А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств

• Название: Схемотехника аналоговых электронных устройств
• Автор: А. Красько
• Издательство: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
• Жанр: Все книги в жанре Компьютерное "железо"
• Год: 2005

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы и принципы действия аналоговых устройств на биполярных и полевых транзисторах. Анализируются основные схемы, используемые в аналоговых трактах типовой радиоэлектронной аппаратуры, приводятся расчетные формулы, позволяющие определить элементы принципиальных схем этих устройств по требуемому виду частотных, фазовых и переходных характеристик. Излагаются основы построения различных функциональных устройств на основе операционных усилителей. Рассмотрены так же ряд специальных вопросов с которыми приходится сталкиваться разработчикам аналоговых электронных устройств – оценка нелинейных искажений, анализ устойчивости, чувствительности и др.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 552500, 654200 – «Радиотехника», 654100 – «Электроника и микроэлектроника», и может быть полезно для преподавателей и научных работников.

---

Из-за конечного значения коэффициента усиления компаратора возможно плавное нарастание Uвых(рисунок 7.27а).

Рисунок 7.27. Компаратор с ПОС

Если плавное срабатывание нежелательно, то применяют компаратор на основе ОУ с цепью ПОС (рисунок 7.27б). Если опорное напряжение не подается, то такой компаратор называют еще триггером Шмитта. Как видно из рисунка 7.27в, такой компаратор обладает гистерезисом, что объясняется наличием цепи ПОС. Переключение схемы в состояние U2 происходит при достижении входным напряжением уровня срабатывания Uср, а возвращение в исходное состояние Uвых=U1 — при снижении входного напряжения до уровня отпускания Uотп. Значения входных пороговых напряжений и ширина зоны гистерезиса определяются по формулам:

Uср = U2R1/(R1 + R2),

Uотп = U2R1/(R1 + R2),

Uгис = Uср – Uотп = R1(U2 – U1)/(R1 + R2).

Пороги срабатывания делают схему нечувствительной к шумам, которые всегда присутствуют во входном сигнале, и тем самым исключают ненужные переключения под действием шумов, т.е. устраняют так называемый "дребезг" контактов.

Важнейшим показателем ОУ в случае его использования в качестве компаратора является быстродействие, оцениваемое задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Лучшим быстродействием обладают специальные ИМС компараторов. Повышенное быстродействие в них достигается использованием СВЧ-транзисторов и исключением режима их насыщения. Более подробно компараторы описаны в [12,14].

7.6. Генераторы

Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Различают генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы сигналов специальной формы (прямоугольной, треугольной и т.д.)

Обобщенная макромодель генератора приведена на рисунке 7.28 и представляет собой усилительный каскад, охваченный цепью ПОС.

Рисунок 7.28. Макромодель генератора

Для возникновения колебаний в данной системе необходимо выполнение условия баланса амплитуд и баланса фаз:

|Kβ|≥1,

φ = φу + φос = 2nπ,

где φу и φос — фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью ОС соответственно, n — целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения достаточно, чтобы данные условия выполнялись только на одной частоте.

Существует большое количество схемных реализаций генераторов, поэтому ограничимся рассмотрением генераторов на основе ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ. На рисунке 7.29 приведены различные варианты схем генераторов гармонических колебаний на ОУ.

Рисунок 7.29. Автогенераторы на основе ОУ

В схеме LC-автогенератора (рисунок 7.29а) баланс фаз обеспечивается наличием ПОС, вводимой с помощью резисторов R2 и R3, баланс амплитуд достигается выбором номиналов резисторов R2 и R3 по условию

βK = R3(R2 + R3)·K ≥ 1.

Здесь под K подразумевается масштабный коэффициент усиления, равный

K = Rρ/R1,

где Rρ — сопротивление контура на частоте резонанса.

Частота резонанса определяется элементами LC-контура и рассчитывается по известной формуле

Можно избежать применения индуктивностей, используя селективные RC-цепи. Наибольшее применение получила так называемая фазирующая RC-цепь, включенная в схеме RC-генератора (рисунок 7.29б) между выходом и неинвертирующим входом ОУ. На частоте генерации f0 = 1/2πRC фазовый сдвиг φос=0 и выполняется условие баланса фаз, для выполнения баланса амплитуд необходимо скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации, т.е. выполнить условие

K0ОС = R2/(R1 + R2) = A0,

где A0≈3,3 — затухание, вносимое фазирующей цепью.

Чтобы генерировать колебания сложной формы, следует выполнить неравенство K0ОС>>A0 как условие генерации многочастотных колебаний. Оно легко реализуется.

В схеме RC-автогенератора с электронной перестройкой частоты (рисунок 7.29г) в качестве управляемых сопротивлений используется сдвоенный ПТ, у которого сопротивление канала является линейной функцией управляющего напряжения Eупр. Очевидно, что при изменении Eупр происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т.е. осуществляться частотная модуляция.

 Важным параметром автогенераторов является температурная нестабильность частоты, которая в обычных LC-генераторах достигает порядка (10-3…10-4)% на 1°C, в RC-генераторах — примерно на порядок ниже. Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые автогенераторы (рисунок 7.29в). Здесь кварц используется в качестве эквивалентной индуктивности, образующей с емкостью С последовательный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса минимальное сопротивление. На частоте резонанса ПОС достигает максимума, и возникает генерация. Для стабилизации режима ОУ охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению, которая, в целях выполнения условия баланса амплитуд, устраняется на частоте генерации конденсатором C1, емкость которого выбирается из условия

XC1 = 1/2πf0C << R.

В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка 10-8% на 1°C.

Для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний в цепях ООС генераторов используют нелинейные элементы, например, диоды (рисунок 7.29 д), либо АРУ, например, на ПТ (рисунок 7.29е).

Принцип построения генераторов прямоугольных колебаний рассмотрим на примере симметричного мультивибратора на ОУ (рисунок 7.30).

Рисунок 7.30. Симметричный мультивибратор на ОУ

Режим генерации здесь обеспечивается путем подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи ООС (RООС и C1). Предположим, что в начальный момент времени на инвертирующем входе ОУ присутствует большее положительное напряжение, чем на неинвертирующем. Тогда на выходе ОУ появится отрицательное напряжение Uвых, которое, благодаря цепи ПОС (RПОС и R1), имеет нарастающий характер. Этим отрицательным Uвых теперь будет заряжаться C1 через RООС. Процесс заряда C1 будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе ОУ станет более отрицательным, чем на ее неинвертирующем входе. Теперь на выходе ОУ появляется положительное Uвых, форсированно нарастающее под действием ПОС. Таким образом, на выходе ОУ будет формироваться последовательность симметричных двуполярных прямоугольных импульсов типа "меандр". Времена длительности импульса и паузы в таком мультивибраторе равны

t = RООСC1ln(1 + 2RПОС/R1).

Более подробно генераторы на ИМС описаны в [12].

7.7. Устройства вторичных источников питания

Из множества различных устройств вторичных источников питания ограничимся рассмотрением стабилизаторов с использованием ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с ОУ позволяют достичь высокого значения коэффициента стабилизации напряжения, низкого дифференциального выходного сопротивления, повышенного КПД.

На рисунке 7.31а приведена схема высококачественного стабилизатора на ОУ.

Рисунок 7.31. Стабилизаторы напряжения на ОУ

Здесь ОУ используется в качестве буферного усилителя. Высокое значение входного сопротивления ОУ обеспечивает идеальные условия для работы стабилитрона. Нагрузка может быть достаточно низкоомной, т.к. выход ОУ низкоомный за счет действия 100% ПООСН.