2 Схем. лек-Нел.эл.цепи_ОС- 24.02.22. Схемотехника Лекции Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
 Скачать 1.69 Mb.
|
Схемотехника ЛекцииНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваИнститут радиоэлектроники и информационных технологийКафедра «Электроника и сети ЭВМ»К.т.н., доцент кафедры ЭСВМ Калинина Н.А. Kalinina_na@list.ru Расчет нелинейных электрических цепейНелинейный элемент цепиНелинейным элементом называется элемент, у которого зависимость между входными и выходными параметрами носит нелинейный характер По ВАХ резистора можно определить его статистическое Rст и динамическое Rдин сопротивления в точке A: где Uп, Iп — напряжение и ток в точке А; ΔUп, ΔIп — конечные приращения напряжения и тока. Rдин – отношение малых приращений напряжения и тока, пропорциональное тангенсу угла наклона касательной в точке А к горизонтали. Графоаналитические методы расчета нелинейных цепейРасчет нелинейных электрических цепей достаточно сложен, так как нужно решать систему нелинейных уравнений. Поэтому на практике для расчета нелинейных электрических цепей используются графоаналитические методы:
кусочно-линейной аппроксимации; эквивалентных преобразований; пересечения характеристик. Метод линеаризацииЗаключается в замещении нелинейного элемента линейной схемой, справедливой для ограниченного диапазона тока и напряжения. Такое замещение нелинейного элемента позволяет описывать электрическую цепь с помощью системы линейных уравнений.
где Uo — пороговое напряжение диода; Rдин — динамическое сопротивление. Метод кусочно-линейной аппроксимацииЗаключается в замещении заданной нелинейной характеристики ломаной прямой с несколькими точками излома.
ВАХ можно разбить на три области:
область пробоя (АВ). Каждая из этих областей близка к линейной. Поэтому ВАХ диода можно представить тремя отрезками: С'D; АЕ' и А'В. Аналогично может быть аппроксимирован линейный участок в области обратного смещения (участок ЕА) и в области пробоя (участок АВ), когда к диоду приложено обратное напряжение. Метод эквивалентных преобразованийЗаключается в замене группы нелинейных элементов. Параметры такого элемента и режим работы могут быть определены графическим путем.
Необходимо определить ток в цепи IВХ и падение напряжения на резисторах U1, U2 и U3. Для схемы согласно закону Кирхгофа можно записать: , Зная ВАХ всех резисторов, входящих в схему, строим ВАХ эквивалентного сопротивления Uэкв(I). Проводим горизонтальную прямую на уровне Uвх до пересечения с ВАХ эквивалентного сопротивления. Точка А определяет параметры цепи, т.е. ток в цепи Iвх и падение напряжения на резисторах U1, U2 и U3. Метод пересечения характеристикПрименяется для анализа цепей с двумя последовательно включенными элементами, которые могут быть линейными и нелинейными. В основу метода положено то, что суммарное напряжение на последовательно включенных элементах определяется внешним источником напряжения Uвх и не зависит от тока, протекающего в цепи.
Решение задачи заключается в том, что одна из характеристик (R2(I)) зеркально разворачивается и перемещается относительно начала координат на величину U = Uвх. Точка пересечения ВАХ А дает искомый ток в цепи Iвх и падение напряжения на элементах U1 и U2. Метод пересечения характеристик. ПримерРассчитать цепь, содержащую последовательное соединение полупроводникового диода и резистора при Uвх =5 В, R=1 кОм.
Точка пересечения характеристик определяет ток и напряжения на участках цепи: Iвх = 3,4 мА; Uд = 1,2В; U2= 3,8 В. Аналоговые усилители: Классификация. Основные характеристики и параметры усилителей.Определение усилителяУсилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя:
источник питания Uп; нагрузочное устройство с сопротивлением ZН. Входной сигнал Uвх управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и др. Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй — инверсным. Классификация усилителейВ зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей:
Так же усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью. Основные характеристики усилителяАмплитудная характеристика – зависимость Uвых = f(Uвх). Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты: Umвых = f(f). Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного: Uφвых = f(f). Переходная характеристика – реакция усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным или апериодичным. Параметры усилителяКоэффициенты усиления по току КI, напряжению КU и мощности КP: где Iвх, Iвых, Uвх, Uвых, Рвх, Рвых — действующие значения токов, напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя. Полоса пропускания усилителя 2Δf характеризует его частотные свойства. Измеряется на уровне 0,707 от Kmax, 2Δf=fв–fн. Входное и выходное сопротивления, которые необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты: Выходная мощность усилителя — мощность, которая выделяется на нагрузке. Искажения сигналов в усилителе — отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные). Искажения сигналов в усилителеНелинейные искажения возникают в усилителе за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений: где An — амплитуда n-й гармоники; А1 — амплитуда основной гармоники выходного сигнала.Линейные искажения определяются АЧХ усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.Каскады усилителейДля получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов.
Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление. Усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность. При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером или с общим коллектором. Обратная связь в усилителяхОбратная связьОбратной связью (ОС) называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. ОС изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения его требуемых параметров. Структурная схема усилителя, охваченного ОС: В общем случае ОС в усилителе может быть положительной и отрицательной. Положительная обратная связьЕсли сигнал ОС по фазе совпадает с входным, то связь называется положительной (ПОС). В этом случае: где КUо — коэффициент усиления усилителя без ОС; КUпос — коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью; bос — коэффициент передачи в цепи ОС. Полученное выражение показывает, что введение в усилитель ПОС увеличивает коэффициент усиления. Отрицательная обратная связь (ООС) возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 180°: Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя. Способы получения сигнала ОСобратная связь по напряжению обратная связь по току Можно выделить четыре основных типа цепей ОС:
последовательная по выходному току; параллельная по выходному напряжению; параллельная по выходному току. Каждая из них может осуществлять как положительную, так и отрицательную ОС. Частотозависимая и частотонезависимая ОСВ общем случае значение коэффициента передачи цепи ОС может как зависеть, так и не зависеть от частоты сигнала. В соответствии с этим различают частотозависимую и частотонезависимую ОС. Применение частотозависимых цепей ОС позволяет изменять параметры усилительного устройства только в требуемом диапазоне частот. В качестве звена передачи сигнала ОС могут быть использованы как линейные, так и нелинейные элементы. Это позволяет изменять свойства усилителя только для заданных значений входного сигнала. Влияние ОС на основные характеристики усилителяВлияние ОС на коэффициент усиленияВ реальных усилительных устройствах коэффициент усиления зависит как от параметров используемых элементов, так и от условий эксплуатации:
При введении ООС относительное изменение коэффициента усиления в (1 + КUо*bос) раз меньше, чем без нее: При ПОС относительное изменение коэффициента усиления усилителя будет больше, чем у исходного усилителя. Влияние ОС на полосу усиливаемых частотВведение цепи ООС всегда расширяет полосу усиливаемых частот усилителя в (1 + КUо*bос) раз. При введении ПОС полоса пропускания усилителя уменьшается в (1 – КUо*bос) раз. Влияние ОС на нелинейные искаженияВведение в усилительное устройство ООС снижает коэффициент нелинейных искажений усилителя и повышает его помехоустойчивость. Коэффициент нелинейных искажений определяется соотношением где Uim — амплитуда i-гармоники. Если усилитель является линейной системой, то напряжение любой гармоники на его выходе, вне зависимости от природы его возникновения, складывается из собственного напряжения этой гармоники и напряжения этой же гармоники, прошедшей через цепь ООС и повторно через усилитель. Следовательно, для произвольной гармоники сигнал на выходе усилителя: . отсюда Следовательно, любой сигнал, появившийся на выходе усилителя, вне зависимости от природы его возникновения, будет уменьшен в (1 + КUо*bос) раз. Тогда или Коэффициент нелинейных искажений при введении в усилитель ООС уменьшается в (1 + КUо*bос) раз. Аналогично при введении в усилитель цепи ПОС его нелинейные искажения возрастут: Возрастает также и влияние на выходной сигнал усилителя различных внешних помех, таких как напряжение наводок, фон переменного тока и т. п. Влияние ОС на входное сопротивлениеИзменение входного сопротивления усилителя, охваченного цепью ОС, зависит только от способа ее введения во входную цепь устройства. Для усилителя, охваченного последовательной ООС, для входного сопротивления можно записать: где ZВХо — входное сопротивление усилителя без цепи ОС. Таким образом, введение в усилитель последовательной ООС в (1 + КUо*bос) раз увеличивает его входное сопротивление. Физически этот фактор можно объяснить следующим образом:
При наличии ПОС напряжение ОС, складываясь с напряжением источника входного сигнала, приводит к увеличению входного тока, что эквивалентно уменьшению входного сопротивления: Влияние ОС на выходное сопротивлениеВыходное сопротивление усилительного каскада, охваченного цепью ОС, зависит только от способа снятия сигнала обратной связи и не зависит от того, каким образом этот сигнал введен в его входную цепь. ООС по напряжению: знак «-» говорит о том, что выходное напряжение инвертировано по отношению к входному напряжению. Тогда: При увеличении коэффициента передачи цепи ПОС выходное сопротивление сначала увеличивается, стремясь к бесконечности, а при изменяет знак и становится отрицательным. ВыводыВведение цепи ОС может изменять основные параметры усилительного устройства как количественно, так и качественно. Выбором коэффициента передачи цепи ПОС можно добиться получения отрицательных значений входного и выходного сопротивлений усилителя. Способы введения и снятия сигналов ОС могут влиять на характер воздействия обратной связи на параметры усилителя. Если в качестве элементов цепи ОС использовать частотозависимые элементы, то можно получить частотозависимые параметры усилительного устройства. Вопросы??? |