Схемотехн. ПЗ (3). Методическое пособие для проведения практических занятий по дисциплине
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ Северо-Кавказский филиал федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования МОСКОВСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ _____________________________________________________________________________________________ _ КАФЕДРА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ для проведения практических занятий по дисциплине "СХЕМОТЕХНИКА ТЕЛЕКОММУНМКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ" Для студентов направления подготовки 210700.62 Инфокоммуникационные технологии и системы связи Квалификация (степень) выпускника бакалавр Ростов-на-Дону 2012 2 Львов В.Л. Схемотехника телекоммуникационных устройств. Методическое пособие для проведения практических занятий. Ростов-на- Дону: СКФ МТУСИ, 2012. -60с. Пособие предназначено для проведения занятий со студентами направления подготовки 210700.62 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи", квалификация (степень) выпускника бакалавр, профиля 3 МТС и профиля 4 СССК дневной и заочной форм обучения. Выполнение заданий ставит своей задачей приобретение студентами практических навыков решения задач анализа и синтеза электронных схем. Предлагаемое пособие содержит краткое изложение основных теоретических сведений и примеры решения типовых практических задач аналитическими методами и методами компьютерного моделирования с использованием программы Electronics Workbench. Сборник предназначен для подготовки студентов к практическим занятиям и является руководством при решении практических задач. Автор: Ассистент кафедры СПОИ Львов В.Л. Рецензенты: Зав. кафедрой СПОИ д.т.н. профессор Соколов С.В. Доцент кафедры СПОИ к.т.н. Щербань О.Г. Учебное пособие обсуждено и одобрено на заседании кафедры СПОИ Протокол № 4 от 22. 03. 2010 г. 3 Содержание 1. Практическое занятие № 1. Анализ влияния ООС на качество функционирования усилителей …………………………………………………4 2. Практическое занятие № 2. Исследование частотных и переходных характеристик усилительных каскадов ………………………………………15 3. Практическое занятие № 3. Анализ устойчивости усилителей……..28 4. Практическое занятие № 4. Аналитический расчет каскадов предварительного усиления …………………………………………………..42 5. Практическое занятие № 5 Анализ моделей электронных схем на основе ОУ ………………………………………………………………………47 4 Практическое занятие №1 (4 часа) Анализ влияния ООС на качество функционирования усилителей Цель занятия: - исследование влияния ООС на коэффициент усиления; - исследование влияния ООС на входное и выходное сопротивления усилителя. Обратная связь (ОС) широко используется в электронных усилительных устройствах, при этом, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС), которая и будет рассматриваться ниже. На первый взгляд, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления. Однако, как это часто бывает в технике вообще и в электронике в частности, один недостаток того или иного решения может значительно перевешиваться его достоинствами. Отрицательная обратная связь, хотя и уменьшает коэффициент усиления, но исключительно благотворно влияет на многие параметры и характеристики усилителя. В частности, уменьшаются искажения сигнала, в значительно большем диапазоне частот коэффициент усиления оказывается не зависящим от частоты и т.д. Различают 4вида обратной связи в усилителе. Эти виды ОС представлены на рис. 1.1 — 1.4. Рис. 1.1. Усилитель с обратной связью, последовательной по напряжению 5 Рис. 1.2. Усилитель с обратной связью, параллельной по напряжению Рис. 1.3. Усилитель с обратной связью, последовательной по току Рис. 1.4. Усилитель с обратной связью, параллельной потоку На этих рисунках: К - коэффициент усиления усилителя баз обратной связи (коэффициент прямой передачи), k ОС – коэффициент передачи обратной связи; U - входной сигнал, R - сопротивление загрузки. Рассмотрим влияние ООС на примере усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению (рис. 1.5). 6 Рис. 1.5. Схема усилителя с обратной связью, последовательной по напряжению В структурную схему входят цепь прямой передачи коэффициентом передачи К и цепь обратной передачи с коэффициентом передачи k ОС . В общем случае эти коэффициенты являются комплексными величинами. С целью упрощения будем рассматривать схему, в которой цепи являются линейными, а коэффициенты - вещественными. На усилитель с ООС подается внешний сигнал U ВХ1 , а на вход цепи прямой передачи - U ВХ2 . Очевидно, что 2 ВХ ВЫХ U U K ; ВЫХ ОС ОС U U K Определим коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. Этот коэффициент определяется по формуле 1 ВХ ВЫХ ОС U U K , где К ОС - коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. Легко заметить, что при отрицательной обратной связи в усилителе U вх2 =U вх1 - U oc , U вх1 =U вх2 + U oc . 7 Поэтому K k K U K k U U K U U U K U U K ОС ВХ ОС ВХ ВХ ОС ВХ ВХ ВХ ВЫХ ОС 1 2 2 2 2 2 Таким образом, K k K K ОС ОС 1 Величину 1+k ОС ·K называют глубиной обратной связи, а величину k ОС ·Kназывают петлевым усилением. Е СЛИ глубина обратной связи достаточно велика (|k ОС ·K|>> 1),то ОС ОС k K 1 Отсюда можно сделать следующий очень важный вывод: если глубина отрицательной обратной связи достаточно велика, то коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств прямой цепи. Теперь рассмотрим влияние ООС на входное и выходное сопротивления усилителя. Обратимся к структурной схеме усилителя (рис. 1.5). Входное сопротивление цепи прямой передачи будет равно ВХ ВХ ВХ I U R 2 , а входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, соответственно ВХ ВХ ОС ВХ I U R 1 Произведя следующие преобразования, получим 1 1 2 2 2 2 2 1 ОС ВХ ОС ВХ ВХ ВХ ОС ВХ ВХ ВХ ОС ВЫХ ВХ ВХ ОС ВХ ВХ ВХ ОС ВХ k K R k K I U I k K U U I k U U I U U I U R 8 Таким образом, входное сопротивление усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению равно R ВХ ОС = R ВХ ·(1+k ОС ·K). Теперь рассмотрим влияние обратной связи на выходное сопротивление усилителя. При упрощенном исследовании структурной схемы усилителя (рис. 1.5) будем исходить из того, что выходное сопротивление источника сигнала близко к 0, цепь обратной связи не представляет сколь-нибудь заметной нагрузки для усилителя и что входное сопротивление цепи прямой передачи значительно больше выходного сопротивления цепи обратной связи. Пренебрегая, таким образом, ответвлением тока в цепь обратной связи, запишем выражение для выходного тока Н ВЫХ ВХ ВЫХ R R U K I 2 . Представим U ВХ2 в следующем виде U ВХ2 = U ВХ1 – U ОС = U ВХ1 - k ОС · U ВЫХ = U ВХ1 – k ОС · I ВЫХ · R Н . Подставим выражение U ВХ2 в выражение для I ВЫХ – получим Н ВЫХ Н ВЫХ ОС ВХ ВЫХ R R R I k U K I 1 Решим это уравнение относительно I ВЫХ : Н ОС ВЫХ ВХ ВЫХ R k K R U K I 1 1 Это решение может быть представлено следующим образом: Н ОС ВЫХ ВХ ОС Н ОС ВЫХ ВХ ОС ВЫХ R R U K R k K R U k K K I 1 1 1 1 , где ОС ВЫХ ОС ВЫХ k K R R 1 9 Для других видов отрицательной связи в усилителе коэффициент усиления К ОС рассчитывается по аналогичной формуле ОС ОС k K K K 1 На входное и выходное сопротивления вид отрицательной обратной связи влияет по разному. Рассмотрим обратную связь по напряжению. Она препятствует изменению выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. Можно показать, что характер изменения выходного сопротивления не зависит от того, является связь параллельной или последовательной. Таким образом, для обратной связи по напряжению ОС ВЫХ ОС ВЫХ k K R R 1 Теперь обратимся к обратной связи по току. Она препятствует изменению выходного тока при изменении сопротивления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по току увеличивает выходное сопротивление. При этом характер изменения выходного сопротивления также не зависит от того, является ли связь параллельной или последовательной. Таким образом, для обратной связи по току ОС ВЫХ ОС ВЫХ k K R R 1 Подобные рассуждения (и соответствующие математические выражения) показывают, что параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление усилителя, охваченного ею, а последовательная увеличивает. Характер изменения входного сопротивления не зависит от того, является ли обратная связь связью по току или по напряжению. Таким образом, при параллельной обратной связи 10 ОС ВХ ОС ВХ k K R R 1 а при последовательной обратной связи ОС ВХ ОС ВХ k K R R 1 Задача №1 Для схемы усилителя с отрицательной обратной связью, последовательной по напряжению, определить К ОС , К, k ОС , R ВЫХ ОС , если известно, что U ВХ = (20n - 3) мВ, U ВЫХ = (100n - 20) мВ, R BX ОС = 50n/8 кОм, R BX = 5n кОм, R ВЫХ = 80n кОм, где n - номер студента по журналу. Проверить правильность произведенных расчетов при помощи компьютерного моделирования с использованием программы Electronics Workbench, построив для этого на экране монитора схему усилителя с обратной связью, последовательной по напряжению (рис. 1.6). Для моделирования отрицательной обратной связи в данной программе коэффициент обратной связи k ОС в схеме необходимо задавать со знаком «-». Рис. 1.6. Схема усилителя с обратной связью, последовательной по напряжению Для построения данной схемы необходимо открыть программу Electronics Workbench и левой кнопкой «мыши» «перетащить» на рабочее поле все необходимые элементы: 11 - из набора Источники (Sources) - источник переменного напряжения (AC Voltage Source) и четыре заземления (Ground); - из набора Базис (Basic) - резистор (Resistor); - из набора Аналоговые вычислительные устройства (Controls) -два масштабирующих блока (Voltage Gain Block); - из набора Индикаторы (Indicators) - два вольтметра (Voltmeter). Соединить все элементы соединительными линиями в соответствии с рис. 1.6, для этого подвести курсор к выводу элемента - появится черная точка. Нажать левую кнопку «мыши» и, не отпуская ее, вести курсор до вывода другого элемента, где опять появится черная точка, затем отпустить кнопку «мыши». Для соединения вывода элемента с линией (тройное соединение) необходимо соединение вести от вывода элемента к линии, а не наоборот. Для задания параметров любого элемента необходимо навести курсор на элемент и нажать правую кнопку «мыши». Откроется окно, в котором можно удалять элемент (Delete), поворачивать элемент на 90° (Rotate) или задавать параметры элемента (Component Properties). Задать элементам схемы заданные и вычисленные параметры: U BX , К, k ОС , R Н = 1 кОм, частота источника сигнала - 50 Гц, вольтметры - в режиме измерения переменного напряжения (Mode - АС). Для масштабирующих блоков коэффициенты прямой передачи (К) и цепи обратной связи (k ОС ) задаются в строке Gain. Включить схему - нажать кнопку « | » в верхнем правом углу рабочего поля (Activate simulation). Убедиться, что выходное напряжение соответствует вычисленному. Выключить схему - нажать кнопку «О». Значение выходного напряжения занести в отчет. Задача № 2 Для схемы усилителя с отрицательной обратной связью, параллельной по напряжению, определить U BX , К ОС , k ОС , R ВХ ОС , если известно, что U ВЫХ = 12 (100n - 15) мВ, R BX = (6n + l) кОм, R ВЫХ ОС = 80n кОм, R ВЫХ = 800n/7 кОм, К = 5, где n - номер студента по журналу. Проверить правильность произведенных расчетов при помощи компьютерного моделирования с использованием программы Electronics Workbench, построив для этого на экране монитора схему усилителя с обратной связью, параллельной по напряжению (рис. 1.7). Рис. 1.7. Схема усилителя с обратной связью, параллельной по напряжению Для построения данной схемы необходимо к уже выбранным элементам в задаче №1добавить еще два заземления (Ground) и из набора Аналоговые вычислительные устройства (Controls) добавить трехвходовый сумматор (Tree-Way Voltage). Соединения перекоммутировать в соответствии с рис. 1.7. Для удаления соединения необходимо подвести курсор к выводу элемента, появится черная точка. Нажать левую кнопку «мыши» и, удерживая ее, отвести соединение на свободное место и затем отпустить кнопку «мыши», соединение исчезнет. Включить схему - нажать кнопку « | » в верхнем правом углу рабочего поля (Activate simulation). Убедиться, что выходное напряжение соответствует вычисленному. Выключить схему - нажать кнопку «О». Значение выходного напряжения занести в отчет. 13 Задача № 3 Для схемы усилителя с отрицательной обратной связью, последовательной по току, определить U ВЫХ , К, R BX ОС , R ВЫХ, если известно, что U BX = (20n + l) мВ, К ОС = 4,5, R ВЫХ ОС = 75n кОм, R BX = 5n кОм, k ОС = 0,04, где n - номер студента по журналу. Проверить правильность произведенных расчетов при помощи компьютерного моделирования с использованием программы Electronics Workbench, построив для этого на экране монитора схему усилителя с обратной связью, последовательной по току (рис. 1.8). Рис. 1.8. Схема усилителя с отрицательной обратной связью, последовательной по току Включить схему - нажать кнопку « | » в верхнем правом углу рабочего поля (Activate simulation). Убедиться, что выходное напряжение соответствует вычисленному. Выключить схему - нажать кнопку «О». Значение выходного напряжения занести в отчет. Задача № 4 Для схемы усилителя с отрицательной обратной связью, параллельной по току, определить U ВХ , К, К ОС , R ВЫХ , если известно, что U ВЫХ = (80n + 10) мВ, R ВЫХ ОС = 88n кОм, R BX ОС = 10n кОм, R BX = (15n + 5) кОм, k ОС = 0,05, где n - номер студента по журналу. Проверить правильность произведенных расчетов при помощи компьютерного моделирования с использованием программы |