Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Курс 5

Специальность - Радиотехника

Научный руководитель

д-р техн. наук,

профессор К. С. Коротков

Краснодар 2013 г.



СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

Обозначения и сокращения

Введение

1. Упрощенная блок-схема генератора качающейся частоты

2. Структурная схема системы АРУ

3. Теория операционного усилителя

3.1 Некоторые особенности схем включения операционных усилителей

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

5. Методы построения систем автоматической регулировки усиления

6. Принципиальная схема системы АРУ

6.1 Усилительные свойства ОУ в системе АРУ

6.2 Полевой транзистор в цепи ОС ОУ

6.3 Эмиттерный повторитель в системе АРУ

7. Изготовление печатной платы для АРУ

Заключение

Список использованных источников



РЕФЕРАТ

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 системы стабилизации мощности генератора.

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.



Обозначения и сокращения

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. Автоматическую регулировку усиления применяют в аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, в импульсных приёмниках (радиолокационных и других), учитывающие особенности работы в импульсном режиме. Автоматическая регулировка усиления применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Автоматическая регулировка усиления 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). В работе [7] рассмотрено устройство для измерения комплексных параметров СВЧ-смесителей содержащие в своём составе блок опорных частот вырабатывающий два сигнала качающейся частоты в диапазоне 20-100 МГц. Данная работа посвящена разработке устройства автоматической стабилизации уровня выходной мощности данного блока опорных частот и поэтому цель данной дипломной работы - разработка системы автоматической стабилизации мощности генератора с постановкой задач:

1 Разработка структурной схемы системы АРМ.

2 Создание макета системы АРМ и его экспериментальные исследования.

3 Исследования работы собранного макета совместно с блоком опорных частот.

стабилизация мощность биполярный транзистор



1. УПРОЩЕННАЯ БЛОК-СХЕМА ГЕНЕРАТОРА КАЧАЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ

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.

Однако, требуемый диапазон 20ч100 МГц охватывает 3 октавы, а инженерная практика показывает, что изменяя емкость колебательного контура, при этом сохраняя приемлемую добротность, можно манипулировать частотой в диапазоне не более 1,5-2 октавы. В связи с этим, для того чтобы охватить диапазон 20ч100 МГц необходимо использовать генератор на основе преобразования частоты.

Рисунок 1 - Упрощенная блок-схема генератора качающейся частоты

Амплитуда сигнала на выходах ГКЧ изменяется в диапазоне его рабочих частот. Поэтому стоит задача разработки системы автоматического поддержания сигналов на входах 1 и 2 постоянного уровня неизменного при перестройке ГКЧ в диапазоне его рабочих частот. На рисунке 1 приведена структурная схема построения двухчастотного генератора качающейся частоты работающего в диапазонах 20-100 МГц по входу 1, и в диапазоне 20,278-100,278 МГц по входу 2. Схема на рисунке 1 состоит из блока фазовой автоподстройки частоты 1, генераторов 2 и 3 управляемых напряжением, фильтров низких частот 4,5 и делителей 6,7 и работает следующим образом. Генератор 2 вырабатывает сигнал качающейся частоты в диапазоне 20-100 МГц, который с его выхода через фильтр нижних частот 4 и одно из плеч делителя поступает на выходной разъём 1 блока опорных частот. Аналогичным образом сигнал с выхода генератора 3 через фильтр нижних частот 5 и одно из плеч делителя 7 поступает на выходной разъём 2 блока опорных частот. Части сигналов поступающих от генераторов 2 и 3, через плечи делителей 6 поступают на вход блока системы фазовой автоподстройки частоты 1. Сигналы ошибки с выходов блока системы ФАПЧ поступают на входы генераторов 1 и 2, подстраивая их так чтобы разность частот между ними была 278 кГц с точностью до фазы.



2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ АРУ

Структурная схема системы автоматического усиления применённая в двухканальном ГКЧ изображённом на рисунке 1 приведена на рисунке 2 и состоит из генератора качающейся частоты 1 и самой системы автоматической регулировки усиления 2 в которую входят: операционный усилитель 3, цепь обратной связи 4, эмиттерный повторитель 5, полевой транзистор 6 и детектор 7. Система АРУ 2, через линию связи 8 связана с нагрузкой 9. Схема работает следующим образом - радиосигнал с генератора качающейся частоты ГКЧ 1 поступает на вход системы автоматической регулировки усиления 2. В системе АРУ 2 радиосигнал приходит на вход операционного усилителя 3. Обратной связью 4 задаётся коэффициент усиления этого операционного усилителя. Операционный усилитель 3 сравнивая опорное напряжение эталонного уровня и напряжение поступающее его вход от ГКЧ, вырабатывает регулирующий сигнал который поступает на вход эмиттерного повторителя 5. Часть радиосигнала с эмиттерного повторителя 5 подаётся на вход детектора 7, где детектируется превращаясь в постоянную составляющую тока детектора, которая затем подаётся на вход полевого транзистора 6, выполняющего роль регулирующего элемента. Полевой транзистор 6 через обратную связь 4 воздействует на операционный усилитель 3 изменяя его коэффициент усиления. С помощью регулирующего элемента - полевого транзистора 6, амплитуды радиосигналов с выходов 1 и 2, ГКЧ 1 поддерживаются постоянными в каждом из двух диапазонов частот 20ч100 МГц или 20,278ч100,278 МГц двухканального ГКЧ-1. Стабильный по величине амплитуды радиосигнал по коаксиальной линии связи 8 подаётся в нагрузку 9.

Рисунок 2 - Структурная схема системы АРУ



3. ТЕОРИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Обобщённая схема операционного усилителя имеет вид, изображённый на рисунке 3.

Рисунок 3 - Обобщённая схема операционного усилителя, где: УПТ - усилитель постоянного тока: u - коэффициент усиления УПТ по напряжению, Z1,Z2 - сопротивление обратной связи, Zвх - входное сопротивление УПТ, А - точка разветвления токов в схеме операционного усилителя

Так как через операционный усилитель могут протекать сигналы и переменного тока, то сопротивление Z1, Z2, Zвх - должны иметь комплексный характер. Для усилителя на рисунке 3 можно записать:

(1)

Для такого усилителя с выходным сопротивлением Zвх, для узла А на основании первого закона Кирхгофа можно записать, что:

(2)



В то же время:

(3)

И тогда с учётом (2) имеем:

(4)

С учётом (1) имеем, что коэффициент усиления УПТ на рисунке 3 охваченного отрицательной обратной связью получаемой с помощью сопротивлений Z1 и Z2 определяется выражением (5).

(5)

где: - коэффициент передачи самого УПТ без отрицательной обратной связи

В случае если 10.000, то всегда имеет место в УПТ, слагаемое .

Коэффициент передачи всей системы приведённой на рисунке 3 определится как :

(6)

то есть определяется только соотношением Z2 к Z1.

Если Z1 и Z2 чисто активное сопротивление то есть Z1 = R1, а Z2 = R2, то тогда .

Меняя величину R2 можно менять коэффициент усиления то есть . Поэтому схема на рисунке 3 часто называется масштабным усилителем.

Так как в точке А ток равен “нулю” в соответствии с (1), то на таком усилителе можно собрать сумматор сигналов в виде:

Рисунок 4 - Сумматор сигналов, где: Uвх1, Uвх2, Uвх3 - суммируемые по амплитуде входные сигналы

Такой усилитель выполняет операцию суммирования. Заменив R2 на конденсатор получим интегрирующий усилитель, а включив перед R1 - конденсатор получим дифференцирующий усилитель. Таким образом усилитель на рисунке 4 выполняет операции сложения сигналов и их дифференцирования. Поэтому такой усилитель называется ещё операционным. Операционный усилитель имеет, как правило, два входа и один выход.

Инвертирующий вход обозначается знаком “минус”. Сигнал подаваемый на этот вход на выходе имеет противоположную фразу.

Неинвертирующий вход обозначается знаком “плюс”. Сигнал поданный на этот вход на выходе фазу не меняет. В связи с тем что операционного усилителя составляет - схемы на основе ОУ работают в линейном режиме только при введении ООС.

3.1 Некоторые особенности схем включения операционных усилителей

Неинвертирующий операционный усилитель. На рисунке 5 показана схема включения неинвертирующего операционного 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 5 - Неинвертирующий усилитель

Выражение (7) применяется для расчёта коэффициента усиления. В этом выражении присутствуют только номиналы пассивных элементов.

(7)

Инвертирующий операционный усилитель. На рисунке 6 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 (8) служит для расчёта коэффициента усиления.

Рисунок 6 - 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 необходимо получить в ОУ. Значение сопротивлений резисторов, используемых в цепи ОС, определяют входной ток схемы, влияют на чувствительность схемы к паразитным ёмкостям. Однако коэффициент усиление определяется только отношением .

(8)

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

Дифференциальный операционный усилитель. Схема дифференциального усилителя изображена на рисунке 7. Схема состоит из операционного усилителя и резисторов. Дифференциальный усилитель служит для усиления разности между сигналами, поступающими на его входы.

Рисунок 7 - дифференциальный усилитель

Для определения выходного напряжения дифференциального усилителя при подаче сигнала на его входы можно воспользоваться выражением (9). Недостатком этой схемы дифференциального усилителя является принципиальная невозможность обеспечить идентичность его входных сопротивлений.

(9)

В данной работе в качестве усилителя будет использоваться ОУ по неинверсной схеме включения. Потому что в неинверсной схеме включения операционного усилителя цепь обратной связи включена относительно земли что крайне удобно для подключения вместе с резистором (рисунок 9) или вместо него полевого транзистора.



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 такие как применение дополнительных резисторов задающих напряжение смещения и развязывающих конденсаторов отсекающих постоянную составляющую.

Когда входной сигнал имеет постоянное смещение относительно земли как показано на рисунке 8, 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 8 - Схема включения ОУ с двуполярным питанием и источником постоянного смещения на входе усилителя

На рисунке 9 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 10 усилитель совсем не может работать при положительной фазе входного сигнала, так ка выходное напряжение при этом должно быть отрицательнее потенциала земли.

Рисунок 9 - Схема включения ОУ с двуполярным питанием и синфазным напряжением на входах

Рисунок 10 - 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 11 показаны канонические структурные схемы системы управления и электронной системы с обратными связями. Вид этих обозначений не имеет значения, так как в обоих случаях используется один и тот же матаппарат.

а) б) в)

Рисунок 11 - Сравнение структурных схем системы управления и электронной системы с обратными связями

Выражение 10 есть классическое уравнение обратной связи.

(10)

Когда значение Aв>>1, выражение 10 сводится к уравнению идеальной обратной связи выражения 11.

(11)

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 11(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 минус еденице, или математически ¦m¦=1, а ц=180 градусов, уравнение 10 даёт результат 1/0 равный бесконечности. 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 ¦m¦=1, ц=180ъ 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, поэтому легко поддавались анализу Боде. Сложные и трудоёмкие операции умножения и деления, применявшиеся для анализа схем с ОС, Боде заменил простой графической техникой.

Способы расчёта характеристик фильтров с помощью диаграмм Боде были изложены с целью изучения и анализа работы операционного усилителя.

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

Рисунок 12 - Фильтр нижних частот

(12)

Где в выражении (12) s=jщ (комплексная частота), j=v-1, RC = ф , ф - период колебаний при котором наблюдается на графике полюс или нуль.

Модуль передаточной функции описывается выражением 13.

(13)

Этот модуль равен 1 при щ=0,1/ф, а при щ=1/ф он равен 0,707. Эти точки указаны на графике изображённом на рисунке 13.

Рисунок 13 - Диаграмма Боде для фильтра нижних частот Фазовый сдвиг описывается выражением 14.

(14)

Из за сильной нелинейности фазачастотную характеристику трудно апроксимировать. Однако интерес представляет её поведение вблизи точки излома амплитудно частотной характеристики, где сдваиг фазы близок к 45 градусам (выражение 14).

Точка излома, 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.

На рисунке 14 приведена схема режекторного фильтра, имеющего АЧХ с несколькими полюсами (выражение 15).

Рисунок 14 - Режекторный фильтр

(15)

На рисунке 15 показаны диаграммы Боде для каждого полюса и нуля в отдельности, а на рисунке 16 - суммарная диаграмма Боде режекторного фильтра.

Рисунок 15 - Диаграммы Боде для каждого полюса и нуля в отдельности для схемы режекторного фильтра

Рисунок 16 - Суммарная диаграмма Боде для схемы режекторного фильтра

График АЧХ режекторного фильтра, приведённый на рисунке 16, демонстрирует коэффициент передачи, равный 1/2 (минус 6дБ) на участке от постоянного тока до частоты первого полюса 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 минус 6дБ.

Диаграмму Боде легко изобразить при большом различии частот расположение нулей и полюсов - на декаду или более. При этом достигается приемлемая точность. Точность снижается при их близком расположении. Использование диаграмм Боде наглядно показывает расположение нулей и полюсов на АЧХ и позволяет быстро определить пути обеспечения стабильности системы.

Логарифмирование обеих частей выражения 10 даёт выражение 16.



(16)

Если А и в не содержат ни нулей, ни полюсов, то на АЧХ системы не будет изломов и диаграмма Боде будет представлять собой прямую горизонтальную линию как показано на рисунке 17. При этом в системе не возникнут осциляции, и она будет устойчива.

Рисунок 17 - Диаграммы Боде для усилителя без ОС (вверху) и ОС (внизу) при отсутствии нулей и полюсов

Амплитудно-частотная характеристика всех реальных усилителей имеют множество полюсов, но они обычно скомпенсированы нулями внутри схемы, так что проявляет себя только один полюс. Передаточная характеристика такого усилителя описывается уравнением 17.

(17)

На рисунке 18 приведена диаграмма Боде для усилителя с одним полюсом на АЧХ.

Рисунок 18 - 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 минус 20дБ/дек. График зависимости коэффициента передачи усилителя, охваченного отрицательной ОС, пересикает ось ординат в точке 20lg(Vout/Vin), и, так как АЧХ цепи 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, совпадает с 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 минус 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 условие состоит в том, что произведение коэффициента усиления усилителя А на коэффициент обратной связи в должно быть равно единице, то есть должен соблюдаться баланс амплитуд. Второе условие это сигнал обратной связи должен приходить на вход в такой фазе, что бы его нарастание приводило к нарастанию выходного сигнала с той же полярностью то есть соблюдаться баланс фаз . Что бы генерация происходила на задней частоте, в усилитель 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 нулю 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 автогенерации. Даже если не будет условий для авто генерации, сдвиг фазы в цепи ОС, заметно отличающейся от 180 градусов, может привести к возникновению выбросов и кратковременных осцилляций (звона) на фронтах импульсных сигналов, что крайне нежелательно.

На рисунке 19 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 нуля дБ. Получается схема генератора, 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 точно180 градусов.

Рисунок 19 - 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 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 приведённых ввиде выражений (18) и (19). ф - период колебаний при котором наблюдается на графике полюс или нуль, а s=jщ (комплексная частота).

(18)

(19)

Сравнение выражения 18 с уравнением второго порядка 19, в которое введены коэффициент затухания ж и частота собственных калебаний щ(n) даёт возможность затем определить эти велечины из выражений 20 и 21.

(20)

(21)

Когда два полюсника достаточно разнесены друг от друга, справедливо выражение 22.

(22)

На рисунке 20 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 20 - Зависимость запаса устойчивости по фазе и амплитуды выброса от коэффициента затухания

Диаграммы Боде были изложены с целью изучения и анализа работы работы операционного усилителя. Так с помощью метода Боде трудоёмкие и сложные операции которые применяются для анализа схем с ОС можно заменить простой графической техникой. С помощью метода Бода были рассчитаны номиналы резисторов использующиеся в цепи обратной связи операционного усилителя.



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 21. Этот усилитель характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Рисунок 21 - Схеме включения транзистора с общей базой

Усилитель по схеме включения его транзистора с общим коллектором изображён на рисунке 22. Он характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Рисунок 22 - Схеме включения транзистора с общим коллектором

Наибольшее распространение получила схема включения транзистора с общим эмиттером. Схема такого включения изображена на рисунке 23. 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 23 - Схеме включения транзистора с общим эмиттером

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

Параметры транзистора в значительной степени зависят и от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рисунок 23). 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.

В промышленных конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора. На рисунке 24 приведена схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе. Такие усилители (рисунок 24) с эмиттерной температурной стабилизацией могут быть построены как на n-p-n так и на p-n-p типах транзисторов [3].

Рисунок 24 - Схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе с эмиттерной температурной стабилизацией

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 24. 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 на 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 24, 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 ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ

Известен потенциометрический метод регулировки усиления структурная схема которого приведена на рисунке 25. В этом методе используются резистивные делители напряжения с переменным коэффициентом деления.

Рисунок 25 - 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. Достоинство такого метода заключается в его простоте построения.

Известен метод регулировки усиления с помощью П- и Т-образных резистивных аттенюаторов структурная схема которого приведена на рисунке 26. П- и Т-образные резистивные аттенюаторы, широко используются в согласованных, радиочастотных трактах. Достоинства П- и Т-образных резистивных аттенюаторов заключается в том что они позволяют при изменении вносимого затухания обеспечить постоянство входных и выходных сопротивлений.Однако недостаток этого метода заключается в том что, для плавной регулировки усиления, в этом случае необходимо обеспечить одновременное изменение сопротивлений. Поэтому, такие схемы чаще используются для дискретной регулировки.

Рисунок 26 - Регулировка усиления в согласованном тракте

Известен метод регулировки усиления с использованием полевых транзисторов в качестве управляемых сопротивлений, структурная схема которого приведена на рисунке 27. Работает следующим образом: полевые транзисторы образуют П-образный аттенюатор, 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. Достоинства этого метода это возможность организовать электронную регулировку усиления. Недостатком является сложность построения и настройка схемы управления.

Рисунок 27 - Регулировка усиления с применением полевых транзисторов

Известен метод регулировки усиления с помощью цепей обратной связи в схемах с глубокой отрицательной обратной связью. Примеры таких схем приведены на рисунке 28 и 29. Усиление практически полностью определяется цепью обратной связи и не зависит от свойств усилителя. В этом случае усиление регулируется изменением параметров цепи обратной связи. [5].

Рисунок 28 - Регулировка усиления с применением обратной связи

Рисунок 29 - Регулировка усиления с применением обратной связи

На рисунке 28 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 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 30. 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 30 - Регулировка усиления с помощью оптопары

Достоинством этого метода является то что усиление практически полностью определяется цепью обратной связи и не зависит от свойств усилителя. С применением оптопары это развязка управляющего сигнала от усилительного каскада. Недостатки это сложность построения и настройка схем.



6. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ АРУ

6.1 Усилительные свойства ОУ в системе АРУ

В качестве предусилительной части системы АРУ за основу был взят операционный усилитель по неинверсной схеме включения схема которого уже рассматривалась в разделе 3.1 и приведена на рисунке 31. Усилительный каскад был изготовлен на макетной плате и доработан. В качестве ОУ была использована микросхема OPA657. Зависимость коэффициента усиления с разомкнутой петлёй обратной связи и зависимость фазы от частоты приведены на рисунке 32.

Рисунок 31 - Неинвертирующий усилитель

Рисунок 32 - Зависимость коэффициента усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Для правильной и корректной работы операционного усилителя необходимо усиление минимум 3 Дб. Но при увеличении частоты коэффициент усиления операционного усилителя спадает как показано на рисунке 32. Эта зависимость определяется технологией изготовления производителей этой микросхемы OPA657. Точка излома выше которой АЧХ спадает, называется полюсом, а точка излома после которой АЧХ возрастает называется нулём. У микросхемы OPA657 спад АЧХ начинается с 350 кГц. И плавно спадает до 1 ГГц. Отсюда можно предположить что первый полюс равен 1/350. Из графика, изображённого на рисунке 32 видно, что на интервале частот от 10 до 100 МГц коэффициент усиления примерно изменяется в пределах от 45 до 25 дБ чего более чем достаточно для данной системы АРУ. Номиналы резисторов цепи обратной связи и были рассчитаны с помощью формулы 12 в программе Mathcad и построен график АЧХ операционного усилителя для данной схемы. График АЧХ усилителя OPA657 построенный в программе Mathcad изображён на рисунке 33.

Рисунок 33 - АЧХ усилителя OPA657



Применение метода Боде при разработке предусилительного каскада системы АРУ позволило рассчитать номиналы резисторов в цепи обратной связи наиболее оптимальными.

6.2 Полевой транзистор в цепи ОС ОУ

Для изменения коэффициента усиления операционного усилителя необходимо изменять отношение сопротивления резисторов его цепи 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. При разработке системы автоматической стабилизации мощности были изучены транзисторы КП303, БФ345А. В данной системе наиболее подходящими оказались транзисторы КП303 так как у этих транзисторов наиболее плавная вольт- амперная характеристика. График ВАХ транзистора КП303 приведён на рисунке 34.

Рисунок 34 - Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток

6.3 Эмиттерный повторитель в системе 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 удалось перенести часть мощности на него, тем самым не нагружая выход ОУ.

Эмиттерный повторитель был выбран, собран и отработан по схеме с общим эмиттером приведённой на рисунке 35.

Рисунок 35 - Схеме включения транзистора с общим эмиттером



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. В системе автоматической стабилизации мощности генератора был использован биполярный транзистор с n-p-n проводимостью 2SC3357. График зависимости коэффициента усиления от частоты показан на рисунке 36.

Рисунок 36 - Зависимости коэффициента усиления от частоты

Тип корпуса транзистора 2SC3357 выбран наиболее минимальным SOT-089 так как полная схема системы АРУ должна быть размещена на плате с размерами 1 см на 2 см.

Принципиальная схема АРУ приведена на рисунке 37. 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. Через разделительный конденсатор С1 приходит 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 которая является нагрузкой сопротивление которой 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 37 - Принципиальная схема АРУ



7. 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 1 см на 2 см . 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 38 изображено фото готовой платы АРУ.

Рисунок 38 - Печатная плата усилителя с АРУ



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты дипломной работы состоят в следующем:

1. Поставленные задачи работы выполнены полностью.

2. Разработана схема автоматической регулировки усиления генератора когерентных сигналов. Проведены испытания совместно с трёхчастотным генератором когерентных сигналов на диапазоне частот 20-100 МГц и 20,278-100,278 МГц. Разработанная схема осуществляет регулировку усиления в диапазоне 20-100 МГц. Разработанная система автоматической регулировки мощности осуществляет её поддерживание относительно эталонного уровня зависящего от температуры окружающей среды связанное с тем, что уровень сигнала на выходе полупроводникового детектора сильно зависит от температуры. Температурная стабилизация достигнута благодаря использованию современных полупроводниковых приборов у которых приняты меры по уменьшению зависимости выходного сигнала от окружающей температуры. Так же разработанная схема автоматической стабилизации мощности генератора осуществляет поддерживание определённого уровня выходного сигнала. Все узлы системы АРУ работают надёжно и полностью удовлетворяют всем параметрам.

3. В данной дипломной работе при разработке системы АРУ были изучены и проанализированы методы Боде с помощью которых производились расчёты номиналов резисторов. Так же приведены АЧХ микросхем и транзисторов которые были применены в системе АРУ. Были изучены и проанализированы в ходе разработки системы автоматической стабилизации мощности основные методы регулировки усиления, основные схемы включения операционных усилителей а так же транзисторов.

4. Была спроектирована и изготовлена плата системы АРУ в двух экземплярах которые можно поместить в генератор качающийся частоты или поместить в отдельный корпус на котором предусмотрены разъёмы для подключения входа и выхода а так же напряжения питания плюс 5 вольт. В ходе работы было выяснено что устойчивость к помехам и самовозбуждения во многом зависит от размещения элементов на плате, от толщины дорожек а так же от номиналов резисторов цепи обратной связи операционного усилителя.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Картер Б. Операционные усилители / Б. Картер, Р. Манчини. - 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 / В.А. Иноземцев. - Брянск: Издательство БГУ, 2002. - 110 с.

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].

...