Дослідження вибіркових підсилювачів

НА ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМАХ

 

Мета роботи:

1) вивчення особливостей побудови вибіркових підсилювачів та генераторів гармонічних коливань;

2) експериментальне визначення характеристик та параметрів вибіркових підсилювачів та генераторів на ОП;

3) набуття навиків роботи з вимірювачем частотних характеристик.

Стислі теоретичні відомості

 

Вибіркові підсилювачі

За принципом дії і схемним виконанням вибіркові підсилювачі (ВП) можна поділити на:

- резонансні;

- смугові;

- підсилювачі зі зворотним зв'язком.

Резонансні підсилювачі. У резонансних підсилювачах навантаженням вихідного кола підсилювального елемента є паралельний коливальний контур, що має високий опір R _рез для електричних коливань резонансної частоти f ₀ і малий опір для інших частот.

Частотна характеристика резонансного підсилювача визначається параметрами коливального контуру, причому вибіркові властивості контуру можуть бути найповніше реалізовані в схемі підсилювача за умови малого шунтування контуру вихідним опором джерела сигналу і вхідним опором навантаження.

Для зменшення впливу транзисторів (даного каскаду і наступного) на контур у схемах резонансних підсилювачів, як правило, використовують неповне ввімкнення контуру в колекторне коло транзистора. Таке ввімкнення можна досягнути, наприклад, за допомогою автотрансформаторної схеми ввімкнення контуру.

У побудові високочастотних резонансних підсилювачів доводиться зважати на те, що в транзисторах є внутрішній зворотний зв'язок і, крім того, у підсилювачі виникають паразитні зворотні зв'язки. На частотах, вищих і нижчих від резонансної частоти, коливальний контур являє собою комплексне навантаження і вносить додатковий фазовий зсув. У результаті загальний фазовий зсув між вхідним і вихідним сигналами може виявитися таким, що в схемі виникне позитивний зворотний зв'язок і підсилювач самозбудиться.

Для компенсації (нейтралізації) внутрішнього зворотного зв'язку в підсилювачі доводиться вводити в схему зовнішній зворотний зв'язок із протилежним знаком, тобто ускладнювати схему.

Смугові підсилювачі. На відміну від резонансних смугові підсилювачі, як правило, мають фіксоване настроювання. Опором навантаження таких підсилювачів є смуговий фільтр, що являє собою звичайно двоконтурну зв'язану систему з взаємоіндуктивним зв'язком між контурами. Такі підсилювачі широко використовуються в радіоприймачах для підсилення сигналів проміжної частоти.

Підсилювачі зі зворотним зв'язком. Резонансні та смугові підсилювачі дають задовільні результати лише при робочій частоті порядку одиниць кілогерц і вище. На більш низьких частотах індуктивність резонансного контуру виявляється надмірно великою і контур стає громіздким і дорогим. Котушка індуктивності такого контуру містить багато витків тонкого проводу і дуже чутлива до завад та перешкод. Тому вибіркові підсилювачі, що призначені для роботи на частотах порядку сотень герц і нижче, зазвичай будують з використанням частотовибіркових фільтрів типу RC у колі негативного зворотного зв'язку. Такі ВП досліджуються в цій лабораторній роботі. У колах частотозалежного зворотного зв'язку використовують декілька типових схем. До них відносяться послідовно-паралельна частотовибіркова RC -схема (міст Вінна) та подвійний Т-подібний міст.

Широке поширення одержали ВП на основі операційних підсилювачів (ОП). Коефіцієнт підсилення з негативним зворотним зв’язком (НЗЗ) визначається тільки параметрами ланцюга зворотного зв’язку (ЗЗ). Якщо в ланцюзі ЗЗ використовувати RC- схему, коефіцієнт передачі і фазовий зсув якого залежать від частоти, можна забезпечити необхідну залежність коефіцієнта передачі ВП від частоти.

Як частотозалежні кола застосовують різні RC -схеми.

Схему ВП з послідовно-паралельним частотовибірковим RC- колом - мостом Вінна показано на рис. 12.1 (схему моста виділено пунктиром).

З подачею на вхід такого підсилювача несинусоїдальної напруги U _вх (t) на виході одержуємо синусоїдальний сигнал (рис. 12.2), частота якого визначається значенням квазірезонансної частоти f ₀.

Рис. 12.1. Схема вибіркового підсилювача з мостом Вінна

 

Рис. 12.2. Вибіркове виділення електричного сигналу

 

Процес селекції сигналу необхідної частоти відбувається завдяки особливостям частотних характеристик моста Вінна (рис. 12.3).

а

 

б

Рис. 12.3. Вибірковий підсилювач на ОП:

а – принципова схема; б – АЧХ подвійного Т-подібного моста

 

На частотах, відмінних від f ₀,коефіцієнт передачі моста Вінна малий і можна вважати, що сигналу на неінвертуальному вході немає. Сигнал позитивного зворотного зв`язку U _ПЗЗ = 0. При цьому коефіцієнт передачі вхідного сигналу U _ВХ визначається коефіцієнтом передачі напруги при вмиканні ОП за інвертувальним входом:

На частоті f ₀ коефіцієнт передачі моста Вінна максимальний, а тому на вхід ОП подається сигнал позитивного зворотного зв’язку, що різко збільшує коефіцієнт підсилення схеми К_m порівняно зі значенням . Підсилюється (виділяється) m -на гармоніка. Частотну характеристику ВП зображено на рис. 12.4.

Рис. 12.4 Частотна характеристика вибіркового підсилювача

 

Чим вищий коефіцієнт підсилення , тим вужча посилювальна область частот (смуга пропускання), вище відношення . Однак, якщо , то виконується умова самозбудження і коефіцієнт підсилення схеми на частоті f ₀ дорівнює нескінченності. Це означає, що на виході схеми будуть існувати синусоїдальні коливання частоти f ₀ і у випадку нульового вхідного сигналу. У такому вигляді схема, яка показана на рис. 12.1, стає генератором синусоїдальної напруги.

Для побудови вибіркових RC- підсилювачів на ОП як частотозалежні схеми зворотного зв`язку також використовують подвійні Т-подібні мости. Схему ВП на ОП з таким мостом зображено на рис. 12.3, а, АЧХ – на рис. 12.3, б.

Умова найбільшої вибірковості 2Т-моста забезпечується, якщо R ₃ = R ₁ R ₂/(R ₁+ R ₂) і С ₃ = С ₁+ С ₂ . При цьому квазірезонансна частота визначається виразом

(12.1)

Якщо R ₁ = R ₂ = 2 R ₃ та С ₁ = С ₂ = 0,5 С ₃,

то

(12.2)

Оскільки ОП на інвертувальному вході зсуває фазу вхідного сигналу на 180 ел. град., а фазовий зсув, що вносить 2Т-міст на квазірезонансній частоті w₀ = 0, то загальний фазовий зсув по замкненій петлі підсилювач – 2Т-міст дорівнює 180 ел. град. У результаті на частоті w₀ негативного зворотного зв`язку немає, що і забезпечує максимальний коефіцієнт передачі вибіркового підсилювача на квазірезонансній частоті.