БИЛЕТ №3

БИЛЕТ2

1) Компаратор — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Одно напряжение сравнения двоичного компаратора делит весь диапазон входных напряжений на два поддиапазона. Двоичный логический сигнал (бит) на выходе двоичного компаратора указывает в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

· Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения.

· Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по логическим уровням и токам с конкретным типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

· Для формирования гистерезисной передаточной характеристики, компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.

При подаче эталонного напряжения сравнения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).

При подаче эталонного напряжения сравнения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).

Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).

При математическом моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить, если принять доопределение, что, в точке неустойчивого равновесия выходное напряжение компаратора остаётся в предыдущем состоянии.

Аналоговый компаратор на операционном усилителе

Схемы компараторов часто применяются для сравнения физических измерений, при условии, что эти физические переменные могут быть преобразованы в сигналы напряжения.

2) При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером.
Общий эмиттер ОЭ, подразумевает тот факт, что у входа данной схемы и выхода общий эмиттер.
Рассмотрим схему:

в этой схеме два источника питания, первый 1.5 вольт, использован как входной сигнал для транзистора и всей схемы. Второй источник питания 4.5 вольт, его роль питание транзистора, и всей схемы. Элемент схемы Rн – это нагрузка транзистора.
Проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.5 вольт служит входным сигналом для транзистора, поступая на базу транзистора он открывает его. Если рассматривать полный цикл прохода тока базы, то это будет так: ток проходит от плюса к минусу, то есть исходя от источника питания 1.5 вольт, а именно с клеммы + ток проходит по общему эмиттеру проходя по базе и замыкает свою цепь на клемме – батареи 1.5 вольт. В момент прохождения тока по базе транзистор открыт, тем самым транзистор позволяет второму источнику питания 4.5 вольт запитать Rн. посмотрим прохождение тока от второго источника питания 4.5 вольт. При открывании транзистора входным током базы, с источника питания 4.5 вольт выходит ток по эмиттеру транзистора и выходит из коллектора прям на нагрузку Rн.
Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора.

Эквивалентная схема каскада с ОЭ, частотная характеристика

Для определения основных параметров усилительного каскада с ОЭ используем схему замещения усилителя для переменных токов на основе эквивалентной схемы транзистора в системе h -параметров. Для построения этой схемы замещения сначала рассмотрим принципиальную схему каскада лишь для переменных составляющих токов и напряжений. Малость внутренних сопротивлений источников питания Е_к и Е_б позволяет считать, что верхние точки резисторов R_б и R_к на схеме рис.1 имеют нулевой потенциал по переменному току. Схема для переменных токов изображена на рис.8, а на рис.9 показана эквивалентная схема каскада, где транзистор представлен своей схемой замещения, кроме того, добавлены эквивалентные входная и выходная емкости транзистора С_бэ и С_{кэ .}

Рис. 8

Рис. 9

Для упрощения анализа схемы можно учесть обычно выполняющиеся неравенства R_б>>r_бэ, С_р>>C_кэ,Сбэ. Первое неравенство позволяет исключить R_б из эквивалентной схемы. Второе неравенство позволяет рассматривать влияние разделительной и межэлектродных емкостей в разных областях частот. Так, модуль сопротивления разделительной емкости имеет значительную величину (что уменьшает напряжение на входе транзистора) лишь в области низких частот. В области же высоких частот ее сопротивлением можно пренебречь. С другой стороны, сопротивления входной и выходной емкостей транзистора, а также емкости нагрузки значительно уменьшаются при увеличении частоты сигнала, при этом уменьшается выходное напряжение. Есть также область частот, называемая средней, где влиянием всех емкостей эквивалентной схемы можно пренебречь: сопротивление разделительной емкости еще мало по сравнению с сопротивлением r_бэ, а сопротивление параллельных емкостей еще велико по сравнению с сопротивлениями r_бэ и R_к. В связи с этим обычно рассматривают свойства такого усилительного каскада в области средних частот, где влиянием всех емкостей можно пренебречь, в области низких частот, где играет роль лишь разделительная емкость, и в области высоких частот, где нельзя не учитывать шунтирующего действия емкостей транзистора.

На рис.10 представлена эквивалентная схема каскада ОЭ в области средних частот. На схеме приняты обозначения: R*_к =r_кэ|| R _к|| R_н, где знак || означает сопротивление параллельно включенных элементов. Обычно R_H, r_кэ >> R_k, поэтому R_k* =R_k

Рис. 10

Определим собственные параметры усилителя, считая нулевым выходное сопротивление источника и бесконечным сопротивление нагрузки.

В этом случае с учетом выбранных направлений токов и напряжений получаем

U_m,вх=U_m,бэ, I_m,б=U_m,бэ/r_б, U_m,вых=U_m,кэ=- I_m,кR_к=- I_m,бR_к,

откуда получаем следующее соотношение:

U_m,вых= - SR_кU_m,вх.

Выражение для собственного коэффициента усиления каскада в области средних частот аналогично выражению, полученному с помощью графического анализа:

Kмакс,0 = - SRк.

(5)

Видим, что крутизна ДПХ в рабочей точке S связана с h -параметрами транзистора соотношением S=b /r_бэ. Собственное входное сопротивление каскада, определяемое как отношение амплитуды входного напряжения к амплитуде входного тока, равно в этом случае

R_вх,0 = r_бэ,

а выходное сопротивление, по определению равное отношению амплитуды выходного напряжения к амплитуде выходного эквивалентного источника тока в режиме короткого замыкания на входе, равно

R _вых,0 = R_к // r_кэ // R_к.

Если же учесть конечные значения выходного сопротивления источника сигнала R_с и нагрузки R_н, получим полное выражение для коэффициента передачи каскада в области средних частот:

Ясно, что К_макс < К _{макс ,0} за счет деления напряжения источника сигнала во входной цепи и деления коллекторного тока в выходной цепи усилителя.

На рис.11 представлена эквивалентная схема каскада в области низких частот. Она отличается от схемы на средних частотах наличием на входе каскада последовательной резистивно-емкостной цепи с постоянной времени _н = C_p(r_бэ+R_с).

Рис. 11

Комплексная амплитуда напряжения, действующего непосредственно между базой и эмиттером транзистора, в области нижних частот равна

.

Следовательно, коэффициент передачи по напряжению каскада в области низких частот будет иметь вид:

(6)

Принято называть частоту, на которой модуль коэффициента усиления уменьшается в раз от максимальной величины, граничной частотой каскада. Из соотношения (6) видно, что нижняя граничная частота w _гр,н =1/ _н. Она тем ниже, чем больше постоянная времени _н. Следовательно, для построения усилителя низкой частоты с граничной частотой 20 100Гц следует выбирать транзистор с большим входным сопротивлением и разделительную емкость большого номинала (микрофарады).

Свойства каскада в области верхних частот могут быть определены из соответствующей эквивалентной схемы для высоких частот, представленной на рис.12.

Рис. 12

Эквивалентная входная емкость С_бэ= С_э + К_максС_{к ,} а емкость С_кэ С_{к ,} где С_э и С_к - емкости эмиттерного и коллекторного переходов физической схемы замещения транзистора с ОЭ. Входная и выходная цепи каскада в области высоких частот представляют собой параллельные резистивно-емкостные цепочки, уменьшающие модули своих комплексных сопротивлений с увеличением частоты сигнала, а следовательно, и выходное напряжение.

Комплексные амплитуды базового тока и выходного напряжения, как видно из рис12, определяются соотношениями

Верхняя граничная частота каскада будет определяться наибольшей из постоянных времени входной и выходной цепочек в области высоких частот _в,_вх=С_бэr_бэ, и _в,вых=С_кэR_к (здесь учтено, что выходное сопротивление транзистора намного больше сопротивления R_к).

Полная частотная характеристика резистивного каскада с ОЭ имеет вид:

.

Примерный вид АЧХ каскада приведен на рис. 13. Здесь

Рис. 13

Для расширения полосы частот усилителя необходимо увеличивать постоянную времени в области нижних частот за счет увеличения разделительной емкости или выбора транзистора с большим входным сопротивлением h ₁₁ и уменьшать постоянную времени в области верхних частот за счет выбора транзистора с меньшими значениями межэлектродных емкостей.

1) Обратной связью называется такая связь между цепями усилителя, при которой часть энергии усиленных колебаний в виде напряжения или тока с выхода усилителя передается на его вход. Обычно связь осуществляется через пассивные элементы, которые передают сигналы в обоих направлениях. Но выходное напряжение обычно намного больше входного, поэтому влияние входа цепи обратной связи на выход не учитывается. Структурная схема усилителя с обратной связью представлена на рисунке 5.25:

Рис.5.25. Структурная схема усилителя с обратной связью.

Пассивная цепь, соединяющая вход и выход усилителя, называется цепью обратной связи, а весь усилитель вместе с пассивной цепью – усилителем с обратной связью. Цепь обратной связи вместе с усилителем образует замкнутый контур, называемый петлей обратной связи. В усилителе может быть несколько петель обратной связи.

Различают три вида обратной связи: внутреннюю, внешнюю и паразитную. Внутренняя обратная связь существует во всех активных элементах. Внешняя обратная связь определяется наличием специальных цепей, введенных в усилитель. Паразитная связь появляется из-за паразитных емкостных и индуктивных связей, создающих пути для передачи напряжения с выхода усилителя на вход. Обычно внутренними и паразитными связи управлять невозможно. Можно лишь пытаться минимизировать их влияние. Внешняя обратная связь управляется легко. Ее специально вводят для улучшения качества усилителя: повышения стабильности коэффициента усиления, расширения полосы пропускания, уменьшения искажений, изменения величины входного и выходного сопротивлений усилителя.

В зависимости от схемы присоединения цепи обратной связи к входу усилителя, различают последовательную и параллельную обратную связь. В зависимости от схемы присоединения цепи обратной связи к выходу усилителя, различают обратную связь по напряжению и по току. Соответственно может быть 4 варианта схем с обратной связью, структурные схемы которых представлены на рис.5.26. Это усилитель с последовательной обратной связью по напряжению, усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, усилитель с последовательной обратной связью по току и усилитель с параллельной обратной связью по току.

А б

в г

Рис.5.26. Структурные схемы усилителей с обратной связью:

А – последовательная по напряжению; Б - параллельная по напряжению;

В – последовательная по току; г - параллельная по току.

Для выяснения вида обратной связи надо мысленно оборвать цепь нагрузки усилителя. Если обратная связь исчезает при обрыве нагрузки, в схеме имеется обратная связь по току. Если обратная связь исчезает при коротком замыкании нагрузки – в схеме имеется обратная связь по напряжению.

Затем нужно мысленно оборвать цепь источника сигнала. Если напряжение обратной связи не подается на вход при обрыве цепи источника сигнала – в схеме имеется последовательная обратная связь. Если напряжение не подается на вход при замыкании цепи источника сигнала – в схеме имеется параллельная обратная связь.

Введем следующие обозначения:

- напряжение на входе усилителя с обратной связью;

- напряжение на входе усилителя без обратной связи;

- напряжение на выходе цепи обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя с обратной связью;

- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Будем считать, что входное сопротивление цепи обратной связи значительно больше выходного сопротивления усилителя, а выходные сопротивления цепи обратной связи и источника сигналов значительно меньше входного сопротивления усилителя. Определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью при гармоническом сигнале на входе.

. (5.64)

Коэффициент усиления усилителя без обратной связи равен:

. (5.65)

Отсюда:

, (5.66)

. (5.67)

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен

. (5.68)

Из последнего выражения следует, что введение в усилитель обратной связи изменяет его коэффициент усиления в раз. Величину называют глубиной обратной связи. Произведение Определяет характер и численное значение обратной связи и называется петлевым усилением.

В зависимости от фазовых соотношений между входным и выходным напряжениями коэффициент усиления усилителя с обратной связью может принимать разные значения. Если фаза напряжения, поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи, совпадает с фазой напряжения, поступающего на вход усилителя от источника сигнала, то произведение будет положительной вещественной величиной. Такая обратная связь называется положительной. При положительной обратной связи:

. (5.69)

Из (5.69) видно, что увеличение положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. При коэффициент усиления становится равным бесконечности, а при - даже отрицательным. Физически это означает, что при отсутствии напряжения на входе усилителя имеется напряжение на выходе. Усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.

Если фаза напряжения, поступающего на вход усилителя из цепи обратной связи, сдвинута на 180о по сравнению с фазой напряжения, поступающего на вход усилителя от источника сигнала, то произведение будет отрицательной вещественной величиной. Такая обратная связь называется отрицательной. При отрицательной обратной связи коэффициент усиления усилителя равен:

. (5.70)

Из (5.70) видно, что введение в усилитель отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления. Это, естественно, является недостатком. Однако при этом становятся управляемыми и улучшаются другие параметры и характеристики усилителя. Поэтому отрицательная обратная связь широко используется, а требуемая величина коэффициента усиления достигается за счет введения дополнительных каскадов усиления.

Дата добавления: 2015-05-06