Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРА

Работу выполнил Руснак Глеб Витальевич

Специальность 210302 - Радиотехника

Научный руководитель

д-р техн. наук, профессор К.С. Коротков

Нормоконтролер инженер И.А. Прохорова

Краснодар 2013 г.

РЕФЕРАТ

Руснак Г. В. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ НА ДИАПАЗОН 20-100 МГЦ

АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ, ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, УПРАВЛЯЕМЫЙ АТТЕНЮАТОР ГЕНЕРАТОР КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ, ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, НЕРАВНОМЕРНОСТЬ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЭЛЕКТРОННО РЕГУЛИРУЕМОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Объектом разработки данной дипломной работы является система стабилизации мощности генератора сигналов. Данная система должна войти в состав генератора когерентных сигналов качающейся частоты и работать в диапазоне частот 20-100 МГц.

Цель данной работы - разработка схемы автоматической регулировки мощности для генератора сигналов качающейся частоты с рабочим диапазоном частот 20-100 МГЦ.

В результате выполнения данной работы разработана и собрана схема усилителя с автоподстройкой усиления, в выходном каскаде которой был использован эмиттерный повторитель с использованием биполярного транзистора. В качестве устройства влияющего на усиление (электронно перестраиваемого сопротивления) был применён полевой транзистор включенный в обратную связь операционного усилителя.

Были проведены измерения характеристик выходных сигналов разработанного усилителя, получены АЧХ различных узлов усилителя. На основе анализа проведенных измерений даны рекомендации по улучшению работы усилителя.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения

Введение

1. Упрощенная блок-схема генератора

2. Блок-схема АРУ

3. Операционный усилитель с цепью ОС

3.1 ОУ и уравнения, описывающие его работу

3.2 ОУ с однополярным источником питания

3.3 Уравнение обратной связи

3.4 Математический анализ работы усилителя

3.5 Диаграммы Боде и стабильность усилителей с ОС

4. Эмиттерный повторитель в усилительном каскаде

4.1 Характеристики усилителей

4.2 Температурная стабилизация транзисторных каскадов

5. Методы регулировки усиления

6. Полевой транзистор в цепи ОС ОУ

7. Принципиальная схема АРУ

8. Изготовление печатной платы для АРУ

Заключение

Список использованных источников

Обозначения и сокращения

генератор биполярный транзистор усилитель

ГКЧ	Генератор качающейся частоты
ГУН	Генератор управляемый напряжением
ГПН	Генератор пилообразного напряжения
У	Усилитель
АЧХ	Амплитудно-частотная характеристика
ФД	Фазовый детектор
УПТ	Усилитель постоянного тока
ОУ	Операционный усилитель
ОГ	Опорный генератор
СУМ	Сумматор
ПЧ	Промежуточная частота
ВЧ	Высокая частота
СВЧ	Сверхвысокая частота
Гет.	Гетеродин
Д	Делитель
СМ	Смеситель
БПЧ	Блок перестройки частоты
АРУ	Автоматическая регулировка усиления
ЭП	Эмиттерный повторитель
ПТ	Полевой транзистор
ЛС	Линия связи
ОС	Обратная связь
Н	Нагрузка

ВВЕДЕНИЕ

Усилители с автоматической регулировкой усиления и мощности находят широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах. Они применяются в радиоизмерительных системах, которые проводят измерение электрических характеристик. К таким устройствам относятся анализаторы спектра, измерители коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), измерители амплитудно- и фазочастотных характеристик. АРУ применяют в аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, в импульсных приёмниках (радиолокационных и других), учитывающие особенности работы в импульсном режиме. АРУ применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Используется в бытовой аппаратуре, в приёмниках спутников связи и т.д. Существует ручная регулировка усиления (РРУ), которая выполняется на пассивных или активных (электронных) радиоэлементах, или с помощью аттенюаторов.

В последние годы большую актуальность приобретают панорамные измерения, связанные с определением комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты (смесителей). Данная работа посвящена разработке усилителя с АРУ для генератора когерентных сигналов качающейся частоты, необходимого для работы измерителя коэффициентов передачи смесителей. Технические особенности генератора в данной работе не рассматриваются. Технические особенности усилителя с автоматической регулировкой усиления - усиление сигнала с двух входов генератора и стабилизация выходных сигнала на определённом уровне.

1. Упрощенная Блок-схема генератора

Традиционно генераторы качающейся частоты строятся на базе генератора управляемого напряжением, которым управляет генератор пилообразного напряжения.

Для того чтобы частотой такого генератора можно было управлять в его колебательный контур вносится один или несколько варикапов.

Блок-схема такого генератора изображена на рисунке 1.

Рисунок - 1 Блок-схема генератора

Амплитуда сигнала на его выходах уменьшается с увеличением частоты. Стоит задача разработать схему усилителя с автоматической регулировкой усиления. Схема состоит из блока фазовой автоподстройки частоты 1, генератора управляемым напряжением 2-3, фильтров низких частот 4-5 и делителей 6-7. Работает следующим образом - генераторы 2,3 работают под управлением системы фазовой автоподстройки частоты 1. Сигналы с выходов генераторов через фильтры низкой частоты и делители поступают на вход системы фазовой автоподстройки частоты которая сравнивает эти сигналы и подстраивает генератор управляемый напряжением 3 так чтобы генерируемая частота отличалась от частоты генератора 2 на 278 КГц.

2. Блок-схема АРУ

Схема изображённая на рисунке 1, состоит из генератора качающейся частоты 1, системы автоматической регулировки усиления 2. Операционного усилителя 3, обратной связи 4. Эмиттерного повторителя 5, полевого транзистора 6, линии связи 7 и нагрузки 8. Схема работает следующим образом - операционный усилитель 3 усиливает сигнал который приходит с выхода генератора качающейся частоты 1. Далее сигнал с операционного усилителя 3 поступает на вход эмиттерного повторителя 5. С выхода эмиттерного повторителя 5 сигнал уходит на линию связи 7 которая нагружена на нагрузку 8 сопротивление которой 50 (ом) и на полевой транзистор 6 . Полевой транзистор в этой схеме используется в качестве управляемого сопротивления что обеспечивает широкий диапазон регулировки его сопротивления сток - исток и коэффициента усиления усилителя при изменении напряжения затвора транзистора. Полевой транзистор используется с p-n переходом.

Рисунок - 2 Блок-схема АРУ

3. Операционный усилитель с цепью ОС

Понятие идеального ОУ используется для упрощения анализа его работы, достигаемого в предположении, что все основные его параметры идеальны. На деле идеальных ОУ не существует, но уровень параметров ОУ на сегодняшний день столь высок, что анализ идеального ОУ даёт результаты очень близкие к реальности. Существует два основных отличия идеального ОУ от реального. Во-первых, параметры по постоянному току, например напряжения смещения, вызывают отклонения от идеальности ( для идеального ОУ напряжения смещения равно нулю). Во-вторых, параметры по переменному току, например коэффициент усиления, зависит от частоты и изменяются от больших значений на низких частотах до малых на высоких частотах.

Прежде чем приступить к анализу работы идеального ОУ, необходимо сделать несколько допущений. Ток, текущий через входы ОУ, принимается равным нулю. Kкоэффициент усиления ОУ предполагается бесконечно большим. Отсюда следовало бы, что выходное напряжение может достичь любого значения, но в реальности оно ограничено уровнями напряжения питания.

Предположение о бесконечности коэффициента усиления идеального ОУ влечёт за собой то, что разность напряжений между входами ОУ равна нулю. Это означает, в частности, что если один из входов соединён, например, с землёй, то и другой вход имеет такой же потенциал. Так же входной импеданс ОУ бесконечен. Нулевое выходное сопротивление идеального ОУ. У большинства реальных ОУ при малых токах нагрузки выходное сопротивление составляет доли ома, так что это допущение в большинстве случаев весьма близко к истине. Так же амплитудно-частотная характеристика, которая у идеального ОУ предполагается плоской. Иными словами коэффициент усиления не зависит от частоты сигнала [1].

3.1 ОУ и уравнения, описывающие его работу

Неинвертирующий усилитель. На рисунке 3 показана схема включения такого усилителя. Схема состоит из операционного усилителя резисторов и . Схема работает следующим образом - в неинвертирующем усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ. При этом источник сигнала «видит» бесконечное входное сопротивление ОУ. Напряжение смещения нуля равно нулю, и поэтому инвертирующий вход ОУ должен иметь тот же потенциал, что и инвертирующий. Ток с выхода ОУ создаёт падение напряжения на резисторе , которое должно быть равно входному напряжению .

Рисунок - 3 Неинвертирующий усилитель дать

Выражение (1) для расчёта коэффициента усиления. В этом выражении присутствуют только номиналы пассивных элементов.

(1)

Инвертирующий усилитель. На рисунке 4 показана схема инвертирующего усилителя. Схема состоит из операционного усилителя и резисторов и

. Схема работает следующим образом - Неинвертирующий вход ОУ в схеме инвертирующего усилителя должен быть заземлён. В предположении, что разность напряжений между входами ОУ равна нулю, цепь обратной связи должна работать так, что бы поддерживать потенциал инвертирующего входа так же равным нулю (этот потенциал также иногда называют виртуальной землёй). Так как ток через вывод инвертирующего входа предполагается равным нулю, токи через резисторы и равны между собой по величине и противоположны по направлению.

Выражение (2) служит для расчёта коэффициента усиления.

Рисунок - 4 Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя зависит только от номиналов пассивных элементов, а параметры собственно ОУ на него не влияют. Значение номиналов резисторов зависят от уровней импедансов, которые конструктор хочет иметь в своём устройстве. Значение сопротивлений резисторов, используемых в цепи ОС, определяют входной ток схемы, влияют на чувствительность схемы к паразитным ёмкостям и на некоторые другие аспекты. Однако коэффициент усиление определяется только отношением .

(2)

Входной сигнал такого усилителя инвертирован по отношению к входному. Входное сопротивление этого усилителя равно .

Дифференциальный усилитель. Схема дифференциального усилителя изображена на рисунке 5. Схема состоит из операционного усилителя и резисторов и . Дифференциальный усилитель служит для усиления разности между сигналами, поступающими на его входы. Для расчёта выходного напряжения, получающегося при подаче сигналов на каждый из входов, используется принцип суперпозиции.

Рисунок - 5 дифференциальный усилитель

Для определения выходного напряжения дифференциального усилителя при подаче сигнала на его входы можно воспользоваться выражением (3). Недостатком этой схемы дифференциального усилителя является принципиальная невозможность обеспечить идентичность его входных сопротивлений.

(3)

В данной работе в качестве усилителя будет использоваться ОУ по неинверсной схеме включения.

3.2 ОУ с однополярным источником питания

В выше рассмотренных схемах подключения ОУ, усилители имеют два напряжения питания - положительный и отрицательной полярности. При этом напряжение питания обычно выбирается равным по величине, а их средняя точка является землёй. Сигналы на входе и на выходе при этом подаются и снимаются относительно земли. Однако в современной портативной аппаратуре с батарейным питанием это неудобно.

При однополярном питании ОУ необходимо использовать цепь смещения выходного напряжения так, что бы выходные сигналы могли изменятся в максимально широком диапазоне, ограниченном нулём (землёй) и напряжением питания. Кроме того, входные сигналы изменяются относительно потенциала земли, что эквивалентно подаче входных сигналов относительно шины отрицательного питания в схеме применения ОУ с двуполярным питанием. Необходимость преодоления этих проблем влечёт за собой некоторое усложнение схем применения ОУ с однополярным питанием.

Когда входной сигнал имеет постоянное смещение относительно земли как показано на рисунке 6, напряжение смещения усиливается вместе с напряжением входного сигнала. За исключением случая, когда это напряжение смещения используется для установления нужного постоянного напряжения на выходе ОУ, его приходится исключать из усиливаемого сигнала.



Рисунок - 6 Схема включения ОУ с двуполярным питанием и источником постоянного смещения на входе усилителя

На рисунке 7 приведена одна из схем, применяемых для исключения постоянного смещения из усиливаемых сигналов за счёт использования дифференциального усилителя. Схема состоит из операционного усилителя и резисторов и . Схема работает следующим образом - одинаковые постоянные напряжения от источников являются синфазными и вычитаются друг из друга благодаря свойствам дифференциального усилителя.

Когда сигнал подаётся относительно земли, при однополярном питании ОУ, как правило, не удаётся использовать схему включения ОУ с двуполярным питанием. В схеме изображённой на рисунке 8 усилитель совсем не может работать при положительной фазе входного сигнала, так ка выходное напряжение при этом должно быть отрицательнее потенциала земли. Немногие ОУ могут работать при нулевом потенциале входа.



Рисунок - 7 Схема включения ОУ с двуполярным питанием и синфазным напряжением на входах

Рисунок - 8 Схема включения ОУ с однополярным питанием и входным сигналом, подаваемым относительно земли

Главную сложность при конструировании схем на ОУ с однополярным питанием представляет необходимость учёта того обстоятельства, что входные сигналы, как правило, подаются относительно земли или содержат различную постоянную составляющую. С землёй может быть соединён как положительный так и отрицательный полюс источника питания [1].

Использование одного напряжения питания ограничивает полярность выходных напряжений ОУ. Например, при напряжении питания 10 В выходное напряжение может быть только в диапазоне 0 < < 10 В. Это обстоятельство не позволяет получать выходные напряжения отрицательной полярности. Вместе с тем инвертирующий усилитель может работать с отрицательными входными сигналами, когда выходные сигналы имеют положительную полярность.

3.3 Уравнение обратной связи

На рисунке 9 показаны канонические структурные схемы системы управления и электронной системы с обратными связями. Вид этих обозначений не имеет значения, так как в обоих случаях используется одна и та же математика.

а) б) в)

Рисунок 9 Сравнение структурных схем системы управления и электронной системы с обратными связями

Выражение 4 классическое уравнение обратной связи.

(4)

Когда значение Aв>>1, выражение 4 сводится к уравнению идеальной обратной связи выражение 5.

(5)

При Aв>>1 коэффициент усиления определяется коэффициентом обратной связи в. Если в цепи ОС используется стабильные пассивные компаненты, то при замкнутой цепи ОС коэффициент усиления системы становится стабильным.

Произведение Aв называют глубиной обратной связи. На рисунке 9(б) показана схема, используемая для расчёта глубины ОС. Используемые при расчёте глубины ОС числа являются комплексными, в форме модуля аргумента (фазового угла). Если глубина ОС равна -1, или математически lml=1, ц=180 градусов, уравнение 4 даёт результат 1/0=?. Сигнал на выходе идеальной системы при этом возрастал бы до бесконечности.

Активные приборы, применяемые в электронных схемах, проявляют нелинейность передаточной характеристики при приближении выходного напряжения к напряжению источника питания. При этом уменьшается коэффициен усиления прибора, а условия lml=1, ц=180 перестают выполнятся. Далее возможны два варианта поведения схемы. В первом случае выходное напряжение остаётся стабильным и равным напряжению питания. Во втором случае выходное напряжение может колебатся между напряжениями питания. Глубина ОС Aв является единственным фактором, определяющим стабильность системы. Заземлённость входов на стабильность влияние не оказывает [1].

3.4 Математический анализ работы усилителя

Хендрик В. Боде (H. W. Bode) в 1945 году опубликовал работу, в которой предложил быстрый, точный и лёгкий метод анализа усилителей с обратными связями. В то время операционные усилители были ещё мало распространены, но они попали в общую классификацию усилителей с обратной связью, так что легко поддавались анализу Боде. Сложные и трудоёмкие операции умножения и деления, применявшиеся для анализа схем с ОС, Боде заменил простой графической техникой.

Уравнения Боде являются логарифмическими уравнениями вида 20lg[F(t)]= 20lg[|F(t)|] + фазовый угол. Величины, которые раньше надо было умножать и делить, после их логарифмирования можно складывать и вычитать. При этом складывание и вычитание выполняется в графической форме. Это даёт наглядное представление о получаемых характеристиках.

На рисунке 10 приведена схема простейшего фильтра нижних частот, а выражение (6) описывает зависимость его передаточной характеристики от частоты.

Рисунок 10 Фильтр нижних частот

(6)

Где в выражении (6) s=jщ, j=v-1, RC = ф .

Модуль передаточной функции описывается выражением 7.

(7)

Этот модуль равен 1 при щ=0.1/ф, 0.707 при щ=1/ф. Эти точки указаны на графике изображённом на рисунке 11 с использованием линейной аппроксимации.



Рисунок 11 Диаграмма Боде для фильтра нижних частот

Фазовый сдвиг описывается выражением 8.

(8)

Из за сильной нелинейности фазачастотную характеристику трудно апроксимировать. Однако интерес представляет её поведение вблизи точки излома амплитудно частотной характеристики, где сдваиг фазы блтзок к 45 градусам (выражение 8).

Точка тзлома, выше которой АЧХ спадает, называется полюсом. Точка излома, после которой АЧХ возрастает, называется нулём. Когда АЧХ имеет много полюсов и нулей, каждый нуль и полюс рисуется независимо от других, а затем результат графически складывается. Если несколько полюсов и нулей имеют одинаковые точки излома, они изображаются поверх друг друга. Введение каждого нуля или полюса увиличивает крутизну изменения АЧХ на 20 дБ/дек.

На рисунке 12 приведена схема режекторного фильтра, имеющего АЧХ с несколькими полюсами (выражение 9).

Рисунок 12 Режекторный фильтр

(9)

На рисунке 13 показаны диаграммы Боде для каждого полюса и нуля в отдельности, а на рисунке 14 - суммарная диаграмма Боде режекторного фильтра.

Рисунок 13 Диаграммы Боде для каждого полюса и нуля в отдельности для схемы режекторного фильтра



Рисунок 14 Суммарная диаграмма Боде для схемы режекторного фильтра

График АЧХ режекторного фильтра, приведённый на рисунке 14, демонстрирует коэффициент передачи, равный щ=0.44/ф. Затем он спадает с крутизной 20 дБ на декаду до частоты, на которой находится сразу два нуля щ=1/ф. Влияние этих нулей преодолевает влияние одного полюса, и, начиная с этой частоты, график АЧХ начинает расти с крутизной 20 дБ на декаду. На частоте щ=4,56/ф расположен ещё один полюс, под воздействием которого график АЧХ становится горизонтальной линией, соответствующей коэффициенту передачи -6дБ. Диаграмму Боде легко изобразить при большом различии частот расположение нулей и полюсов - на декаду или более. При этой достигается приемлемая точность. Точность снижается при их близком расположении. Фазо-частотную характеристику построить трудно из за необходимости использования тангенциальных функций. Приходится определять несколько характерных точек, а затем соединять их аппроксимирующей кривой. Использование диаграмм Боде наглядно показывает расположение нулей и полюсов на АЧХ и позволяет быстро определить пути обеспечения стабильности системы.

Логарифмирование обеих частей выражения 4 даёт выражение 10.

(10)

Если А и в не содержат ни нулей, ни полюсов, на АЧХ системы не будет изломов и диаграмма Боде будет представлять собой прямую горизонтальную линию рисунок 15. При этом в системе не возникнут осциляции, и она будет устойчива.

Рисунок 15 Диаграммы Боде для усилителя без ОС (вверху) и ОС (внизу) при отсутствии нулей и полюсов

АЧХ всех реальных усилителей имеют множество полюсов, но они обычно скомпенсированы нулями внутри схемы, так сто проявляет себя только один полюс. Передаточная характеристика такого усилителя описывается уравнением 11.

(11)

На рисунке 16 приведена диаграмма Боде для усилителя с одним полюсом на АЧХ.



Рисунок 16 Диаграммы Боде для усилителя без ОС (вверху) и с ОС (внизу) при одном полюсе на АЧХ

График зависимости коэффициента передачи усилителя А пересекает ось ординат в точке 20 lg(А), а на частоте щ=щ(а) начинает спадать с крутизной -20дБ/дек. График зависимости коэффициента передачи усилителя, охваченного отрицательной ОС, пересикает ось ординат в точке 20lg(Vout/Vin), и, так как АЧХ цнпи ОС не имеет ни нулей, ни полюсов, этот график представляет собой прямую линию до пересечения с графиком зависимости коэффициента передачи усилителя А в точке Х. После этого график зависимости коэффициента передачи усилителя, охваченного цепью отрицательной ОС, совпадаетс графиком зависимости коэффициента передачи усилителя без ОС, так как на этих частотах именно он определяет поведение системы.

В действительности в системе с замкнутой цепью ОС коэффициент передачи начинает спадать раньше, чем будет достинута частота, соответствующая абциссе точки Х, ана этой частоте спад уже составляет -3дБ [1].

3.5 Диаграммы Боде и стабильность усилителей с ОС

Обычно автогенератор строится на основе усилителя с положительной обратной связью. При этом должно выполнятся два условия самовозбуждения. Первое состоит в том, что произведение коэффициента усиления усилителя А на коэффициент обратной связи в должно быть равно 1. Второе это сигнал обратной связи должен приходить на вход в такой фазе, что бы его нарастание приводило к нарастанию выходного сигнала с той же полярностью. Что бы генерация происходила на задней частоте, в усилитель и / или цепь ОС вводят частотно зависимые фазосдвигающие узлы. Тогда генерация возникает на той частоте, сдвиг фазы при которой между входным и выходным сигналом точно равен 0 градусов.

В системах с отрицательной обратной связью предполагается, что сигнал, поступающий на вход усилителя через цепь ОС, находится в противофазе с выходным сигналом. Но на практике, хотя бы из за паразитных ёмкостей и индуктивностей в схеме, в цепи ОС и усилителе может набраться дополнительный сдвиг фазы, при котором формально отрицательная ОС может на каких то частотах стать положительной, и тогда схема перейдёт в режим авто генерации. Даже если не будет условий для авто генерации, сдвиг фазы в цепи ОС, заметно отличающейся от 180, может привести к возникновению выбросов и кратковременных осцилляций (звона) на фронтах импульсных сигналов.

На рисунке 17 приведена диаграмма Боде для случая, когда полюсы расположены близко друг от друга. Результатом этого является быстрое увеличение суммарного фазового сдвига, и запас устойчивости по фазе становится нулевым до того, как коэффициент усиления спадает до 0дБ. Получается схема генератора, но низко стабильная по частоте, так как вблизи точки 180 градусов фазочастотная характеристика изменяется очень плавно, и внешние воздействия легко могут изменить частоту, при которой сдвиг фазы равен точоно180 градусов.



Рисунок 17 Диаграммы Боде для передаточной характеристики с близкорасположенными полюсами

Когда коэффициент усиления в схеме с ОС увеличивается, коэффициент обратной связи в уменьшается, так как в идеальном случае Vout/Vin=1/в. Это уменьшает глубину ОС(Ав), и стабильность возрастает. Стабильность не так уж важна, за исключением случаев построения генераторов, потому что раньше, чем возникает самовозбуждение,выбросы и звон на фронтах сигналов делают применение схемы с ОС невозможными.

Почти все реальные схемы в своих придаточных характеристиках имеют больше двух полюсов, но, за исключением незначительной их части, остаётся возможным использовать для их описания аппроксимацию в виде уравнений второго порядка.

(12)

(13)

Сравним выражение 12 с уравнением второго порядка 13, в которое введены коэффициент затухания ж и частота собственных калебаний щ(n), что даёт возможность затем определить эти велечины как в выражении 14 и 15.

(14)

(15)

Когда два полюсника достаточно разнесены друг от друга, справедливо выражение 16.

(16)

На рисунке 18 графически представлены зависимости запаса устойчивости по фазе и амплитуды выброса от коэффициента усиления и расположения полюсов. На этом рисунке можно увидеть что при коэффициенте затухания 0,4 амплитуда выброса равно 25%, а запас устойчивости по фазе равен 45 градусов [1].



Рисунок 18 Зависимость запаса устойчивости по фазе и амплитуды выброса от коэффициента затухания

4. Эмиттерный повторитель в усилительном каскаде

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Усилитель по схеме включения транзистора с общей базой изображен на рисунке 19. Этот усилитель характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Рисунок 19 Схеме включения транзистора с общей базой

Усилитель по схеме включения транзистора с общим коллектором изображён на рисунке 20. Он характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Рисунок 20 Схеме включения транзистора с общим коллектором

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. Схема такого включения изображена на рисунке 21. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором [3].



Рисунок 21 Схеме включения транзистора с общим эмиттером

4.1 Характеристики усилителей

Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице 1[3].

Таблица 1 - Характеристики усилителей

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
коэффициент усиления по току	Десятки-сотни	Немного меньше единицы	Десятки-сотни
коэффициент усиления по напряжению	Десятки-сотни	Десятки-сотни	Немного меньше единицы
коэффициент усиления по мощности	Сотни-десятки тысяч	Десятки-сотни	Десятки-сотни
Входное сопротивление	Сотни ом - единицы килоом	Единицы-десятки ом	Десятки - сотни килоом
Выходное сопротивление	Единицы - десятки килоом	Сотни килоом - единицы мегаом	Сотни ом - единицы килоом

4.2 Температурная стабилизация транзисторных каскадов

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рисунок 21). Такая простая схема усилителя используется очень редко. Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы коллекторной и эмиттерной стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Такая стабилизация используется, например, в антенных усилителях для телевизионного приема.

Как в промышленных, так и в радиолюбительских конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора. На рисунке 22 приведена схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе. Такие усилители (рисунок 22) с эмиттерной температурной стабилизацией могут быть построены как на n-p-n так и на p-n-p типах транзисторов [3].



Рисунок 22 Схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе с эмиттерной температурной стабилизацией

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 22. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор R_э, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_К, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор R_э, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резисторе R_э: U_R2=U_бэ+U_Rэ. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равно U_бэ= U_R2 - U_Rэ.

Пусть температура окружающей среды увеличивается. В результате этого увеличиваются постоянные токи базы, коллектора и эмиттера, т.е. изменяется рабочая точка транзистора. Ток делителя напряжения на резисторах R1, R2 выбирают значительно больше тока базы транзистора. Поэтому напряжение на резисторе R2 при изменении температуры остается практически неизменным (сопротивление резистора от температуры не зависит), а напряжение на резисторе R_э с увеличением температуры увеличивается за счет увеличения тока эмиттера при неизменном сопротивлении резистора в цепи эмиттера. В результате этого напряжение база-эмиттер уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы, а, следовательно, и силы тока коллектора. Таким образом, рабочая точка транзистора будет стремиться к исходному состоянию. Наличие резистора в цепи эмиттера приводит к появлению отрицательной обратной связи как по постоянному, так и по переменному токам. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору R_э подключают конденсатор. Емкость конденсатора С_э выбирают так, чтобы его сопротивление переменному току на самой низкой частоте усиливаемого сигнала было значительно (примерно в десять раз) меньше сопротивления резистора в цепи эмиттера.

В усилителях биполярных транзисторах применяются разделительные конденсаторы. Это, как правило, электролитические конденсаторы, при подключении которых в электрическую цепь необходимо соблюдать полярность. Если источник усиливаемого сигнала не имеет постоянной составляющей и к выходу усилителя подключается нагрузка, не имеющая постоянного напряжения на своих зажимах, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 22, а для транзистора р-n-р типа - наоборот (изменяется полярность включения источника питания и полярность подключения конденсаторов). Емкость разделительного конденсатора (конденсатор на выходе усилительного каскада) выбирают такой, чтобы его сопротивление было много меньше входного сопротивления следующего усилительного каскада, или много меньше сопротивления нагрузки на самой низкой частоте усиливаемого сигнала.

В последнее время широко применяются двухкаскадные усилители с непосредственной связью между транзисторами. Такие усилители применяются в качестве входных усилителей низкой частоты, в качестве антенных усилителей и др. В этих усилителях обеспечивается температурная стабилизация режима обоих транзисторов [3].

5. Методы регулировки усиления

Потенциометрические. Фактически используются резистивные делители напряжения с переменным коэффициентом деления (рисунок 23).

Рисунок 23 Регулировка усиления с помощью потенциометра

Недостатком метода является то, что при изменении положения движка потенциометра изменяется сопротивление нагрузки предыдущего каскада и сопротивление источника последующего каскада.

В согласованных, радиочастотных трактах широко используются П- и Т-образные резистивные аттенюаторы, которые позволяют при изменении вносимого затухания обеспечить постоянство входных и выходных сопротивлений (рисунок 24).

Рисунок 24 Регулировка усиления в согласованном тракте

Однако, для плавной регулировки усиления, в этом случае необходимо обеспечить одновременное изменение сопротивлений. Поэтому, такие схемы чаще используются для дискретной регулировки.

Использование полевых транзисторов в качестве управляемых сопротивлений позволяет организовать электронную регулировку усиления, например по схеме, приведенной на рисунке 25.

Рисунок 25 Регулировка усиления с применением полевых транзисторов

На рисунке П-образный аттенюатор, причем для одновременной регулировки сопротивления каналов трех транзисторов используется специальная схема управления. Вместо полевых транзисторов часто используются p-i-n-диоды, дифференциальное сопротивление которых зависит от прямого тока и может меняться в широких пределах.

Регулировка с помощью цепей обратной связи в схемах с глубокой отрицательной обратной связью. Усиление практически полностью определяется цепью обратной связи и не зависит от свойств усилителя. В этом случае усиление регулируется изменением параметров цепи обратной связи. Примеры таких схем приведены на рисунке 26 - 27 [5].



Рисунок 26 Регулировка усиления с применением обратной связи

Рисунок 27 Регулировка усиления с применением обратной связи

На рисунке 26 изображены классические схемы инвертирующего и неинвертирующего каскадов на операционных усилителях, где в цепях обратной связи установлены потенциометры. Схемы на рисунке 27 демонстрируют возможность организации электронной регулировки усиления, причем последняя - с трёх полесником в цепи обратной связи. Помимо полевых транзисторов для электронного управления сопротивлением можно использовать резисторно-диодные или другие оптопары. Пример такой схемы приведен на рисунке 28. В данной схеме сопротивление фоторезистора, входящего в состав оптопары и одновременно включенного в цепь обратной связи зависит от силы падающего на него света, которая в свою очередь определяется прямым током светодиода. Биполярный транзистор образует генератор стабильного тока [5].

Рисунок 28 Регулировка усиления с помощью оптопары

6. Полевой транзистор в цепи ОС ОУ

Для изменения коэффициента операционного усилителя необходимо изменять отношение сопротивления резисторов его обратной связи. В качестве электронного преобразователя активного сопротивления в данной схеме используется полевой транзистор. В этом случае коэффициент усиления изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения на затвор транзистора.

7. Принципиальная схема АРУ

С ростом частоты уменьшается ёмкостное сопротивление резисторов в цепи обратной связи. В связи с этим изменяется коэффициент усиления. По этой причине необходимо уменьшить влияние ёмкостного сопротивления на цепь обратной связи. Для этого нужно что бы сопротивление резисторов в ОС было как минимум эквивалентно активному сопротивлению каждого из резисторов в обратной связи. Однако с уменьшением сопротивление цепи ОС возрастает выходной ток ОУ. В связи с тем что резисторы ОС подключены последовательно с землёй. Для того что бы выход ОУ не перегружался очень маленьким сопротивлением обратной связи в этой схеме был применён эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе. Благодаря усилительному каскаду на биполярном транзисторе мы усиление мощности переносим на него, тем самым разгружая выход ОУ.

Принципиальная схема АРУ приведена на рисунке 29. Схема стабилизации усиления состоит из операционного усилителя, резисторов R1-R10, полевого транзистора VT2, биполярного транзистора VT1, высокочастотного диода VD1, и конденсаторов С1-С7. Данная схема работает следующим образом. Входной сигнал поступает на резистор R1 и на конденсатор С1. Далее через разделительный конденсатор С1 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Резисторы R2 и R3 создают смещение по постоянному току для того что бы схема работала от однополярного источника питания. С выхода операционного усилителя через делитель состоящий из R4, R5, C3 и VT2 поступает обратная связь на инвертирующий вход ОУ. Транзистор VT1 усиливает сигнал с выхода операционного усилителя. Усиленный сигнал снимается с резистора R9 и через разделительный конденсатор С6 поступает на выход АРУ и далее на резистор R10 - нагрузку 50 (Ом). Усиленный сигнал после конденсатора С6 поступает на детектор созданный цепью С5, VD1, R8, C4, R6 и R7. Благодаря этому детектору в зависимости от амплитуды усиленного сигнала на затворе транзистора VT2 меняется напряжение. Как было описано выше в работе меняя напряжение на затворе полевого транзистора мы можем уменьшать или увеличивать сопротивление сток-исток. Следовательно если увеличивать напряжение на затворе сопротивление сток-исток уменьшается и соответственно усиление уменьшается. Таким образом воздействуя на сопротивления обратной связи операционного усилителя усиление подстраивается автоматически.

Рисунок 29 Принципиальная схема АРУ

8. Изготовление печатной платы для АРУ

Печатная плата для усилителя с автоматической регулировкой усиления была спроектирована в программе Sprint-Layout50R. Печатная плата бала разработана с минимальными размерами. Её размеры 1см на 2см . От правильности разводки платы зависит её работоспособность, устойчивость к помехам и самовозбуждению. Минимальные размеры так же не обходимы для того что бы поместить её в генератор качающейся частоты. Плата была изготовлена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, smd монтажом. Вторая сторона с фольгой была сохранена для дополнительной экранизации. При отладке макет платы был помещён в металлический корпус для того что бы помехи и всевозможные наводки не мешали доработке и отладке схемы. На рисунке 30 изображено фото готовой платы АРУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные задачи работы выполнены полностью. Разработана схема автоматической регулировки усиления генератора когерентных сигналов. Проведены испытания. Разработанная схема осуществляет регулировку усиления в диапазоне 20-100 МГц. Испытания собранной схемы были проведены вместе с генератором когерентных сигналов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Картер Б. Манчини Р. Операционные усилители / Б. Картер. - М.: Додека-XXI, 2011.- 509 с.

2 Оппейгейм А. Цифровая обработка сигналов / А. Оппенгейм, Р. Шафер. - М.: Техносфера, 2009. - 855 с.

3 Иноземцев В.А. Изучение элементной базы цифровой техники / Иноземцев В.А - Брянск: Издательство БГУ, 2002.- 110с.

4 Электронные устройства // (Рус.). - URL: http://ivatv.narod.ru/vvedenie_v_elektroniku/5_05.htm [19 апреля 2013].

5 Операционные усилители // (Рус.). - URL: http://zpostbox.ru/operatsionny_usilitel.html [22 апреля 2013].

6 Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники / У. Хилл - М.: Мир, 1986.- 598 с.

Размещено на Allbest.ru

...