Электронные цепи и микросхемотехника

???1) Влияние отрицательной обратной связи на качественные характеристики усилителя.

Обратной связью (ОС) называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход. Обычно ее специально вводят для целенаправленного изменения характеристик усилителя. Однако иногда она возникает произвольно – паразитная.

В зависимости от способа получения сигнала ОС: по напряжению (сигнал ОС пропорционален напряжению нагрузки), по току (сигнал ОС пропорционален току нагрузки). По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя: последовательная (когда суммируются напряжения и ) и параллельную (когда суммируются ). Обратную связь называют отрицательной, если сигнал ОС вычитается из усиливаемого сигнала. В усилителе с отрицательной ОС (ООС) суммарный фазовый сдвиг в петле равен 180 гр., то есть коэффициент усиления уменьшается.

ООС широко применяется в усилителях, так как существенно улучшаются свойства этого усилителя, такие как:

А) Повышается стабильность в случае изменения параметров транзисторов;

Б) Полоса пропускания становиться шире

В) Снижается уровень нелинейных искажений, вносимых данным усилителем

Г) Увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивление усилителя.

ООС характеризуется параметром , который называется глубиной ООС.

???2) Дайте сравнительную характеристику транзисторных усилительных каскадов по схемам ОЭ, ОБ, ОК.

Усилительный каскад по схеме ОЭ.

предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное - от единиц до десятков килоом. Приведем основные соотношения для данной схемы. Каскад усиливает по току и по напряжению . Главным недостатком схемы включения транзистора по схеме с общим эмиттером является маленькое входное сопротивление , Омическое сопротивление базы очень мало, поэтому сопротивление определяется только .

Усилительный каскад по схеме ОК.

предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.  Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом - единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов - как "буферный каскад". Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде "повторяется" на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называютЭмиттерный повторитель. Основные соотношения. Каскад усиливает по току

но не усиливает по напряжению .

Выражение для входного сопротивления каскада: . Входное сопротивление достаточно велико, И схема часто используется как согласующий каскад, эмиттерный повторитель.

Усилительный каскад по схеме ОБ.

входное сопротивление - от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление - от сотен килоом до единиц мегаом.

Основные соотношения. Каскад не усиливает по току , каскад усиливает по напряжению .

???3) Дайте сравнительную характеристику выходным усилительным каскадам, работающим в режимах А, В, АВ.

В режиме класса А рабочая точка находится на пересечении нагрузочных прямых постоянного и переменного тока. Достоинство схемы в том, что при любом источнике питания мы можем приспособиться к Rн, меняя коэффициент трансформации (т.е. получить нужную Рн). Предельное к.п.д. каскада 50%, реально 20 - 30%.

Соотношения для выбора транзистора: Uкдоп > 2Е, Iкдоп > 2Iо, Ркдоп > 2.5Рн

Недостатки:

• Постоянное подмагничивание сердечника трансформатора

• Трудность обеспечения хорошей стабилизации температурного режима

• Наличие трансформатора вносит доп. Частотные искажения.

.

Класс В – Дальнейшее повышение к.п.д. обеспечивает выходной каскад в режиме Класса В. Рабочая точка выбирается в начале координат на выходных характеристиках транзистора.

Поэтому в отсутствии сигнала ток коллектора равен нулю, и к транзистору прикладывается всё напряжение источника питания.

Постоянное подмагничивание отсутствует как во входном, так и в согласующем трансформаторе, обеспечивающем противофазное напряжение сигнала для работы двухтактной схемы. Максимальное значение к.п.д. теоретически – 78%, практически – 50 – 60%. Соотношения для выбора транзистора: Uкдоп > 2Е, Iкдоп > Imax, Ркдоп > 0.2Р~max. Недостатком режима класса В являются искажения сигнала в момент его перехода через ноль.

Класс АВ – промежуточный класс м/у А и В. В этом режиме транзистор может переключатся м/у режимом отсечки и активным режимом, но преобладает активный режим. Незначительнее уменьшении КПД компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений.

???4) Дифференциальный усилительный каскад на биполярных транзисторах: схема, принцип работы, передаточная характеристика.

Вар отв 1) Дифференциальный усилитель (а) и его вольтамперная характеристика (б)

Каскад обычно питается от двухполярного источника, относительно общей точки которого ведется отсчет входных и выходных напряжений. Каскад имеет прямой и инверсный выход, выбрав прямой, противоположный будет инверсным. В случае, если на входах синфазное напряжение (Uвх1 и Uвх2 совпадают по фазе и одинаковы по амплитуде), то Uвых=0. Каскад давит синфазную помеху. Основные соотношения. . В случае, когда на входы подается разное по амплитуде или фазе напряжение, появляется разбаланс плеч и Uвых не равно 0.

Вар отв 2) Для уменьшения дрейфа кроме стабилизации питающих напряжений применяют дифференциальные или балластные усилители. Питание двуполярное(+E -E) относительно общей точки которого ведется отсчет входных и выходных напряжений. Симметрия схемы относительно генератора постоянного тока J практически устраняет дрейф нулевого уровня из-за температурного смещения входных и выходных характеристик транзисторов. Если на вход подается дифф сигнал Uвх= Uвых1-Uвых20, то происходит перераспределение токов между плечами каскада, но сумма токов остается постоянной J=I1+I2. В случае, если на входах синфазное напряжение (Uвх1 и Uвх2 совпадают по фазе и одинаковы по амплитуде), то Uвых=0. Каскад давит синфазную помеху.

???5) Инвертирующий УПТ на операционном усилителе: схема, коэффициент усиления по напряжению, полоса частот, сдвиг и дрейф нулевого уровня.

Резистор R3 служит для улучшения температурной стабильности режима (уменьшения ошибок сдвига и дрейфа нулевого уровня) и может отсутствовать. ОУ охвачен параллельной ООС (суммируются токи I_вх и I_ос) по току. Для идеального ОУ Кос=-R2/R1. Для повышения точности используются прецизионные резисторы с одинаковыми температурными коэффициентами сопротивления. Верхняя граничная частота полосы пропускания УПТ на уровне 3дБ определяется соотношением f_B=f1/(1+R2/R1), тем меньше, чем больше коэффициент усиления.

Из-за отсутствия разделительных конденсаторов и трансформатора происходит появление сигнала помехи. Из-за этого на выходе УПТ, при закороченном входе, появляется выходной сигнал (монотонные, беспорядочные колебания)

Соотношения для оценки сдвига и дрейфа нулевого уровня: , в случае добавления сопротивления R3 к неинвертирующему входу и к земле, такого чтобы

???6) Неивертирующий УПТ на операционном усилителе: схема, коэффициент усиления по напряжению, полоса частот, сдвиг и дрейф нулевого уровня.

В неинвертирующем УПТ ОУ охвачен последовательной ООС (суммируются напряжения U_вх и U_ос) по напряжению (цепь обратной связи инвертирующего усилителя с U_вых=-kU_вх передает во входную цепь напряжение U_ос=γkU_вх). Для идеального ОУ Кос=1+R2/R1. Верхняя граничная частота полосы пропускания УПТ на уровне 3дБ определяется соотношением f_B=f1/(1+R2/R1). Достоинство - большое входное сопротивление, недостаток - дополнительная погрешность сдвига за счет синфазного сигнала на входе ОУ. Соотношения для оценки сдвига и дрейфа нулевого уровня:

, в случае добавления сопротивления R3 к неинвертирующему входу и к земле, такого чтобы

???7) Приведите пример построения схемы избирательного усилителя.

Усилитель, предназначен для усиления сигналов в узкой полосе частот. Избирательное усиление можно получить с помощью частотно зависимой цепи (например, параллельного или последовательного LC контура), включенной либо в нагрузку, либо в цепь обратной связи транзисторного усилительного каскада.

Сопротивление контура, включенного в коллектор транзистора VT1, зависит от частоты. На резонансной частоте , оно имеет максимальное значение. Соответственно, коэффициент усиления каскада на этой частоте максимальный и убывает при расстройке частоты в область более высоких и низких значений.

Важной характеристикой усилителя является его избирательность, определяемая как отношение коэффициента усиления на резонансной частоте к коэффициенту усиления на заданной частоте помехи fп . Добротность контура должна быть выше добротности каскада, рассчитанной по заданной избирательности так как контур шунтируется выходным сопротивлением транзистора и сопротивлением нагрузки.

???8) Приведите пример построения схемы генератора гармонических колебаний.

Электрическим генератором называют устройство, преобразующее с помощью усилительных элементов энергию источника питания в энергию электрических колебаний заданной формы и частоты.

Автогенератор с мостом Вина:

В данной схеме резистор R2 – нелинейный. Необходимо выполнения условия баланса фаз . При выполнении условия баланса амплитуд на : в схеме возникают и растут по величине гармонические колебания с частотой f₀. Они растут пока не выполнится равенство

?????9) Приведите пример построения схемы стабилизатора постоянного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, где регулирующее сопротивление Rупр управляется внешним сигналом Uупр, полученным в результате сравнения выходного напряжения с источником опорного напряжения(ИОН). Компенсационные стабилизаторы могут быть как параллельного так и последовательного типа. Рассмотрим один из вариантов.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, где регулирующее сопротивление Rупр управляется внешним сигналом Uупр, полученным в результате сравнения выходного напряжения с источником опорного напряжения (ИОН). Компенсационные стабилизаторы могут быть как параллельного так и последовательного типа. Рассмотрим один из вариантов.

VT1 выполняет функцию реализуемого сопротивления, на управляющий вход которого поступает сигнал с VT2. В VT2 потенциал эмиттера стабилизирован с помощью параметрического стабилизатора, а напряжение на базе является частью выходного напряжения. Отклонение выходного напряжения от номинального изменяет исходное напряжение между базой и эмиттером VT2, что в свою очередь сказывается на величине базового и коллекторного токов этого транзистора. Коллекторной нагрузкой VT2 является R2 и VT1. Изменение коллекторного тока транзистора VT2 приводит к изменению потенциала VT2 и базы VT1. Изменение потенциала базы VT1 в свою очередь приведет к изменению сопротивления участка коллектор – эмиттерVT1, следовательно, к изменению падения на нем.

Меняя положение движка потенциометра R3, можно в опред. пределах изменять величину номинального выходного напряжения.

В системе запас по напряжению должен быть не менее 20 %, в силу соотношения: . Резистор R1 задает падение напряжения на транзисторе. В делителе напряжения R3, R4 напряжение на резисторе R4: , т.к. VT2 включен по схеме эмиттерного повторителя.

10) Генератор линейно нарастающего напряжения со стабилизатором тока разряда конденсатора по схеме ,,истоковый повторитель,, : принцип работы, временные диаграммы . Доказать линейность изменения Uвых .

“истоковый повторитель”.

В данной схеме можно получить Кн→0( коэфицент нелинейности пилообразного напряжения) Ки.п. →1(Ки.п. коэффициент использования источника напряжения источника питания, показывает ) Конденсатор заряжается по линейному закону за счет того, что он заряжается постоянным током, организованным с помощью стабилизатора по схеме истокового повторителя(). Выражение изменения напряжения на конденсаторе Uc=Iзар*t/C. Пилообразное напряжение имеет как прямой так и обратный фронт. Для того чтобы помеха, связанная с разрядом конденсатора не влияла на полезный сигнал необходимо, чтобы: , а следовательно . Транзистор VT2 работает в линейном режиме.

11) Генератор линейно падающего напряжения со стабилизатором тока разряда конденсатора по схеме ,,токовое зеркало’’: принцип работы, временные диаграммы. Доказать линейность изменения Uвых .

В исходном состоянии ключи 1 и 2 замкнуты и конденсатор заряжается до Еп. После размыкания ключа конденсатор разрежается через стабилизатор тока, выходное напряжение при этом уменьшается по линейному закону.

За счет токового зеркала конденсатор разряжается линейно, т.к. разряжается он постоянным током. Основные соотношения для данной схемы:

Напряжение на конденсаторе.

Коэффициент нелинейности.

12) Триггер Шмидта на дискретных компонентах: схема, принцип работы, передаточная характеристика, временные диаграммы, основные соотношения.

Триггер Шмидта – устройство позволяющее сформировывать импульс на выходе при сложном сигнале на входе.(Другое название: триггер с эмиттерной связью) Порог срабатывания триггера задается с помощью резистора Rk2, порог отпускания Rk1. R2 (Rэ) осушествляет положиетльную обратную связь VT2 c VT1 и отрицательную обратную связь по току в каскаде транзистора VT1.(но преобладает положительная связь между VT2 b VT1)

Обязательное условие для работоспособности триггера: . В начальный момент времени на выходе низкий уровень напряжения. Когда напряжение на входе превосходит порог срабатывания на выходе появляется импульс высокого уровня до тех пор пока входное напряжение не станет меньше Uотп.

На вход не поступает Uвх. VT1 закрыт из-за R. VT2 открыт, С заряжен.

IбVT2 = (Еп – Urэ)/(R1+Rб);

Urэ = Еп – Urk ;

IkVT2 = Еп/(R2+Rэ).

Есть входной сигнал

1) При Uвх > Urэ + Uбэ , начинает открываться VT1. Конденсатор закрывает VT2 :

Urэ = 0, VT1 – в насыщение,

IkVT1 = Еп/(R1+Rэ).

IkVT1 < IkVT2,

порог отпускания другой = U’rэ.

2) При Uвх < U’rэ

VT1 закрывается, кондер разряжен – появляется форсирующий базовый ток VT2 – открыт.

Urэ = Еп – Urk.

13) Ждущий мультивибратор на биполярных транзисторах по схеме с эмиттерной связью, его назначение и свойства.

Ждущий мультивибратор на биполярных транзисторах по схеме с эмиттерной связью предназначен для формирования прямоугольного импульса заданной длительности при поступлении на вход короткого запускающего импульса. При Uзап > URэ, VT1 откроется. По контуру 2 проходит перезард Ct до Eп.

• Предназначен для формирования временного интервала.

• Осуществляет селекцию входных сигналов.

• По временному интервалу очень точный.

• Работает заряд- перезаряд емкости С.

???14) Схемы форсирующих RC-цепей при управлении ключом с общим эмиттером.

Напряжение на конденсаторе Cф не должно превышать 5 вольт. Форсирующая цепочка ставиться для ускорения открывания и закрывания транзистора. Ток базы можно вычислить по формуле: . В начальный момент времени конденсатор разряжен, т.е. , после заряда конденсатора . В момент выключения плюс на конденсаторе помогает разрядить БЭ емкость. Пример двухкаскадного усилитель с форсирующей RC-цепью.