СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Целью работы является исследование различных способов обеспечения устойчивости усилителей с общей отрицательной обратной связью (ООС), на базе которых реализуются многие аналоговые электронные устройства (усилители постоянного и переменного тока, активные фильтры, стабилизаторы напряжения и тока и т. д.). При этом для анализа устойчивости усилителей используются логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) и критерий устойчивости Найквиста в терминах ЛАЧХ. Экспериментальные исследования проводятся на базе учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.
Общие сведения
По критерию устойчивости Найквиста усилитель с общей ООС устойчив, если на частоте среза 
fср , где модуль его петлевого усиления |T ( jf )| равен единице, абсолютное значение дополнительного фазового сдвига φТ ( f ) по контуру обратной связи меньше 180° (рассматриваются минимально-фазовые системы, устойчивые в разомкнутом состоянии). Для минимально-фазовой системы существует однозначное соответствие между ЛАЧХ (L Т ( f ) = 20 lg|T(jf)|) и фазовой частотной характеристикой (ФЧХ) φТ ( f ), а именно: если наклон ЛАЧХ составляет ±20 дБ/дек, то фазовый сдвиг φТ ( f ) стремится к ±90°; если наклон ЛАЧХ составляет ±40 дБ/дек, то фазовый сдвиг стремится к ±180° и т. д. Поэтому для устойчивости усилителя с общей ООС, как правило, необходимо, чтобы наклон ЛАЧХ петлевого усиления L Т ( f ) в районе частоты среза fср не превышал -40 дБ/дек. Если необходимо обеспечить значительный запас устойчивости усилителя по фазе (∆φ = 180° - |φТ ( fср )| >30…50°), то целесообразно, чтобы в районе частоты fср, наклон ЛАЧХ L Т ( f ) составлял -20 дБ/дек.
Следует отметить, что в данной лабораторной работе нужно снять и исследовать значительное число ЛАЧХ и ФЧХ усилителей, что наиболее выигрышно раскрывает возможности визуализации такого прекрасного прибора как «Анализатор Боде». Однако реальный частотный диапазон этого прибора составляет 5…35000 Гц, а проблемы высокочастотной неустойчивости усилителей, как правило, возникают на частотах 0,1…100 МГц. Что делать? Выход состоит в том, чтобы в лабораторной работе изложить способы обеспечения устойчивости усилителей инвариантно к частотному диапазону, а схемотехнические примеры, их иллюстрирующие, перевести с использованием RC–цепей и интегральных операционных усилителей в частотный диапазон «Анализатора Боде» (физическое моделирование).
На рис. 1.1, а приведена функциональная схема исследуемого усилителя, состоящего из двух усилительных подсхем D А1 и D А2. Усилитель устойчив в разомкнутом состоянии, и задачу обеспечения устойчивости целесообразно решать только при его работе с цепью глубокой ООС. Для анализа устойчивости усилителя необходимо располагать информацией о ЛАЧХ подсхем D А1 и D А2. Они построены таким образом, что коэффициент передачи по напряжению подсхемы D А1 соответствует апериодическому звену второго порядка, а коэффициент передачи подсхемы D А2 — апериодическому звену первого порядка:
,
. (1.1)
При этом коэффициент передачи всего усилителя определяется соотношением:
,
, 
, 
. (1.2)
В соответствии с выражениями (2.1), (2.2) на рис. 2.1, б приведены ЛАЧХ ( LUi ( f ) = 20; lg |KUi ( jf )|; f i = 1/2πτi, i =1, 2,3) и ФЧХ φi ( f ) для подсхем DA1, DA2 и для всего нескорректированного усилителя (характеристики 1; 2 и 3 соответственно). Из рассмотрения характеристики 3 очевидно, что в районе частоты среза fср наклон ЛАЧХ всего усилителя составляет -60 дБ/дек и абсолютное значение фазового сдвига превышает 180°. Следовательно, если в данный усилитель ввести глубокую ООС, то он будет неустойчив. Далее рассматриваются различные способы обеспечения устойчивости усилителя (см. рис. 1.1, а) с цепью общей ООС.
а
б
Рис. 1.1
Экспериментальная часть
1. Проведем измерение частотных характеристик подсхем D А1 LU1( f ) и D А2 LU2( f ) и всего нескорректированного усилителя LU3( f ) (см. рис. 1.1, а, б) с использованием функционального генератора (ФГ) и анализатора Боде (АБ). ФГ подключается к входу 1 усилителя через разделительный конденсатор. Выберем функцию Bode Analyzer из меню запуска инструментов NI ELVIS. На лицевой панели АБ установим следующие значения параметров: Start – 5 Гц; Stop – 35 кГц; Steps – 10; Peak Amplitude – 0,01 В. Нажмем кнопку Run и будем наблюдать за частотными характеристиками усилителя. Убедимся в том, что результаты исследования соответствуют рис. 1.1, б.
2. По результатам измерений проводим аппроксимацию экспериментальных ЛАЧХ LU1( f ), LU2( f ), LU3( f ) и определяем для нескорректированного усилителя (рис. 2.1, а) частоты: f1 = 1/2πτ1, f2 ≈ f3 = 1/2πτ2 .
3. На основании соотношений (1.4) - (1.6) и результатов эксперимента определяем параметры корректирующих цепей С2, R4, C3, R5 для заданной частоты среза ЛАЧХ скорректированного усилителя (fср2 = 1 кГц, Rвых1 = Rвх2 = 10 кОм). Строим ЛАЧХ L Т ( f ), соответствующие четырем рассматриваемым способам обеспечения устойчивости усилителя (см. рис. 1.2, б; 1.3, б; 1.4, б). При построении характеристик 1 и 2 (см. рис. 1.2, б) необходимо задаться следующими параметрами: 1) R2 = R3 = 2 кОм; 2) R2 = 2 кОм, R3 = 60 кОм.
4. Собираем схему усилителя, (см. рис. 1.2, а; R2 = R3 = 2 кОм), подключаем к его выходу осциллограф (ОСЦ). В меню запуска инструментов NI ELVIS выбираем функцию Oscilloscope. В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запускаем ОСЦ в непрерывном режиме и наблюдаем за выходным напряжением усилителя. Убеждаемся в его неустойчивости (на выходе неустойчивого усилителя наблюдаются незатухающие колебания).
Уменьшаем глубину обратной связи усилителя (R2 = 2 кОм, R3 =60 кОм), с помощью ОСЦ убеждаемся в его устойчивости (на выходе нет незатухающих колебаний). Подаем на вход 2 усилителя сигнал с выхода ФГ (прямоугольные импульсы). С использованием ОСЦ снимаем осциллограммы переходного процесса на выходе усилителя. Поскольку источником входного сигнала является ФГ, в качестве источника триггерного сигнала выбираем SYNC_OUT.
5. Собираем схему усилителя с цепью частотно-зависимого делителя (см. рис. 1.3, а), проверяем его устойчивость. Снимаем осциллограммы переходного процесса, подавая на вход 2 усилителя сигнал с выхода ФГ. Аналогичные эксперименты проводим для усилителя с цепью частотно-зависимой ООС (см. рис. 1.3, в) и усилителя с высокочастотным параллельным каналом усиления (см. рис. 1.4, а).
6. Из рассмотрения осциллограмм переходных процессов, снятых при выполнении п.п. 4; 5, сделаем вывод о том, какой из четырех усилителей с общей ООС имеет наименьший запас устойчивости.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
- на этапе подготовки: цель работы; основные схемы и расчетные соотношения, характеризующие основные способы обеспечения устойчивости усилителей с общей ООС.
- после выполнения работы: результаты экспериментальных исследований устойчивости усилительных устройств; выводы по работе.
1.8. Контрольные вопросы
1. Как формулируется критерий устойчивости Найквиста в терминах ЛАЧХ для усилителей с общей ООС?
2. Введение в разомкнутый усилитель (рис. 1.1, а) общей ООС создает проблему устойчивости или ее решает?
3. В какое устройство может превратиться неустойчивый усилитель?
4. Какие существуют способы обеспечения устойчивости усилительных устройств?
5. Какой способ обеспечения устойчивости позволяет улучшить частотные свойства усилителя?
6. Какими недостатками обладает способ обеспечения устойчивости уменьшением глубины ООС усилителя?
7. Дайте сравнительную характеристику способам обеспечения устойчивости усилителя путем введения частотно-зависимого делителя и путем использования в усилителе цепи частотно-зависимой ООС.
8. Как изменится качество переходного процесса на выходе усилителя при уменьшении запаса его устойчивости?
9. В чем состоит основное отличие усилителя от генератора?
Лабораторная работа 2
RC-ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Цель работы заключается в ознакомлении с принципами построения RC- генераторов на операционных усилителях (ОУ) и простейшими способами стабилизации амплитуды генерируемых сигналов на базе учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.
Общие сведения
Под генератором понимается электронная цепь, формирующая переменное напряжение требуемой формы. В генераторах происходит преобразование энергии постоянного тока, потребляемой от источника постоянного напряжения, в энергию колебаний. Основное отличие генератора от усилителя состоит в том, что генератор – это автоколебательная, т.е. неустойчивая система, а усилитель должен быть всегда устойчив. Генератор может работать при отсутствии внешнего входного воздействия, для усилителя оно совершенно необходимо.
Рассмотрим условия существования незатухающих колебаний в электронных цепях. На рис. 2.1 приведена широко распространённая структурная схема генератора с параллельно-параллельной обратной связью, где У - усилитель, ОС – цепь обратной связи, 
- цепь нагрузки. Эти подсхемы характеризуются следующими параметрами:
 ,  ,
| (2.1) |
где 
– комплексный коэффициент передачи усилителя по напряжению, 
, 
– соответственно его модуль и фаза; 
- комплексный коэффициент передачи цепи обратной связи по напряжению, 
, 
- соответственно его модуль и фаза.
Рис. 2.1
Предположим, что на частоте 
в генераторе (рис. 2.1) существуют незатухающие гармонические колебания. Тогда на этой частоте
 ,  ,   .
| (2.2) |
Следовательно
 ,
| (2.3) |
где 
- петлевое усиление на частоте генерации. Условие (2.3) разделяется на 2 условия:
 ,  ;
| (2.4) | ||
 , 
| (2.5) |
Соотношение (2.4) характеризует условие баланса амплитуд: на частоте генерации 
модуль петлевого усиления системы равен 1. Это условие можно сформировать следующим образом: на частоте генерации модуль коэффициента усиления усилителя равен ослаблению, вносимому цепью обратной связи. Выражение (2.5) характеризует условие баланса фаз: на частоте генерации 
фазовый сдвиг по контуру обратной связи составляет 
.
Следует подчеркнуть, что условия (2.4) и (2.5) должны выполняться абсолютно точно, т.к. если петлевое усиление на частоте генерации меньше 1, то уже возникшие колебания будут затухающими, больше 1 – расходящимися.
RC-генераторы с мостом Вина
При построении RC-генераторов широко используется избирательная цепь, схема которой представлена на рис. 5.2, а (мост Вина). Если выполняется условие: 
и 
, то коэффициент передачи напряжения моста Вина может быть определен по формуле:
 ,  .
| (2.6) |
|
|
|
|
Рис. 2.2
На рис. 2.2, б представлены амплитудно-частотная характеристика 
и фазо-частотная характеристика 
, соответствующие выражению (2.6). Из этих характеристик и соотношения (2.6) очевидно, что на частоте коэффициент передачи моста Вина имеет максимальное значение, а его фазовый сдвиг равен 0.
 ,  .
| (2.7) |
На рис. 2.3 представлена принципиальная схема генератора с мостом Вина ( R1; C1; R2; C2), реализованная на базе неинвертирующего РУ (DA1; R3; R4); ОСЦ – осциллограф. Для выполнения в этом генераторе условия баланса амплитуд необходимо, чтобы выполнялось соотношение:
 .
| (2.8) |
Из соотношения (2.8) получаем: 
= 2 
.
Рис. 2.3
Почему в генераторе с мостом Вина используется неинвертирующий РУ? При этом удается выполнить условие баланса фаз:
 .
| (2.9) |
На практике приходится несколько изменить соотношение (2.8) с тем, чтобы коэффициент усиления 
был больше 3, при этом > 2 
(см. рис. 2.4, кривая 1). Это необходимо для самовозбуждения генератора. Причём, как было отмечено ранее, колебания будут расходящимися, и ограничение амплитуды сигнала произойдёт при достижении максимального выходного напряжения ОУ 
. В этом случае благодаря нелинейности проходной характеристики ОУ будет автоматически устанавливаться эффективное значение 
= 3 (см. рис. 2.4, кривая 2, рабочая точка А). Однако такой естественный способ стабилизации амплитуды сигнала из-за резких изломов проходной характеристики ОУ связан с существенными нелинейными искажениями.
Рис. 2.4
Экспериментальная часть
1. Проведем исследование работы RC- генератора с мостом Вина с использованием осциллографа ОСЦ (рис.5.3 – 
= 
= 10 кОм; 
= 100 кОм; = 220 кОм; 
= 
= 0,01 мкФ). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функцию Oscilloscope (Осциллограф). В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запустим ОСЦ в непрерывном режиме и понаблюдаем за выходным напряжением генератора. Выясним, чем ограничивается амплитуда выходного напряжения в генераторе и почему по форме это напряжение не является синусоидальным.
Вводим в схему (см. рис.2.3) изменение ( = 110 кОм) и повторяем эксперимент. Объясним, почему в этом случае на выходе генератора колебания отсутствуют.
2. Исследуем работу генератора с цепью НОС аналогично предыдущему эксперименту (см. рис.2.5, = = 10 кОм; 
= 100 кОм; 
= 220 кОм; 
= 
= 0,01 мкФ; 
= 2,2 кОм; 
= 100 Ом). Почему в этом случае в генераторе практически отсутствуют нелинейные искажения выходного сигнала и его форма близка к синусоидальной. Определяем частоту и амплитуду колебаний в генераторе и сравниваем их с расчетными значениями (2.12) при 
0,3 В.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
- на этапе подготовки: цель работы; основные схемы и расчетные соотношения, характеризующие условия существования незатухающих колебаний в электронных цепях и основные характеристики RC – генераторов.
- после выполнения работы: результаты измерения основных параметров RC – генераторов (экспериментальная часть); выводы по работе.
2.6. Контрольные вопросы
1. Чем отличается генератор от усилителя?
2. От какого устройства генератор потребляет энергию и куда отдает?
3. Как формулируется условие баланса амплитуд?
4. Как формулируется условие баланса фаз?
5.При каких условиях колебания в генераторе будут затухающими, расходящимися?
6. Каким образом в генераторе с мостом Вина выполняется условие баланса амплитуд?
7. Почему в генераторе с мостом Вина используется неинвертирующий РУ? Как в этом случае выполняется условие баланса фаз?
8. Чем ограничивается амплитуда выходного напряжения в генераторе (см. рис.2.3)?
9. В чем состоит недостаток естественного способа стабилизации амплитуды выходного напряжения в генераторе (см. рис.2.3)?
10. Как работает генератор с НОС (см. рис.2.5)?
11. Почему генератор с НОС (см. рис.2.5) имеет минимальные искажения выходного напряжения?
Лабораторная работа 3
Триггеры Шмитта
Общая часть
Схема триггера Шмитта приведена на рис. 3.1 (РИП – регулируемый источник питания, ЦМ – цифровой мультиметр). Он представляет собой операционный усилитель с цепью положительной обратной связи 
, 
. Триггер Шмитта имеет гистерезисную характеристику передачи (см. рис. 3.2, кривая 1) и может находиться в двух устойчивых состояниях, соответствующих максимальному 
и минимальному 
напряжениям на выходе ОУ.
Рассмотрим работу триггера Шмитта, полагая, что ОУ близок к идеальному. Пусть в начальный момент он находится в состоянии с уровнем выходного напряжения 
(см. рис. 3.2, кривая 1, точка A, 
< 0). В этом случае напряжения 
и 
положительны, что и поддерживает триггер в данном состоянии.
, 
, 
, (3.1)
где 
- коэффициент цепи обратной связи. Если теперь напряжение 
, возрастая, превысит напряжение (3.1), то напряжение 
станет отрицательным, при этом триггер Шмитта перейдет в состояние с уровнем выходного напряжения 
(см. рис. 3.2, кривая 1, точка В)
, 
, 
, 
. (3.2)
Если теперь начать уменьшать напряжение 
, то, когда оно станет меньше напряжения (3.2), напряжение снова станет положительным и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (см. рис. 3.2, характеристика 1, точка А).
, 
, 
. (3.3)
Рис.3.1
Рис.3.2
Из соотношений (3.2), (3.3) и рис. 3.2 очевидно, что напряжение гистерезиса 
равно
. (3.4)
Триггеры Шмитта нашли широкое применение в аналоговых компараторах, мультивибраторах, импульсных стабилизаторах напряжения и других электронных устройствах.
Экспериментальная часть
Исследуем работу триггера Шмитта на ОУ, для чего соберем на макетной плате схему, представленную на рис. 3.1 ( 
= 10 кОм; 
= 100 кОм; 
= 100 кОм). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функции Variable Power Supplies (Регулируемые источники питания) и Digital Multimeter (Цифровой мультиметр). На лицевой панели РИП установим входное напряжение 
= 0 и с помощью ЦМ измерим выходное напряжение 
. Если оно максимально: 
= 
, то фиксируем его и плавно увеличиваем входное напряжение до значения 
, при котором триггер Шмитта изменит свое состояние (см. рис. 3.2, кривая 1). Измеряем напряжения 
, и с использованием РИП отрицательной полярности (SUPPLY-) определяем напряжение 
, при котором триггер возвратится в исходное состояние. По результатам эксперимента необходимо построить характеристику передачи триггера Шмитта (см. рис. 3.2, кривая 1), определить ширину ее гистерезиса и сравнить с расчетной величиной (3.4). Если в начале эксперимента с триггером (см. рис. 3.1) выходное напряжение минимально: = 
, то подключаем к входу РИП отрицательной полярности (SUPPLY-), плавно изменяем входное напряжение 
до значения и т. д.
Аналоговые компараторы
Общая часть
Аналоговыми компараторами называются пороговые устройства, предназначенные для сравнения двух аналоговых сигналов: измеряемого и опорного, с выдачей результата сравнения в виде перепада выходного напряжения. При этом различают компараторы с безгистерезисной и гистерезисной характеристиками передачи.
Схема гистерезисного аналогового компаратора, реализованного на триггере Шмитта, представлена на рис. 3.3. Этот компаратор сравнивает измеряемое напряжение с опорным напряжением 
; при этом оба напряжения должны иметь одинаковую полярность.
Рис.3.3
Работа компаратора (см. рис. 3.3) во многом аналогична работе триггера Шмитта (см. рис. 3.1), но поскольку в компараторе резистор 
подключен к
опорному напряжению 
, то характеристика передачи компаратора (см. рис. 3.2, кривая 2) представляет собой характеристику триггера Шмитта (см. рис. 3.2, кривая 1), смещенную вправо на величину напряжения . При этом напряжения переключения компаратора 
, 
и его напряжение гистерезиса определяются очевидными соотношениями:
, 
,
, (3.5)
Напряжение гистерезиса компаратора уменьшается с уменьшением коэффициента цепи обратной связи 
, т. е. при увеличении сопротивления 
и при 
гистерезисный компаратор превращается в безгистерезисный.
Экспериментальная часть
Исследуем работу гистерезисного аналогового компаратора, реализованного на триггере Шмитта, для чего соберем на макетной плате схему, представленную на рис. 3.3 ( = 10 кОм; = 100 кОм; 
= 100 кОм; 
= 5 В). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функции Variable Power Supplies (Регулируемые источники питания) и Digital Multimeter (Цифровой мультиметр). Эксперимент аналогичен рассмотренному в 3.1.2; при этом определяем параметры 
, 
, 
, 
, 
характеристики передачи компаратора (см. рис. 3.2, кривая 2) и сравниваем их с расчетными величинами (3.5).
Исключаем в аналоговом компараторе цепь обратной связи ( 
) и повторяем предыдущий эксперимент. Убеждаемся, что при этом гистерезисный компаратор превращается в безгистерезисный. По результатам двух экспериментов необходимо построить характеристики передачи аналогового компаратора.
Мультивибраторы
Общая часть
Мультивибраторы представляют собой генераторы прямоугольных импульсов. Они подразделяются на автоколебательные мультивибраторы, в которых генерация осуществляется непрерывно без внешнего воздействия, и на ждущие мультивибраторы (одновибраторы), формирующие под воздействием внешнего сигнала одиночные прямоугольные импульсы.
Схема симметричного автоколебательного мультивибратора, реализованного на интегральном ОУ, приведена на рис. 3.4. Мультивибратор включает в себя рассмотренный выше триггер Шмитта DA1, R1, R2 и времязадающую цепь C1, R3. На рис. 3.5 представлены временные зависимости выходного 
и входного 
напряжений мультивибратора (T – период колебаний мультивибратора).
Рассмотрим работу мультивибратора (см. рис. 3.4). Пусть в момент времени t = 0 мультивибратор переходит по выходу из состояния в состояние (см. рис. 3.5). При этом конденсатор C1 начинает заряжаться по цепи R3, C1 от начального значения 
. Напряжение на конденсаторе возрастает, оно возрастало бы до значения 
, но в момент времени 
, когда это напряжение достигает значения , срабатывает триггер Шмитта (см. рис. 3.2, 3.5), напряжение на выходе мультивибратора изменяется до значения , и конденсатор C1 начинает разряжаться. Он разряжался бы до значения , но в момент времени 
, когда входное напряжение достигает значения 
, опять срабатывает триггер Шмитта, мультивибратор переходит по выходу в состояние 
, и далее весь процесс повторяется (см. рис. 3.5).
Рис.3.4
Рис.3.5
Определим длительность периода колебаний мультивибратора T при следующих допущениях:
, 
. (3.6)
Напряжение на конденсаторе C1изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени 
; при этом в первый полупериод получаем:
. (3.7)
В момент времени это напряжение достигнет значения 
(см. рис. 3.5); при этом соотношение (3.7) примет вид:
. (3.8)
Тогда с учетом допущений (3.6) получаем:
. (3.9)
Длительность фронтов 
прямоугольных импульсов на выходе мультивибратора определяется максимальной скоростью нарастания выходного напряжения ОУ :
. (3.10)
Экспериментальная часть
Проведем исследование работы симметричного автоколебательного мультивибратора с использованием осциллографа ОСЦ (см. рис.3.4 – 
= 10 кОм; = 100 кОм; 
= 100 кОм; 
= 0,01 мкФ). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функцию Oscilloscope (Осциллограф). В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа установим [BNC/Board CH A]; в качестве источника триггерного сигнала выберем СН А. Запустим ОСЦ в непрерывном режиме и понаблюдаем за выходным напряжением генератора. Измеряем частоту и амплитуду колебаний мультивибратора, определяем их период и сравниваем его с расчетной величиной (3.9).
Экспериментальным путем находим длительность фронта 
прямоугольных импульсов на выходе мультивибратора, из соотношения (6.10) определяем максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ 
и выясняем, соответствует ли она паспортным данным ОУ ( > ).
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– изложение цели работы;
– основные схемы и расчетные соотношения для триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов, реализуемых на интегральных ОУ.
– результаты измерения основных параметров триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов;
– выводы по работе.
3.5. Контрольные вопросы
1. Что собой представляет триггер Шмитта?
2. В чем состоит принципиальное отличие триггера Шмитта от инвертирующих и неинвертирующих решающих усилителей?
3. В каких электронных устройствах используется триггер Шмитта?
4. Что собой представляет аналоговый компаратор?
5. При каких условиях гистерезисный компаратор превращается в безгистерезисный?
6. В чем состоит отличие друг от друга характеристик передачи триггера Шмитта и гистерезисного компаратора?
7. Что такое мультивибратор?
8. В чем состоит отличие автоколебательного мультивибратора от одновибратора?
9. Представляет ли собой автоколебательный мультивибратор устойчивую систему?
10. Чем определяется длительность фронтов прямоугольных импульсов на выходе мультивибратора?
Содержание
Лабораторная работа 1. Способы обеспечения устойчивости
аналоговых электронных устройств................................................................
Лабораторная работа 2. RC – генераторы синусоидальных колебаний........
Лабораторная работа 3. Триггеры Шмитта, аналоговые компараторы
и мультивибраторы..........................................................................................
Список рекомендованной литературы.............................................................
Редактор Н. В. Рощина
 |
Подписано в печать 00.00.2011. Формат 60´84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 2,0.
Тираж 200 экз. Заказ
 |
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Целью работы является исследование различных способов обеспечения устойчивости усилителей с общей отрицательной обратной связью (ООС), на базе которых реализуются многие аналоговые электронные устройства (усилители постоянного и переменного тока, активные фильтры, стабилизаторы напряжения и тока и т. д.). При этом для анализа устойчивости усилителей используются логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) и критерий устойчивости Найквиста в терминах ЛАЧХ. Экспериментальные исследования проводятся на базе учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.
Общие сведения
По критерию устойчивости Найквиста усилитель с общей ООС устойчив, если на частоте среза fср , где модуль его петлевого усиления |T ( jf )| равен единице, абсолютное значение дополнительного фазового сдвига φТ ( f ) по контуру обратной связи меньше 180° (рассматриваются минимально-фазовые системы, устойчивые в разомкнутом состоянии). Для минимально-фазовой системы существует однозначное соответствие между ЛАЧХ (L Т ( f ) = 20 lg|T(jf)|) и фазовой частотной характеристикой (ФЧХ) φТ ( f ), а именно: если наклон ЛАЧХ составляет ±20 дБ/дек, то фазовый сдвиг φТ ( f ) стремится к ±90°; если наклон ЛАЧХ составляет ±40 дБ/дек, то фазовый сдвиг стремится к ±180° и т. д. Поэтому для устойчивости усилителя с общей ООС, как правило, необходимо, чтобы наклон ЛАЧХ петлевого усиления L Т ( f ) в районе частоты среза fср не превышал -40 дБ/дек. Если необходимо обеспечить значительный запас устойчивости усилителя по фазе (∆φ = 180° - |φТ ( fср )| >30…50°), то целесообразно, чтобы в районе частоты fср, наклон ЛАЧХ L Т ( f ) составлял -20 дБ/дек.
Следует отметить, что в данной лабораторной работе нужно снять и исследовать значительное число ЛАЧХ и ФЧХ усилителей, что наиболее выигрышно раскрывает возможности визуализации такого прекрасного прибора как «Анализатор Боде». Однако реальный частотный диапазон этого прибора составляет 5…35000 Гц, а проблемы высокочастотной неустойчивости усилителей, как правило, возникают на частотах 0,1…100 МГц. Что делать? Выход состоит в том, чтобы в лабораторной работе изложить способы обеспечения устойчивости усилителей инвариантно к частотному диапазону, а схемотехнические примеры, их иллюстрирующие, перевести с использованием RC–цепей и интегральных операционных усилителей в частотный диапазон «Анализатора Боде» (физическое моделирование).
На рис. 1.1, а приведена функциональная схема исследуемого усилителя, состоящего из двух усилительных подсхем D А1 и D А2. Усилитель устойчив в разомкнутом состоянии, и задачу обеспечения устойчивости целесообразно решать только при его работе с цепью глубокой ООС. Для анализа устойчивости усилителя необходимо располагать информацией о ЛАЧХ подсхем D А1 и D А2. Они построены таким образом, что коэффициент передачи по напряжению подсхемы D А1 соответствует апериодическому звену второго порядка, а коэффициент передачи подсхемы D А2 — апериодическому звену первого порядка:
,
. (1.1)
При этом коэффициент передачи всего усилителя определяется соотношением:
,
, , . (1.2)
В соответствии с выражениями (2.1), (2.2) на рис. 2.1, б приведены ЛАЧХ ( LUi ( f ) = 20; lg |KUi ( jf )|; f i = 1/2πτi, i =1, 2,3) и ФЧХ φi ( f ) для подсхем DA1, DA2 и для всего нескорректированного усилителя (характеристики 1; 2 и 3 соответственно). Из рассмотрения характеристики 3 очевидно, что в районе частоты среза fср наклон ЛАЧХ всего усилителя составляет -60 дБ/дек и абсолютное значение фазового сдвига превышает 180°. Следовательно, если в данный усилитель ввести глубокую ООС, то он будет неустойчив. Далее рассматриваются различные способы обеспечения устойчивости усилителя (см. рис. 1.1, а) с цепью общей ООС.
а
б
Рис. 1.1
Дата: 2019-12-10, просмотров: 490.
