Генераторы линейно изменяющегося напряжения. Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному

Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами: периодом Т, длительностью рабочего хода Т_р, длительностью обратного хода Т_обр, амплитудой U_m, коэффициентом нелинейности

где |du/dt|_t=0 и |du/dt|_t=Tp − соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода. В ГЛИН, используемых на практике, Т_р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U_m−от единиц до тысяч вольт, Т_обр−от 1 до 50% от Т_р. В большинстве реальных схем ε<1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. На рисунке приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами U_вх отрицательной полярности. В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R_б и R_к. При воздействии входного импульса длительностью Т_р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е_к через резистор R_к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте: U_c=E_к(1−e^-t/(RC)). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U_m/E_к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.

Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ

Усилитель мощности.

Выходной ток интегральных операционных усилителей обычно составляет не более 20 мА. Существует много способов, с помощью которых можно без особых затрат увеличить этот ток приблизительно в 10 раз.

Для этого можно применить, например, мощные выходные каскады. Для низкочастотных входных сигналов можно использовать двухтактные эмиттерные повторители в режиме В (см. рис.1). При положительных входных сигналах транзистор VT1работает как эмиттерный повторитель, а транзистор VT2 заперт. При отрицательных входных напряжениях – наоборот. Таким образом транзисторы работают попеременно, каждый в течении одного полутериода входного напряжения. При Uвх=0 оба транзистора заперты; следовательно, схема имеет малый ток покоя. Ток, потребляемый как от положительного, так и от отрицательного источника напряжения равен току в нагрузке. Поэтому схема обладает существенно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с обычным эмиттерным повторителем. Еще одно различие состоит в том, что выходное напряжение при любой нагрузке может достигать ±U, поскольку транзисторы не ограничивают выходной ток. Таким образом, в схеме не требуется согласования нагрузки, и максимальная мощность на выходе определяется лишь предельным током и максимальной мощностью рассеивания используемых транзисторов.

Как уже отмечалось выше, в каждый момент времени открыт только один транзистор. Однако это справедливо только для частот входного сигнала, не превышающих частоту пропускания используемых транзисторов. Из открытого состояния в закрытое транзистор переходит за определенный промежуток времени. Если длительность колебаний входного напряжения меньше этого промежутка времени, оба транзистора могут оказаться открытыми одновременно. При этом через открытые транзисторы от источников питания будет течь большой ток, который может привести к мгновенному разрушению транзисторов. Колебания с такой критической частотой могут возникнуть также в усилителях, охваченных обратной связью, или даже тогда, когда нагрузка эмиттерного повторителя носит емкостный характер. Для защиты транзисторов следует предусмотреть ограничение тока.

Классы усиления сигнала.

В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора различают А, В, АВ, С, Д классы усилений.

Класс А:

В этом режиме рабочая точка находится на середине линейного участка проходной характеристики. В этом режиме обеспечиваются минимальные нелинейные искажения, но он имеет низкий КПД (менее 5% для синусоидального сигнала) и высокие потери мощности в режиме отсутствия сигнала. Используются в предварительных и промежуточных каскадах усилителей, а также в усилителях мощности сверхвысокого качества.

Класс В:

В этом режиме рабочая точка находится в начале проходной характеристики U_бэ = 0. Достоинства: достаточно высокий КПД (до 78% при усилении синусоидального сигнала), отсутствие потерь мощности в режиме покоя. Недостатки: высокие нелинейные искажения. Применение: в усилителях мощности невысокого качества и высокой экономичности.

Класс АВ:

В этом режиме рабочая точка находится в начале линейного участка проходной характеристики. Имеет высокий КПД (60-65%), невысокие потери мощности в режиме покоя и относительно невысокие линейные искажения. Необходимо схемоподдержания начального тока коллектора. Используется в усилителях мощности среднего и

высокого качества.

Класс С:

В этом режиме транзистор заперт напряжением смещения на базе и находится в режиме отсечки, т.е. рабочая точка находится левее нуля (в отрицательной области). Транзистор надёжно закрыт обратным смещением. КПД более высокий чем в режиме В, но очень высокие нелинейные искажения. Используется в устройствах, где существенны даже незначительные увеличения КПД, а нелинейные искажения не играют роли, также в генераторах и усилителях, где выделение основной гармоники осуществляется специальными фильтрами, в мощных радиопередатчиках.

Класс Д (ключевой режим):

В этом режиме транзистор либо закрыт, либо открыт. Это импульсный режим работы транзистора. Достоинства: высокий КПД (стремится к 100%). Отсутствуют потери мощности (только на фронтах). Недостатки: нелинейный режим. Применение: импульсные источники питания, наконечники лазеров.

Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ.

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменные напряжения требуемой формы. Генератор можно получить из усилителя, охватив его положительной ОС. Автогенераторами называют генераторами с независимым возбуждением.

Усиление – это процесс преобразования энергии источника питания по закону входного сигнала, а генераторы осуществляют преобразование энергии источника питания в переменное напряжение требуемой частоты.

Для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

1. баланс фаз – фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем и звеном ПОС должны быть кратны .
   
2. баланс амплитуд – произведение коэффициента усиления и коэффициента ОС , т.е. усилитель должен компенсировать все потери с цепи ОС.

Кроме того, для получения сигнала неискаженной формы необходимо, чтобы . Если происходит затухание колебаний, если , то возникает прогрессирующее нарастание амплитуды сигнала на входе и выходе до ее ограничения, обусловленного напряжением источников питания и форма сигнала отлична от синусоидальной.

Равенство соответствует установившемуся режиму и возможно только при некотором соотношении коэф. ООС и ПОС.

Генератор синусоидальных колебаний на ОУ (LC-генератор)

Баланс фаз означает, что колебания в замкнутой системе могут возобновляться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы ОС и фаза входного напряжения совпадают. Баланс амплитуд означает, что для возбуждения генератора усилителю необходимо компенсировать потери в схеме ОС.

Регулируя , добиваемся равенства ПОС и ООС, что выражается в наличии на выходе незатухающих и неискаженных гармонических колебаний.

Недостаток: большие масса и объем для частот ниже нескольких кГц.

Для получения колебаний низкой частоты (менее 1 кГц) приходится использовать большие значения L и C, что увеличивает габариты и массу устройства. Для этого используют LC-генератор с мостом Вина.

Мост Вина не осуществляет сдвига фаз на резонансной частоте. Для возникновения незатухающий колебаний необходимо выполнение следующих условий:

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается R3 (термистор) или увеличивается R4 (позистор).

Стабильность такого генератора , а если необходима более высокая стабильность , используется кварцевый генератор.

Условие баланса амплитуд:

RC-генераторы.

Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют RC-генераторы.

Представленная RС-цепь не осуществляет сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, т.е. . Эта схема включается между выходом усилителя и неинвертирующим входом ОУ. Элементу и предназначены для получения требуемого коэффициента усиления. В схеме возникают автоколебания при соотношении , частота которых определяется формулой Если и , то частоту автоколебаний определяют из соотношения , причем должно быть выполнено условие .

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление или увеличивается . Поэтому вместо включается миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо - металлический терморезистор.

Другое представление схемы:

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R₂C×ln(1+ ), при R₃=R₄ t_и=t_п=R₂C×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя t=R₂C и величины R₃, R₄, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через до -2В и т.д.

Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор

Фильтры низких частот (ФНЧ) пропускают на выход все частоты, начиная от нулевой (постоянный ток) и до некоторой заданной частоты среза , и ослабляют все частоты, превышающие . Диапазон частот от 0 до называется полосой пропускания, а диапазон частот, превышающих - полосой подавления. Частота среза – это та частота, при которой напряжение на выходе фильтра падает до уровня 0,707 от напряжения в полосе пропускания (т.е. падает на 3 дБ), - частота, при которой выходное напряжение на 3 дБ выше, чем выходное напряжение в полосе подавления.

Полосовой фильтр пропускает все частоты в полосе между нижней частотой среза и верхней . Все частоты ниже и выше ослабляются. Диапазоны частот от до и от до являются переходными участками.

Фильтры высоких частот (ФВЧ) ослабляют все частоты, начиная от нулевой и до частоты , и пропускают все частоты, начиная от и до верхнего частотного предела схемы.

Режекторный полосовой фильтр (заграждения) ослабляет вес частоты между и и пропускает все остальные частоты.

Пассивные фильтры построены из катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов. Используемые в пассивных фильтрах катушки индуктивности обладают активным сопротивлением, межвитковой емкостью и потерями в сердечнике, что делает их свойства далекими от идеальных.

Активные фильтры содержат в своей конструкции усилитель.

Достоинства активных фильтров:

• в них используются только R и C, свойства которых ближе к идеальным, чем у L;
• относительно дешевы;
• могут обеспечивать усиление в полосе пропускания;
• обеспечивают развязку входа от выхода (высокое входное и низкое выходное сопротивление), следовательно, легко сделать многокаскадными;
• легко настраиваются;
• фильтры для очень низких частот могут быть построены из компонентов с умеренными значениями параметров.

Недостатки:

· нуждаются в источнике питания;

· рабочий диапазон частот ограничен максимальной рабочей частотой ОУ и не превышает несколько МГц.

Фильтры характеризуются порядком или количеством полюсов. Каждый полюс дает ослабление ~ 6 дБ/окт или 20 дБ/дек (в зависимости от типа частотной характеристики фильтра может быть > или < 6 дБ/окт).