вх=К/(1± К_u*ß)

Выражение в знаменателе " 1 +/- Ku∙β" называется глубиной обратной связи и показывает во сколько раз изменяется коэффициент усиления под влиянием ОС.

Инвертирующее включение ОУ

Рис. 1.9. Инвертирующее включение ОУ

В этом случае ОУ охвачен отрицательной ОС (ООС) по напряжению, входной сигнал и сигнал ООС суммируются с помощью R1 и R2. Такая обратная связь называется параллельной.

Коэффициент обратной связи:

В инвертирующем усилителе выходное напряжение проходит на инвертирующий вход ОУ с коэффициентом передачи:

Дата добавления: 2015-05-06