Схемотехника. Материалы для подготовки к практическим занятиям по дисциплине схемотехника

• Название: Материалы для подготовки к практическим занятиям по дисциплине схемотехника
• Анкор: Схемотехника
• Дата: 30.10.2019
• Размер: 1.71 Mb.
• Имя файла: Met_k_prakt_zan_Skhemotekhnika_17g_chast_1 2.docx
• Тип: Материалы для подготовки; #92669
• страница: 4 из 5

2.2. Содержание практического занятия

- Ознакомиться с понятием «устойчивость усилителей с отрицательной обратной связью.

- Проанализировать способы обеспечения устойчивости.

- Подготовить ответы на контрольные вопросы.

2.3. Контрольные вопросы для этапа подготовки к занятию

1. Каковы причины уменьшения коэффициента усиления и появления дополнительного фазового сдвига в усилителях на высоких частотах?

2. Как проявляется неустойчивый режим работы усилителей?

3. Как формулируется критерий устойчивости Найквиста в терминах ЛАЧХ для усилителей с общей ООС?

4. Какой способ обеспечения устойчивости позволяет улучшить частотные свойства усилителя?

5. Какими недостатками обладает способ обеспечения устойчивости уменьшением глубины ООС?

6. Дайте сравнительную характеристику способам обеспечения устойчивости усилителя путем введения частотно-зависимого делителя и путем использования в усилителе цепи частотно-зависимой ООС.

7. Как изменится качество переходного процесса на выходе усилителя при уменьшении запаса его устойчивости?

__________________________________________________________

Практическое занятие «Схемы типовых функциональных узлов аналоговых электронных устройств»

Цель практического занятия заключается в знакомстве с типовыми функциональными устройствами аналоговой электронной аппаратуры. Приведенные ниже материалы посвящены принципам построения RC- генераторов на операционных усилителях (ОУ), а также с простейшими способами стабилизации амплитуды генерируемых сигналов.

Под генераторами понимается электронная цепь, формирующая переменное напряжение требуемой формы. В настоящей работе исследуются генераторы синусоидальных колебаний, построенные на ОУ с резистивно-ем костными обратными связями — RC -генераторы.

3.1. Основные характеристики и расчетные соотношения я

3.1.1. Условия возбуждения генераторов

Для того чтобы в замкнутой электронной цени (рис. 3.1,а), состоящей из усилителя и цепи обратной связи- с передаточными характеристиками K(jω) и α(jω) соответственно, существовали незатухающие синусоидальные колебания, необходимо выполнить некоторые условия.



Рис. 3.1

Разомкнем цепь обратной связи в точке А (см. рис. 3.1, а) и представим полученную структуру в развернутом виде (см. рис. 3.1,6). Цепь обратной связи (α-цепь) при этом необходимо нагрузить на R_экв-резистор, сопротивление которого равно входному сопротивлению усилителя. Если на частоте ω₀ входное напряжение усилителя U_вх,kравно выходному напряжению α-цепи U_{вых α},, то при переключении ключа S в положение 2 в замкнутой цепи существуют незатухающие гармонические колебания.

Отсюда вытекают два соотношения, определяющие требования к модулю петлевого усиления |K(jω) α(jω) | и к суммарному фазовому сдвигу по петле обратной связи φ_∑:

|K(jω) α(jω) | = 1 (3.1)

φ_∑ =φ_{К +} φ_α=± k2π (k = 0, 1,2, …) (3.2)

где φ_к =φ_к (ω₀); φ_α = φ_α(ω₀) − фазовые сдвиги, вносимые на частоте ω₀ усилителем и α-цепью соответственно.

Соотношение (3.1) называется условием баланса амплитуд, а соотношение (3.2)—балансом фаз. Следует подчеркнуть, что эти условия должны выполняться абсолютно точно, так как при уменьшении петлевого усиления (|K(jω₀) α(jω₀)|< 1) уже возникшие колебания будут затухающими, а при его увеличении усиления (|K(jω₀) α(jω₀)|>1) — расходящимися.

3.1.2. RC- генератор с фазосдвигающей цепью

При применении в качестве усилительного устройства ОУ может быть использован его инвертирующий вход, что обеспечивает фазовый сдвиг φ_К = —180°. Для выполнения условия баланса фаз можно в качестве α-цепи использовать RC-цепь третьего порядка, которая на некоторой частоте ω₀ создает фазовый сдвиг φ_α = + 180°. Пример такой цепи приводится на рис. 3.2, а, для которой при условии С₁= С₂ = С₃ = С и R₁ = R₂ = Rпроводимость передачи Y_п определяется выражением



Рис. 3.2

Y_п(jω) = I(jω) /U(jω) = 1/z_c(z²_cy² + 4z_cy + 3), (3.3)

где z_c = 1/ jωС — комплексное сопротивление конденсаторов С1, С2, СЗ; y=1/R— проводимость резисторов Rl, R2.

Частота ω₀, для которой φ_α = + 180°, определяется по формуле

ω₀ = 1/ √3RC(3.4)

Если в качестве усилительного устройства использовать преобразователь ток—напряжение с сопротивлением передачи R_П, равным R₀(φ_к = - 180°), а значение R₀ выбрать в соответствия с соотношением

R₀ = 12R, (3.5)

то будут выполняться условия (31), (3.2) и в схеме возникнут синусоидальные колебания с частотой ω₀.

Схема RС-генератора, построенная в соответствии с изложенными принципами, представлена на рис. 3.2, б. Здесь роль преобразователя ток — напряжение выполняет ОУ (А1) с резистором R3 в цепи обратной связи. Сопротивление резистора R3 определяет сопротивление передачи

R_П = - R₃ (3.6)

Таким образом, при заданной частоте f₀ расчет этого генератора сводится к определению сопротивлений резисторов R1, R2 и емкостей конденсаторов С1, С2, СЗ по формуле (3.4) и выбору сопротивления резистора R3 по соотношению (3.5). Амплитуда выходного напряжения генератора определяется значением максимального выходного напряжения ОУ (U _{вых.макс. ОУ}).

3.1.3. RC-генератор с избирательной цепью Вина

При построении RC-генераторов широко используется избирательная цепь Вина, схема которой представлена на рис. 3.3,а.

При условии R₁ = R₂ = RиС₁= С₂ = С коэффициент передачи напряжения этой цепи может быть определен по формуле

z(jω) = U_{вых a} / U_{вх a} = 1/ (3 + I (jωRС) + jωRС) (3.7)

Как видно из этой формулы, на частоте

ω₀ = 1/RC(3.8)

коэффициент передачи α-цепи имеет максимальное значение

z₀ = z(jω₀) = 1/3, (3.9)

а фазовый сдвиг равен 0 (φ_a = 0).

Графики зависимостей a(ω) и φ_a(ω) представлены на рис. 3.3,б



Рис. 3.3

При построении RC-генераторов с цепью Вина необходимо в соответствии с условиями {3.1) и (3.2) обеспечить К_о = 1/а_о=3 и φ_к:=0, что реализуется использованием неинвертирующего решающего усилителя. Принципиальная схема такого генератора представлена на рис. 3.4, а.

Для выполнения условия К_о = 3 необходимо, чтобы выполнялось соотношение

R₄ = 2R₃ (3.10)

Однако на практике приходится несколько изменить это соотношение с тем, чтобы К было больше 3. Это необходимо для самовозбуждения генератора. Причем, как было отмечено ранее, колебания будут расходящимися, и ограничение амплитуды сигнала произойдет при достижении U _{вых.макс. ОУ} .В этом случае благодаря нелинейности проходной характеристики ОУ будет автоматически устанавливаться значение К = = К_эф = 3 (см. рис. 3.4.6). Однако такой способ стабилизации амплитуды сигнала из-за резких изломов проходной характеристики ОУ связан с существенными нелинейными искажениями.



Рис. 3.4

Для снижения этих искажений в схему генератора вводится либо цепь автоматической регулировки усиления (АРУ), которая поддерживает К = 3 при амплитуде выходного сигнала, меньшей U _{вых.макс. ОУ} , либо цепь нелинейной обратной связи (НОС), которая «сглаживает» резкие изломы проходной характеристики ОУ.

В работе исследуется второй, более простой, способ стабилизации амплитуды выходного сигнала, реализованный и схеме генератора с мостом Вина цепью нелинейной обратной связи (рис. 3.5,а). Эта цепь содержит элементы VД1, VД2, R5 и резистор R6, в котором суммируются токи I_л и I_н, поступающие из цепей линейной и нелинейной обратной связи. При выборе значений сопротивлений резисторов R3, R4, R5, R6 следует руководствоваться соотношениями:

R.₅ = 1 — 5 кОм; R₄ >> R₅;

R.₃ ≈ 0,9 R.₄/2; R.₆ <<R.₃ (3.11)

При малых значениях амплитуды выходного сигнала U_{вых А} ток I_н практически отсутствует, следовательно,

К = 1 + R₄ /(R.₃ +R.₆ ) ≈ 1 + R₄ / R.₃ = 3,2 (3.12)

Амплитуда колебаний нарастает. При этом ток I_н растет быстрее, чем ток I_л, так как сопротивление прямосмещенного диода падает, а сопротивление резистора R5 много меньше сопротивления резистора R4 [выражения (3.11)]. При достижении номинального значения амплитуды выходного сигнала U_выхн ток I_н станет много больше I_л и возрастет до такого значения, при котором

R.₃ I_л + R.₆ (I_к+ I_н) = 1/3 U_{вых н} (3.13)

Таким образом, только для сигналов с амплитудой U_{вых н}выполняется условие баланса амплитуд, так как дальнейшее нарастание амплитуды выходного сигнала приводит к еще большему непропорциональному возрастанию тока I_н и к снижению К.



Рис. 3.5

Для того чтобы оценить значение U_{вых н} и установить его связь с параметрами схемы, рассмотрим напряжение U₆на резисторе R6. Учитывая, что R.₃ I_л =0,U_{вых н} /3, из соотношения (3.13) получим

U₆ ≈ U_{вых н} /30. (3.14)

Это напряжение практически целиком определяется током I_н, который можно выразить следующим образом:

I_н ≈ (U_{вых н} - U _Д) / R.₅ (3.15)

где U _Д — напряжение на прямосмещенном диоде.

Тогда уравнение, связывающее значение U_{вых н} с параметрами схемы, имеет вид

U_{вых н} /30 = R.₆ (U_{вых н} - U _Д) / R.₅ (3.16)

Введя обозначение n=30R₆/R₅ , получим окончательно

U_{вых н} = [n/(n-1)] U _Д (3.17)

Действие НОС иллюстрирует рис. 3.5,6, на котором приведен график зависимости К_эфот выходного сигнала. Как видно из графика, только при одном значении U_{вых А} равном U_{вых н}, коэффициент передачи замкнутого усилителя равен К_ои, следовательно, только при этом значении U_{вых А}обеспечивается условие (3.1).