На рис. 1.4, а приведена схема усилителя с общей ООС (Т(s) = К U (s)), в который для обеспечения устойчивости введен высокочастотный параллельный канал D A3, R6, С4, С5, огибающий подсхему D А1 исследуемого усилителя. Коэффициент передачи по напряжению параллельного канала К U п.к. в существенном диапазоне частот близок к единице (при С4 → ∞, С5 → ∞), Следовательно, он начинает оказывать эффективное действие только на тех частотах, где модуль коэффициента передачи по напряжению подсхемы DA1 | KU1( jf )| становится меньше единицы. Такая структура высокочастотного параллельного канала обладает свойством однонаправленности при передаче сигнала. При этом исключается возможность возникновения положительной обратной связи через подсхему А1, которая бы существовала при построении параллельного канала только на одном конденсаторе С4.
а
б
Рис. 1.4
ЛАЧХ петлевого усиления усилителя (см. рис. 1.4, а) приведены на рис, 1.4, б, где характеристика 1 — ЛАЧХ L Т0 ( f ) усилителя по основному каналу, т.е. без параллельного высокочастотного канала (усилитель неустойчив); характеристика 2 — ЛАЧХ петлевого усиления усилителя по дополнительному каналу L ТД ( f ) (усилитель D А1 исключен, С4 → ∞, С5 → ∞); характеристика 3 — результирующая ЛАЧХ петлевого усиления всего усилителя L Т∑ (f) (усилитель устойчив). Характеристики 1, 2, 3 построены в соответствии с соотношениями:
L Т0(f) = 20 lg | T0(jf) | = 20 lg | KU3 (jf) | = 20 lg (|KU1 (jf) || KU2 (jf) |), (1.7)
L ТД (f) =20 lg | TД (jf) | = 20 lg (|KU п.к. (jf) || KU2 (jf) |) ≈ 20 lg |KU2 (jf) |,
L Т∑ (f) = 20 1g (| T0(jf) | + | TД (jf) | ) ≈ 20 1g (1 + |KU1 (jf) | ) + 20 1g | KU2 (jf) |.
Из рассмотрения результирующей ЛАЧХ 3 (см. рис. 1.4, б) очевидно, что усилитель (см. рис. 1.4, а) устойчив, поскольку наклон ЛАЧХ в районе частоты среза fср2 не превышает -20 дБ/дек; при этом получаем fср2 >> fср1. Таким образом, введение высокочастотного параллельного канала, огибающего низкочастотные входные каскады, позволяет не только обеспечить устойчивость усилителя, но и значительно увеличить его частоту среза, т. е, наиболее успешно решить задачу построения широкополосного устойчивого усилителя.
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
Дата: 2019-12-10, просмотров: 334.
