Лекции по электронике1. Курс лекций угату 2008 удк ббк ш21 Шаньгин Е. С
 Скачать 6.22 Mb.
|
Рис. 11.2. Структура усилителя Рис. 11.3. Временные диаграммыс МДМ напряжений в усилителе Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой fоп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение uм с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор – фазочувствительный выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу. Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3. Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах. Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике. УСЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ (мощные выходные усилители) Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность. Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классов В или АВ. Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт). В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Pнпри разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения  .Тогда максимально возможная нагрузки Рн.макс определится выражением  ,откуда  .Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 11.4). Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых – соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.  Рис. 11.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 11.5. В ней через R'нобозначено приведенное сопротивление нагрузки  ,где n – коэффициент трансформации (  ). Рис. 11.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых=R'н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:  .Трансформаторные усилители мощности Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 11.6).  Рис. 11.6. Трансформаторный усилитель мощности Трансформаторы ТР1 и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а элемент С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т. Мощность, потребляемая усилителем от источника питания Pпотр=Ек·Iкн. Следовательно, КПД усилителя  .Для идеального усилителя теоретический КПД усилителя  . Реальный же КПД  .Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 11.7). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 11.7,а), либо с ОБ (рис. 11.7,б). Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисторы R1 и R2 обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов). Двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала (рис. 11.8). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока Iк0  .Коэффициент полезного действия двухтактного усилителя мощности класса В  . Рис. 11.7. Двухтактный усилитель мощности  Рис. 11.8. Временные диаграммы двухтактного усилителя класса В Для идеального усилителя Uкт = Ек, Iкт = I1, ηтр = 1, а следовательно, теоретический КПД  . Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7.Бестрансформаторные усилители мощности В настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности. Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на биполярных транзисторах различного типа проводимости (комплементарный эмиттерный повторитель, усилитель с дополнительной симметрией) (рис. 11.9). Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения uвх транзистор Т1 работает в режиме усиления, а транзистор Т2 – в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями.  Рис. 11.9. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности Максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением  .При максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением  .Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя  .Для уменьшения нелинейных искажений обеспечивают некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 11.10). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.   Рис. 11.10. Двухтактный усилитель АВ-класса Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 11.11). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах Т1 и Т2.  Рис. 11.11. Двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем Поскольку напряжение на нагрузке Rн примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ. 12. ЭЛЕКТРОННЫЕ ФИЛЬТРЫ Фильтром называют устройство, которое передает (пропускает) синусоидальные сигналы в одном определенном диапазоне частот (в полосе пропускания) и не передает (задерживает) их в остальном диапазоне частот (в полосе задерживания). Фильтры используют для передачи не только синусоидальных сигналов, но, определяя полосы пропускания и задерживания, ориентируются именно на синусоидальные сигналы. Зная, как фильтр передает синусоидальные сигналы, обычно достаточно легко определить, как он будет передавать сигналы и другой формы. В устройствах электроники, широко использующих фильтры, различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых фильтрах перед обработкой сигналов осуществляют такое преобразование. Аналоговые фильтры строят на основе как пассивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов), так и активных элементов (транзисторов, операционных усилителей). Для аналоговой фильтрации широко используют также электромеханические фильтры: пьезоэлектрические и механические. В пьезоэлектрических фильтрах используют естественный и искусственный кварц, а также пьезокерамику. Основу механического фильтра составляет то или иное механическое устройство. Важно различать требования, предъявляемые к фильтрам силовой и информативной (информационной) электроники. Фильтры силовой электроники должны иметь как можно больший коэффициент полезного действия. Для них очень важной является проблема уменьшения габаритных размеров. Такие фильтры строятся на основе только пассивных элементов. К фильтрам силовой электроники относятся сглаживающие фильтры выпрямителей, проходные фильтры силовых трансформаторов и т. д. Фильтры информативной электроники чаще разрабатывают при использовании активных элементов. При этом широко используют операционные усилители. Фильтры, содержащие активные элементы, называют активными. В современных конструкциях фильтров обычно не используют катушки индуктивности из-за их больших габаритов и высокой трудоемкости изготовления. Поэтому активные фильтры могут быть изготовлены с применением технологии интегральных микросхем. Нередко активные фильтры оказываются дешевле соответствующих фильтрах на пассивных элементах и занимают меньшие объемы. Активные фильтры способны усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания. Во многих случаях их достаточно легко настроить. К недостаткам активных фильтров можно отнести:
Классификация фильтров по виду их амплитудно-частотных характеристик Фильтры нижних частот. Для фильтров нижних частот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются. На рис. 12.1,а показана характеристика идеального (не реализуемого на практике) фильтра (ее иногда называют характеристикой типа «кирпичная стена»). На других рисунках представлены характеристики реальных фильтров.  Рис. 12.1.Амплитудно-частотные характеристики фильтров нижних частот Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза ωс. Обычно частоту среза определяют как частоту, на которой величина А(ω) равна 0,707 от максимального значения (т. е. меньше максимального значения на 3 дБ). Полоса задерживания (подавления) начинается от частоты задерживания ωзи продолжается до бесконечности. В ряде случаев частоту задерживания определяют как частоту, на которой величина А(ω) меньше максимального значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз). Между полосами пропускания и задерживания у реальных фильтров расположена переходная полоса. У идеального фильтра переходная частота отсутствует. Фильтры верхних частот. Фильтр верхних частот характерен тем, что он пропускает сигналы верхних и задерживает сигналы нижних частот. На рис. 12.2,а приведена идеальная (нереализуемая) амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот, а на рис. 12.2,б – одна из типичных реальных. Через ωс и ωз обозначены частоты среза и задерживания.  Рис. 12.2. Амплитудно-частотные характеристики фильтров верхних частот Полосовые фильтры (полосно-пропускающие). Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот. Сигналы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает. На рис. 12.3,а приведена амплитудно-частотная характеристика идеального (нереализуемого) фильтра и одна из типичных реальных характеристик (рис. 12.3,б). Через ωс1и ωс2 обозначены две частоты среза, ω0 – средняя частота. Она определяется выражением  . Рис. 12.3. Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтра а-идеальная характеристика; б-реальная характеристика Режекторные фильтры (полосно-заграждающие). Режекторные фильтры не пропускают (задерживают) сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускают сигналы с другими частотами. Амплитудно-частотная характеристика идеального (нереализуемого) фильтра приведена на рис. 12.4,а. На рис. 12.4,б показана одна из типичных реальных характеристик.  Рис. 12.4. Амплитудно-частотные характеристики режекторного фильтра Всепропускающие фильтры (фазовые корректоры). Эти фильтры пропускают сигналы любой частоты. Такие фильтры используются в некоторых электронных системах для того, чтобы изменить с той или иной целью фазочастотную характеристику всей системы (рис. 12.5).  Рис. 12.5. Амплитудно-частотная характеристика всепропускающего фильтра Классификация фильтров по передаточным функциям Рассмотрим эту классификацию на примере фильтров низкой частоты. На практике широко используются фильтры, отличающиеся характерными особенностями амплитудно-частотных характеристик. Это фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя (Томсона) (рис. 12.6).  Рис. 12.6. Амплитудно-частотные характеристики фильтров Фильтры Баттерворта характеризуются наиболее плоской амплитудно-частотной характеристикой в полосе пропускания. Это их достоинство. Но в переходной полосе указанные характеристики спадают плавно, недостаточно резко. Фильтры Чебышева отличаются резким спадом амплитудно-частотных характеристик в переходной полосе, но в полосе пропускания эти характеристики не являются плоскими. Фильтры Бесселя характеризуются очень пологим участками амплитудно-частотных характеристик в переходной полосе, еще более пологими, чем у фильтров Баттерворта. Их фазочастотные характеристики достаточно близки к идеальным, соответствующим постоянному времени замедления, поэтому такие фильтры мало искажают форму входного сигнала, содержащего несколько гармоник. Активные фильтры Приведем в качестве примера две схемы фильтров второго порядка. Схема фильтра нижних частот приведена на рис. 12.7. Можно отметить, что на низких частотах (и на постоянном токе) фильтр имеет коэффициент усиления, который описывается следующим выражением:  ,где К – величина, определяющая сопротивление в цепи обратной связи (К-1)·R (рис. 12.7).  Рис. 12.7. Активный фильтр нижних частот Приведенное выражение соответствует неинвертирующему усилителю. При увеличении частоты входного сигнала напряжение на выходе уменьшается во-первых, в связи с уменьшением напряжения на неинвертирующем входе (т.е. на емкости С2) из-за уменьшения модуля комплексного сопротивления емкости С2. Во-вторых, уменьшается напряжение uа из-за того, что модуль комплексного сопротивления емкости С1 уменьшается и через эту емкость с выхода усилителя в точку «а» подается ток, который значительно сдвинут по фазе относительно напряжения uвх. Фильтр верхних частот представлен на рис. 12.8. На высоких частотах коэффициент усиления фильтра равен К. В зависимости от параметров резисторов R1 и R2 и конденсаторов С1 и С2 схема реализует фильтры Баттерворта, Чебышева или Бесселя.  Рис. 12.8. Активный фильтр верхних частот Краткая характеристика активных фильтров на переключаемых конденсаторах. Переключаемый конденсатор – это своего рода дозатор, передающий строго определенные заряды из одной электрической цепи в другую. Упрощенная схема, поясняющая работу переключаемого конденсатора, представлена рис. 12.9. Ключи S1 и S2 работают в противофазе, т.е. когда ключ S1 замкнут, ключ S2 разомкнут, и наоборот. После замыкания ключа S1 конденсатор накапливает заряд uвх· С, получая его от источника входного напряжения. После замыкания ключа S2 конденсатор отдает указанный заряд в цепь этого ключа.  Рис. 12.9. Активный фильтр на переключаемых конденсаторах Чем чаще будут переключаться ключи, тем больший заряд в единицу времени будет передаваться в указанную цепь, т.е. тем больше будет среднее значение тока i. Использование переключаемого конденсатора позволяет изменять среднее значение тока iпутем изменения частоты переключения. В этом режиме переключаемый конденсатор играет роль резистора с регулируемым сопротивлением. Активные фильтры на переключаемых конденсаторах имеют следующие достоинства, позволяющие достаточно часто использовать их на практике:
13. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного входного сигнала. Различают два режима возбуждения генератора: самовозбуждение (мягкий режим) и с внешним начальным сигналом (жесткий режим). RC-генераторы с мостом Вина. Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. 13.1.  Рис. 13.1. Мост Вина При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f0, напряжение на выходе uвых равно нулю (при ненулевом входном напряжении uвх). Резонансная частота определяется выражением  .В реальных схемах генераторов для поддержания колебаний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряжение uвых несколько отличалась от нуля. Поэтому реально мост работает с некоторым рассогласованием, когда отношение сопротивлений R1/R2 несколько отличается от 2 (более точно R1/R2>2). Схема генератора на операционном усилителе с очень простой схемой автоматической стабилизации амплитуды, которую обеспечивают диоды, представлена на рис. 13.2. Пунктиром показан усилитель, представляющий из себя ОУ, охваченный цепью отрицательной обратной связью (ООС) и имеющий коэффициент усиления К. С помощью частотно-зависимой RC-цепи (упрощенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью положительной обратной связи.  Рис. 13.2. Генератор на ОУ с мостом Вина и стабилизатором амплитуды на диодах На частоте f0 коэффициент передачи упрощенного моста Вина β=1/3. Для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы К·β≥1, т.е. R1+R2≥2R3. При практическом применении подобных генераторов нагрузку часто желательно подключать через дополнительный буферный усилительный каскад. Кварцевые генераторы. Основой генераторов составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый генератор – это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта. При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 13.3,а) его удобно заменить эквивалентной схемой (рис. 13.3,б).  Рис. 13.3. Схема кварцевого резонатора (а) и его эквивалентная схема (б) В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса. На частоте последовательного резонанса  резонатор имеет минимальное сопротивление RК. Частота параллельного резонанса  .В диапазоне частот между ωк и ω0 резонатор ведет себя как некоторая индуктивность. Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qк=104 ÷ 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10–6 ÷ 10–9). Упрощенная схема кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 13.4).  |