Шамшин В.Г. Основы схемотехники. Учебно-методический комплекс

Подождите немного. Документ загружается.

133

В первом случае (рис.11.1, а) управляющий сигнал представляет собой

часть выходного, прошедшего через детектор и фильтр. Во втором случае

(рис.11.1, б) управляющий сигнал формируется за счет входного, который

вначале усиливается в УПТ, затем пропускается через детектор и фильтр.

В третьем случае (рис.11.1, в) регулирование осуществляется одновременно в

двух каскадах: в одном по прямому, в другом - по обратному принципам.

- в зависимости от уровня входного сигнала регулирование может быть

непрерывным (не задержанным) и задержанным. При непрерывном регули-

ровании (рис.11.2, а) воздействие устройства проявляется при любом уровне

входного сигнала U

рег

= F(ΔU

вх

), а при задержанном (рис.11.2, б) – при дос-

тижении входным сигналом заданного порогового уровня U

рег

= F(U

пор

+ΔU

вх

Рис.112. Амплитудные характеристики усилителя с АРУ

- системы АРУ также подразделяются на системы непрерывного и дис-

кретного действия.

- в зависимости от числа усилительных каскадов, охваченных цепью

регулирования, АРУ могут быть однопетлевыми и многопетлевыми.

11.2. Характеристики и параметры устройств регулирования

Действие устройств регулирования усиления оценивается регулиро-

вочными характеристиками, представляющими собой зависимости коэффи-

циента усиления от напряжения управления.

а) б)

Рис.113. Регулировочные характеристики усилителя с АРУ

134

На рис.11.3. приведены типовые регулировочные характеристики по

аналоговому и дискретному принципам регулирования.

Устройства регулирования характеризуются диапазоном регулирова-

ния D

, точностью регулирования Δ D

, а также уровнем вносимых частот-

ных искажений М

. Из амплитудной характеристики видно, что динамиче-

ский диапазон усилителя определяется соотношением минимального и мак-

симального уровней входного сигнала. При этом минимальный уровень

вхmin

должен быть больше напряжения собственных шумов е

на величину

принятого коэффициента превышения К

пр

шпршвх

еКе

U ×=×

min

(11.1)

В этом случае динамический диапазон усилителя будет равен

шпр

вх

еК

maxmax

(11.2)

Диапазон регулирования определяется соотношением коэффициентов

усиления К

мах

при U

рег

=0 и К

min

при U

регmax

min

мах

= (11.3)

11.3. Принципы и методы регулирования

Рассмотрение принципов регулирования удобнее всего производить на

основе обобщенной функциональной схемы (рис. 11.4) усилителя, содержа-

щей входную цепь с коэффициентом передачи К

вх

, активную часть с коэф-

фициентом усиления К

(коэффициентом усиления в режиме холостого хода),

выходную цепь с коэффициентом передачи К

и цепь отрицательной обрат-

ной связи с коэффициентом передачи β.

Рис.114. Обобщенная функциональная схема усилителя

135

В связи с тем, что сквозной коэффициент усиления определяется соот-

ношением

по

вхс

КК

××+

×=

, (11.4)

то из него следует, что регулирование усиления возможно производить воз-

действием на каждый отдельный параметр.

Регулирование коэффициента передачи входной цепи и коэффициента

передачи пассивной части усилителя может быть осуществлено шунтирова-

нием входных или выходных цепей усилительного каскада. Для регулирова-

ния коэффициента усиления активного блока может быть применено измене-

ние режима работы активного элемента (транзистора) или величины сопро-

тивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Регулирование обратной

связью осуществляется изменением глубины обратной связи.

11.3.1. Метод шунтирования входной цепи

Использование метода шунтирования входной цепи (рис.11.4) направ-

лено на изменение коэффициента передачи входной цепи усилителя. Ранее

было отмечено, что коэффициент передачи входной цепи определяется соот-

ношением сопротивлений источника сигнала и входного сопротивления кас-

када с ОЭ

вхг

вх

= ,

вх

= .

а) б)

Рис.114. Схемы регулирования коэффициента передачи входной цепи

Введение во входную цепь регулировочного резистора R

приводит к

изменению входного сопротивления, которое станет равным

pвх

вх

=' ,

что приведет к изменению коэффициента передачи входной цепи

вхг

вх

= . Таким образом, диапазон регулирования D

, обеспечиваемый

136

данной схемой, определяется величиной сопротивления источника сигнала R

и диапазоном изменения d = R

pmax

pmin

сопротивления резистора R

1'/

вхг

D =

1 . (11.5)

Текущее значение коэффициента передачи входной цепи определяется

сопротивлением R

введенной части регулировочного резистора. Рекомен-

дуемое сопротивление регулятора может быть определено, как среднее гео-

метрическое между входным сопротивлением и сопротивлением источника

сигнала

вх

R ×= . (11.6)

Так как переменные резисторы (потенциометры) изготавливаются с

различными законами изменения сопротивления в зависимости от угла пово-

рота движка (рис.11.5, а), то нужный потенциометр устанавливается в зави-

симости от требуемого закона регулирования.

а) б)

Рис.11.5. Характеристики регулируемых сопротивлений

В случае дискретного регулирования взамен резистора R

устанавлива-

ется делитель напряжения, содержащий некоторое число отдельных резисто-

ров по числу принятых ступеней регулирования. В ряде случаев применяется

одновременное использование ступенчатого и плавного регулирования.

11.3.2. Метод шунтирования выходной цепи

Из формулы определения номинального коэффициента усиления кас-

када с общим эмиттером

нк

RRS

па

КК

(11.7)

следует, что его величина зависит от сопротивления нагрузки и максималь-

ное его значение в режиме холостого хода равно К

=S·R

(рис.11.6, б), кото-

137

рое является коэффициентом усиления активной части К

. Введение в цепь

нагрузки шунтирующего элемента изменяет общее сопротивление нагрузки,

которое станет равным

шн

=' и соответственно коэффициент переда-

чи пассивной части определится как

нк

= .

а) б)

Рис.11.6. Схема шунтирования нагрузки

Для обеспечения нелинейной зависимости коэффициента усиления от

управляющего напряжения в качестве шунтирующего элемента применяется

резистор, сопротивление которого меняется по закону

рег

ош

еRR

×=

(рис.11.5, б).

11.3.3. Регулирование коэффициента передачи активной части

Данный метод основан на изменении крутизны транзистора. Из теории

транзисторов известно, что их крутизна зависит от режима работы (напряже-

ния или тока управляющего электрода). Так, у полевого транзистора кру-

тизна определяется

)1(

отс

зи

SS -×= , (11.8)

а у биполярного транзистора

ко

» . (11.9)

11.3.4. Регулирование обратной связью

Регулирование усиления обратной связью производится в большинстве

случаев использованием последовательной отрицательной обратной связи (Z

типа). При отсутствии цепи регулирования под действием ООС коэффициент

усиления каскада с ОЭ равен

×+

. (11.10)

138

Для регулирования уровня усиления параллельно резистору R

уста-

навливается нелинейный элемент, например полевой транзистор (рис. 11.7).

В этом случае в формуле (11.10) сопротивление R

заменяется на R'

= R

// R

─ внутреннее сопротивление полевого транзистора).

Рис.11.7. Схема регулирования обратной связью

Внутреннее сопротивление транзистора и соответственно глубина об-

ратной связи, определяющей нужное усиление, зависит от поданного на за-

твор управляющего сигнала U

рег

)(2

отс

зи

сн

отс

-×

= . (11.11)

Таким образом, диапазон регулирования зависит от коэффициента пе-

редачи b цепи этой связи и равен

×+

min

max

min

max

. (11.12)

Практика применения различных методов регулирования показывает,

что наиболее эффективным, определяющим наибольший динамический диа-

пазон регулирования, является метод использования обратной связи.

139

Материалы для практических занятий

1. Расчет основных параметров и влияния обратных связей

Задача 1.1. Определить общий коэффициент усиления двухкаскадного

усилителя, если К1=100, К2=40 дБ.

Решение. 1. Поскольку значения коэффициентов усиления отдельных

каскадов выражены в различных единицах, то производится их перевод в

единую систему

1дБ

=20lg100 = 40 дБ, или К

= 10

(40/20)

= 100

2. К

дБ

= 40 + 40 =80 дБ или К=100 · 100 =10000.

Задача 1.2. Найти число каскадов усилителя, имеющего общий коэф-

фициент усиления 60 дБ, если отдельные каскады имеют коэффициенты уси-

ления К

=10.

Примечание. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилите-

ля с одинаковыми коэффициентами усиления равен К = К

(N- число каска-

дов усилителя).

Задача 1.3. Определить выходное напряжение двухкаскадного усилите-

ля при входном напряжении U

вх

= 5 мВ, если коэффициент усиления первого

каскада равен К1=20, второго – К2=40 дБ.

Решение. 1. К

= 10

(40/20)

= 100.

2. Общий коэффициент усиления К=К1·К2= 20·100 = 2000.

3. Выходное напряжение Uвых =5·10

-3

·2000 = 10 В.

Задача 1.4. Определить выходное напряжение двухкаскадного усилите-

ля, работающего от источника сигнала Е

= 50 мВ с внутренним сопротивле-

нием R

= 800 Ом, если входное сопротивление первого каскада составляет

вх

=200 Ом, коэффициент усиления этого каскада равен К1=20, второго –

К2=40 дБ.

Примечание. Сквозной коэффициент усиления учитывает коэффициент

передачи входной цепи первого каскада

2.0

200800

200

вхг

вх

К .

Задача 1.5. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усили-

теля с входным напряжением 10 мВ, если выходные напряжения соответст-

венно равны 0,2 В и 10 В.

Решение. Так как U

вых1

= U

вх2

, то К1= U

вых1

/ U

вх

= 0.2/ 0/01= 20,

К2= 10/0/2 = 50, К = К1·К2 = 20·50 = 1000.

140

Задача 1.6. Определить отдаваемую в нагрузку R

=16 Ом мощность

усилителя, входное напряжение которого равно 10 мВ и коэффициент усиле-

ния К

= 400.

Решение. 1. Вначале находится амплитуда выходного напряжения

вых

= К

·U

вх

= 400·0.01=4 В.

2. Выходная мощность равна Р

вых

= U

вых

= 4

/16= 1 Вт.

Задача 1. 7. Номинальный коэффициент усиления составляет 40 дБ.

Определить коэффициент частотных искажений на высшей частоте

усиления, на которой коэффициент усиления К

=80.

Решение. 1. Номинальный коэффициент усиления в относительных

единицах К

= 10

(40/20)

= 100.

2. Коэффициент частотных искажений М

= 100/80 =1.25.

Задача 1.8. Определить динамический диапазон усилителя, если на-

пряжение шума Е

=10 мкВ, коэффициент превышения входного сигнала над

шумом равен 2, коэффициент усиления К

=60 дБ, выходное напряжение на-

сыщения U

выхмах

= 2 В.

Решение. D

= U

выхмах

вх

= U

выхмах

·К

пр

·К

= 2/10·10-6·2·1000 = 100.

Задача 1.9. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усили-

теля, охваченного общей ООС с коэффициентом передачи b = 0.01, если К1 =

40 и К2 = 20 дБ.

Решение. 1. Коэффициент усиления второго каскада в относительных

единицах К

= 10

(20/20)

= 10.

2. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью

01.010401

1040

211

××+

КК

Задача 1.10. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усили-

теля, у которого второй каскад охвачен ООС с коэффициентом передачи b =

0.1, если К1 = 30, К2 = 20дБ.

Решение.

150

01.0101

1030

×+

КК

141

Задача 1.11. Определить коэффициент усиления схемы с отрицательной

обратной связью, если U

вх

= 1 мВ, b = -40 дБ, U

ос

=1 мВ.

Решение. 1. Выходное напряжение U

вых

ос

/b= 10

-3

/0.01 = 0.1 В.

2. Коэффициент усиления схемы без обратной связи К

=0.1/0.001= 100.

3. Коэффициент усиления схемы с обратной связью

= 100/ (1+0.01·100) = 50.

Задача 1.12. Определить коэффициент передачи цепи обратной связи

усилителя, имеющего собственный коэффициент усиления К

=500, при охва-

те его ООС с глубиной F=20 дБ.

Решение. b = (F-1)/К

= (10-1)/500 = 0.018.

Задачи для самостоятельного решения

1. Определить U

выхмах

, если U

вхmin

= 10 мВ, D

=40 дБ, К

=30.

2. Определить U

выхмах

, если U

вхmin

= 5 мВ, D

=50, К

=40 дБ.

3. Определить U

выхмах

, если U

вхmin

= 10 мВ, D

=20, К

=60 дБ.

4. Определить U

выхмах

, если U

вхmin

= 20 мВ, D

=30, К

=40 дБ.

5. Определить U

выхмах

, если U

вхmin

= 5 мВ, D

=40 дБ, К

=40.

6. Определить D

при U

вхmin

= 10 мВ, К

=40 дБ, U

выхмах

= 2 В.

7. Определить D

при U

вхmin

= 50 мВ, К

=60 дБ, U

выхмах

= 5 В.

8. Определить D

при U

вхmin

= 20 мВ, К

=40 дБ, U

выхмах

= 2 В.

9. Определить D

при U

вхmin

= 5 мВ, К

= 60 дБ, U

выхмах

= 4 В.

10. Определить U

вхmin

, если U

выхмах

= 5 В, D

=50, К

=40 дБ.

11. Определить U

вхmin

, если U

выхмах

= 2 В, D

=20, К

=60 дБ.

12. Определить U

вхmin

, если U

выхмах

= 10 В, D

=60 дБ, К

=100.

13. Определить U

вхmin

, если U

выхмах

= 4 В, D

=40 Дб, К

=50 дБ.

14. Определить U

вхmin

, если U

выхмах

= 5 В, D

=20, К

= 60 дБ.

15. Определить К

, если U

выхмах

= 5 В, D

=50, U

вхmin

= 10 мВ.

16. Определить К

, если U

выхмах

= 1 В, D

=20 дБ, U

вхmin

= 10 мВ.

17. Определить К

, если U

выхмах

= 2 В, D

=40 дБ, U

вхmin

= 5 мВ.

18. Определить К

, если U

выхмах

= 5 В, D

=40 дБ, U

вхmin

= 4 мВ.

19. Определить К

, если U

выхмах

= 10 В, D

=40 дБ, U

вхmin

= 20 мВ.

20.Двухкаскадный усилитель, охваченный общей ООС с коэффициен-

том передачи равным b=0.01, имеет коэффициент усиления K

=50. Опреде-

лить коэффициент усиления первого каскада, если у второго К2 = 20 дБ.

142

21. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усилителя, охва-

ченного общей ООС с коэффициентом передачи обратной связи b = 0.01,

если К1 = 40 и К2 = 20 дБ.

22. Определить напряжение обратной связи в усилителе, если входное

напряжение U

вх

= 1 мВ, коэффициент усиления К

= 40 дБ, коэффициент пе-

редачи обратной связи b = 0.01.

23.Определить коэффициент усиления двухкаскадного усилителя с

К1 = 30 и К2 = 40 дБ при охвате второго каскада ООС с коэффициентом пе-

редачи обратной связи b = 0.01.

24. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усилителя, ох-

ваченного общей ПОС с коэффициентом передачи обратной связи b=0.004,

если К1 = 20 и К2 = 20 дБ.

26. Определить коэффициент усиления двухкаскадного усилителя с

К1 = 100 и К2 = 20 дБ при охвате второго каскада ПОС с коэффициентом пе-

редачи обратной связи b=0.08.

2.Расчет статического режима усилительных каскадов

Задача 2.1.

В каскаде с фиксированным током базы ток

коллектора должен составлять 2 мА. Определить

необходимое сопротивление в цепи базы, если ко-

эффициент передачи тока базы транзистора со-

ставляет h

=50, напряжение питания – Е

=10 В.

Решение.

.24050

102

4.010

кОмh

бэo

=×

Задача 2.2.

Определить необходимое сопротивление в це-

пи базы каскада с коллекторной термостабилиза-

цией режима работы, если напряжение питания

схемы Е

=10 В, коэффициент передачи тока базы

транзистора составляет h

=50.

Решение.

.20050

102

1010210

)(

кОмh

RIE

RIIE

ккo

кбкo

=×

××-

=×

×-

×+-