книги / Электронные усилители

При отсутствии ООС коэффициент усиления усилителя на квазирезонансной частоте максимален (Кио с =Ки<1 ), так как если име­

ется ООС, то /Си0 0 = А / (1 "Н Р^С) • Коэффициент передачи двойного Т-образного фильтра связан с

условной полосой пропускания усилителя ©о±А(о, определяемой на уровне K u j V 2\ следующим образом:

М-£г(±гг). (824)

где b= R2/Ri = Cx/C 2. Тогда модуль коэффициента усиления уси­ лителя выразится:

Избирательность усилителя с частотно-зависимой обратной связью определяется по формуле

Из этого можно сделать вывод, что такой усилитель характеризу­ ется эквивалентной добротностью

где <2ф — добротность двойного Т-образного фильтра.

Так как на практике применяются симметричные схемы двой­ ных Т-образных фильтров, у которых R\=Rz = R\ СХ= С2 = С, то Ь = = 1 и добротность фильтра максимальна: Q,|, =b/[2{b+\)\ =0,25.

Тогда Q 9KB= 0,25/(UO Таким образом, эквивалентная доброт­ ность тем больше, чем больше коэффициент усиления К и„ усили­ теля на квазирезонансной частоте.

Избирательные усилители с частотно-зависимой обратной связью эффективно реализуются при использовании в качестве уси­ лительного ' звена операционных усилителей в микросхемном ис­ полнении (например, К140УД1 (А, Б), К140УД2 (А, Б), К553УД1 (А, В). Принцип построения усилителей остается таким же, как и при их проектировании с использованием дискретных транзисторов. Схема избирательного усилителя на операционном усилителе К553УД1В приведена на рис. 8.9.

Избирательный двойной Т-образный фильтр включен в цепь отрицательной обратной связи с выхода ОУ (вывод 10) на инвер­ тирующий вход (вывод 4). Так как ОУ по инвертирующему входу сдвигает фазу входного сигнала на 180°, а фазовый сдвиг, вноси­ мый двойным Г-образным фильтром на квазирезонансной частоте,

равен нулю, то общий фазовый сдвиг по замкнутой петле ОС ра­ вен 180°. При этом для данной схемы справедливы все положения проведенного выше анализа.

Поскольку значение эквивалентной добротности определяется формулой (8.28), то из-за большого коэффициента усиления ОУ (например, для К553УД1В К. и , равный 25*103, очень велик) суще­ ственно повышаются избирательные свойства каскада. Вспомога­ тельные цепочки R4, С4 и С5 предназначены для коррекции частот­ ной характеристики усилителя и обеспечения его устойчивости.

Контрольные вопросы

1.Как классифицируются избирательные усилители в зависимости от вида амплитудно-частотной характеристики?

2.Начертите схему резонансного усилителя с трансформаторной связью *

поясните ее.

3.Чем определяется коэффициент усиления усилителя на резонансной час-

тоте?

4.Начертите схему усилителя с автотрансформаторной связью и пояснит^

ее.

5. Какие параметры схемы определяют коэффициент усиления усилителя <5

автотрансформаторной связью?

6. Поясните, какое влияние оказывают коэффициенты включения контура со стороны выхода и входа на усилительные свойства.

7.Начертите схему усилителя с емкостной связью контура со входом еле* дующего каскада и поясните ее.

8.Поясните принцип действия избирательного усилителя с частотно-зависи­ мой обратной связью.

9.Поясните, как можно увеличить эквивалентную добротность усилителя о двойным Т-образным фильтром.

ГЛАВА 9

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерительными называются усилители, которые имеют ка­ либрованный стабильный коэффициент усиления по напряжению или мощности и позволяют с помощью встроенных индикаторов определять параметры входных сигналов. Они предназначены для использования в качестве предварительных усилителей слабых сиг­ налов постоянного и переменного токов, а также в качестве выход­ ных усилителей мощности.

Чувствительность усилителей по току может достигать десятых долей наноампер, а по напряжению — нескольких микровольт. Из­ мерительные усилители, предназначенные для повышения мощнос­ ти источников звукового и ультразвукового диапазонов, имеют вы­ ходную мощность 2... 6 Вт.

Измерительные усилители широко применяются в технике ра­ диоизмерений, при поверке радиоизмерительных приборов в качест­ ве образцовых и вспомогательных средств измерений. Использова­ ние измерительных усилителей в комплекте с осциллографами, анализаторами спектра, вольтметрами и другими приборами зна­ чительно повышает их чувствительность.

Усилители обычно строятся по схеме многокаскадного усиления с применением разнообразных видов местной и общей отрицатель­ ной обратной связи для обеспечения стабильности коэффициента передачи и частотной характеристики. Структурная схема измери­ тельного усилителя представлена на рис. 9.1. Она включает в себя

Рис. 9.1

резисторные или резисторно-емкостные делители напряжения — аттенюаторы, предварительные каскады усиления, промежуточные и выходные каскады. Для определения исследуемых входных на­ пряжений в схему усилителя вводят индикатор уровня PV. Управление коэффициентом усиления производится с помощью межкаскадных аттенюаторов. В качестве первого каскада пред­ варительного усиления используется схема повторителя, обеспечи­ вающая увеличение входного сопротивления и уменьшение вход-

ной емкости измерительного усилителя. В усилителях, предназна­ ченных для измерения слабых постоянных токов, так называемых электрометрических усилителях, первые каскады усиления выпол­ няются в выносном измерительном блоке, разрешающем непос­ редственное подключение к источнику исследуемого напряжения.

9.2.КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕН

Всоответствии с действующими стандартами в обозначение ти­ па измерительного усилителя входит прописная буква русского ал­

фавита У. Применяемые измерительные усилители подразделяют­ ся на (соответственно основной выполняемой функции) виды. Ви­ дам усилителя присваивается буквенно-цифровое обозначение:

У2 — усилители селективные, предназначенные для усиления слабых сигналов определенных избираемых частот;

УЗ — усилители высокочастотные, предназначенные для усиле­ ния напряжения высоких и сверхвысоких частот;

У4 — усилители низкочастотные, предназначенные для усиле­ ния напряжения переменного тока инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частот (до 200 кГц);

У5 — усилители напряжения постоянного тока, предназначен­ ные для усиления медленно изменяющегося или постоянного на­ пряжения;

У7 — усилители универсальные, предназначенные для усиле­ ния напряжения постоянного и переменного токов.

После цифры, обозначающей вид усилителя, ставится дефие (черточка) и затем порядковый номер модели усилителя. Так, на­ пример, надпись на усилителе УЗ-ЗЗ говорит о том, что это трид­ цать третья модель измерительного высокочастотного усилителя.

9.3. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

УСИЛИТЕЛЕЙ

Каждый прибор, в том числе и измерительный усилитель, выпус­ каемый промышленностью, снабжают техническим описанием, со­ держащим указания об особенностях схемы и конструкции, изло­ жение методики измерения, инструкцию по обслуживанию, а так­ же техническую характеристику. Последняя играет основную роль при выборе прибора для проведения измерений. Помимо данных, не влияющих на точность измерений (массы, габаритных размеров, потребляемой от сети мощности и т. п.), в техническую характе­ ристику включают данные, являющиеся основой оценки точности измерений с помощью средства измерений — метрологические ха­ рактеристики.

Метрологическими характеристиками называются характерис­ тики средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Для каждого вида средств измерений, ис­ ходя из их специфики и назначения, определяется комплекс мет­

рологических характеристик, указываемый в нормативно-техничес­

кой документации.

В этот комплекс включают такие характеристик;!, которые по­

зволяют определить погрешность данного средства измерений в известных рабочих условиях его эксплуатации. Общий перечень ос­

новных метрологических характеристик средств измерений, формы их представления и способы нормирования установлены ГОСТ 8.009—84.

Таким образом, метрологическими характеристиками измери­ тельных усилителей называются характеристики, определяющие условия эксплуатации, при соблюдении которых действительные значения погрешности не превышают заданных.

Метрологические характеристики нормируются, т. е. им припи­ сываются определенные числовые значения. Совокупность метро­ логических характеристик для каждого конкретного измеритель­ ного усилителя содержит указание о назначении усилителя, облас­ ти возможного его применения, погрешности измерений.

К нормируемым метрологическим характеристикам измеритель­

ных усилителей относятся:

назначение усилителя, которое оговаривается в полном его на­ именовании. Полное наименование служит основой выбора типа усилителя для целей усиления и измерения исследуемых сигналов;

диапазон частот; неравномерность частотной характеристики;

максимальный коэффициент усиления; диапазон изменения коэффициента усиления; погрешность установки коэффициента усиления;

допустимое напряжение собственных шумов усилителя; приведенная основная погрешность индикатора выходного на­

пряжения; допустимый коэффициент гармоник выходного напряжения;

выходные параметры усилителя; входные параметры усилителя и др.

Усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, характеризуются значением коэффициента ослабления синфазных входных напряжений и значением дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя. К метрологическим характеристикам измеритель­ ных усилителей относятся также неинформативные параметры сиг­ налов, динамические характеристики, функции влияния и наиболь­ шие допустимые изменения метрологических характеристик уси­ лителей в рабочих условиях эксплуатации.

Таким образом, входной и выходной сигналы измерительных усилителей характеризуются информативными и неинформатив­ ными параметрами.

Информативный параметр входного сигнала является непосред­ ственно измеряемой величиной (например, номинальное входное на­ пряжение) или величиной, функционально связанной с измеряемой (например, напряжение собственных шумов усилителя, приведен­ ное ко входу).

Неинформативный параметр не связан функционально с измеря­ емой величиной, но влияет на метрологические характеристики уси­ лителя (в частности, иа его погрешность). Например, при измере­ нии входного напряжения информативным параметром является максимальное значение напряжения, а неинформативным — его частота. Аналогично выходной сигнал измерительного усилителя может быть охарактеризован информативными и неинформативны­ ми параметрами.

На метрологические характеристики измерительных усилителей существенное влияние оказывают внешние физические воздействия (климатические, механические, электромагнитные) и изменения па­ раметров источников питания — влияющие величины.

Условия эксплуатации измерительных усилителей могут быть нормальными и рабочими. Они отличаются диапазоном изменения неинформативных параметров входного сигнала и влияющих ве­ личин.

Нормальными называются условия, для которых нормируется основная погрешность измерительных усилителей, т. е. погрешность коэффициента усиления или основная приведенная погрешность встроенного в усилитель измерительного прибора. При этом влия­ ющие величины и неинформативные параметры входного сигнала имеют нормальные значения. Например, для измерительного уси­ лителя У4-28 установлены нормальные температурные условия — от 283 до 308 К (от 10 до 35°С). В этом температурном диапазоне гарантируется основная погрешность, не превышающая значения, указанного в техническом описании измерительного усилителя. Од­ нако прибор может работать и в более широком диапазоне тем­ ператур. И в этом случае нормируется дополнительная погрешность, связанная с влиянием температуры окружающей среды. В техни­ ческом описании усилителя У4-28 указывается, что дополнитель­ ная погрешность измерительного прибора от изменения темпера­ туры окружающей среды на каждые 10°С не превышает половины основной погрешности.

Функцией влияния называется зависимость изменения метрологической характеристики измерительного усилителя от изменения влияющей величины или неинформативного параметра входного сигнала в пределах рабочих условий эксплуатации. Функция вли­ яния может нормироваться в виде формулы, графика или таблицы. Так, для высокочастотных измерительных усилителей дополнитель­ ная погрешность от частоты или длительности фронта исследуе­ мого импульса задается в виде графика. Например, для усилителя УЗ-29 график поправок имеет вид (рис. 9.2), на котором линия 1 представляет поправки для фронта, линия 2 — для спада.

Динамические характеристики определяют инерционные свой­ ства измерительных усилителей и представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К динамическим относятся переходная, амплитудная и фазово-частотная характеристики уси­ лителя.

Динамические свойства измерительных усилителей характери­ зуются также быстродействием — скоростью и временем измерения (временем установления показаний). Скорость измерения опреде­ ляется максимальным числом измерений в единицу времени, вы­ полняемых с нормированной погрешностью. Время измерения — время, прошедшее с момента начала измерения до получения ре­ зультата с нормированной погрешностью.

Наряду с условиями эксплуатации для всех измерительных усилителей задаются предельные условия транспортирования и хра­ нения, не изменяющие метрологических свойств усилителей после их возвращения в рабочие условия. В качестве примера рассмотрим показатели одного из усилителей.

Усилитель измерительный низкочастотный типа У4-28. Усилитель предназна­ чен для усиления малых сигналов переменного тока. Прибор служит для наст­ ройки и испытания систем и устройств, применяемых в радиоэлектронике, радио­ связи, приборостроении, а также в вычислительной и измерительной технике. У4-28 используется в качестве предварительного усилителя для повышения чув­ ствительности вольтметров, осциллографов, цифровых частотомеров, а также в качестве выходного усилителя для повышения выходной мощности генераторов низкой и ультразвуковой частот.

О с н о в н ы е м е т р о л о г и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и

Диапазон частот 2 Гц ... 2Q0 кГц. Модуль коэффициента усиления 10. . . 100 дБ, ступенями через 10 дБ. Погрешность модуля коэффициента усиле­ ния ±0,5 дБ. Неравномерность частотной характеристики относительно час­ тоты 1000 Гц не более ±0,5 дБ. Коэффициент гармоник не более 3 %. Напряже­ ние шумов, приведенное ко входу, не более 6 мкВ. Входное сопротивление 1 МОм. Входная емкость 40 лФ. Выходное сопротивление 50 Ом. Основная приведенная

погрешность встроенного измерительного прибора ±10% . Нелинейность фазе* вой характеристики не превышает 3° при частотах до 20 кГц. Дополнительная погрешность модуля коэффициента усиления ± ( 0 ,1 5 . .. 0,30) дБ на каждые 10°С отклонения температуры от нормальной.

Контрольные вопросы

1.Какие усилители называются измерительными?

2.Как классифицируются измерительные усилители?

3.Перечислите метрологические характеристики измерительных усилителей.

4.Какие параметры входного сигнала усилителей относятся к информатив­

ным?

5.Какие характеристики измерительных усилителей относятся к динамиче­

ским?

ГЛАВА 10

МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

10.1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСТОЙЧИВОСТЬ

УСИЛИТЕЛЕН

При усилении малых входных сигналов заданное значение ко­ эффициента усиления получают с помощью многокаскадных усили­ телей, в которых отдельные каскады усиления соединены после­ довательно.

В' многокаскадных усилителях (рис. 10.1) выходной сигнал пер­ вого и любого промежуточного каскада является входным сигналом последующего каскада. Нагрузкой каскадов является входное сопротивление последующего каскада, за исключением оконечного. Входное и выходное сопротивления усилителя определяются соот­ ветственно входным и оконечным каскадами.

Рис. 10.1

Многокаскадные усилители характеризуются коэффициентом уси­ ления, суммарным углом сдвига фаз, суммарными искажениями, вносимыми отдельными каскадами и цепями, их связывающими. Поэтому важно знать амплитудно- и фазово-частотную характе­ ристики многокаскадного усилителя.

Коэффициент усиления, выраженный в относительных единицах, определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, входящих в многокаскадный усилитель: К у = KBX-KiX

ХКтКг...Кп , где Квх — коэффициент передачи напряжения входной цепи: Ки Кг, Кг, ... К „ — коэффициенты усиления перво­ го, второго, третьего и последующих каскадов усиления.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выражен­

Мерой частотных искажений, которые вносит каскад усиления на данной частоте }, является коэффициент частотных искажений М, равный отношению модулей коэффициентов усиления на сред­ ней и данной рабочих частотах: M=Ko/Kf, где Ко — коэффициент усиления на средней рабочей частоте; К/ — коэффициент усиле­ ния на данной рабочей частоте.

Для многокаскадного усилителя в относительных единицах ко­ эффициент частотных искажений определится произведением коэф­ фициентов частотных искажений отдельных каскадов: М у = МВХ X ХМуМг-Мз... М п , а в децибелах — суммой коэффициентов час­ тотных искажений: Му [дБ] = ЛГВХ [дБ]+.Mi [д Б ]+ JM2 [дБ]+

+М 3[дБ] + +Мп [дБ].

Угол сдвига фазы многокаскадного усилителя определяется сум­ мой углов сдвига фазы каждого из каскадов и цепей, вносящих фа­

коэффициента гармоник многокаскадного усилителя, который при­ близительно определяется выражением Kr.y~ V К ^ + К ^ -^К ^ г^ ... t

где Лгг >Кг3, K r.i — коэффициенты гармоник, вносимые отдельны­ ми каскадами усиления.

Так как амплитуда сигнала на входе последнего каскада уси­ ления наибольшая, то искажения вносит в основном .оконечный каскад усиления. Поэтому в ряде случаев для упрощения расчетов определяют искажения, вносимые только оконечным каскадом!

К Г .у ^ Ку . о к •

Как известно, частотная и фазовая характеристики многокас­ кадного усилителя определяют его свойства. По фазово-частотной характеристике оценивают вносимые усилителем фазовые искаже­ ния, которые заключаются в нарушении фазовых соотношений между отдельными составляющими сложного сигнала и изменении его формы на выходе усилителя.

Качество работы широкополосных и импульсных усилителей оценивается по параметрам полученной переходной характеристи­ ки усилителя. Причем, следует определять параметры всего уси­ лителя, так как точно рассчитать переходную характеристику уси­ лителя по известным переходным характеристикам отдельных кас­ кадов нельзя. Искажения вершины импульса в многокаскадном усилителе приближенно равны алгебраической сумме искажений

вершины, вносимой отдельными каскадами и цепями: Лу «Д вх +

+ Д 1+Д 2 + + Д Л .

Коэффициент шума усилителя определяется:

где Крвх и К к. — коэффициенты передачи и усиления мощности входного устройства и первого каскада усиления соответственно; /СШ1, К ш*— коэффициенты шума отдельных каскадов. Значе­ ния коэффициентов шума отдельных каскадов зависят от типа используемого усилительного элемента, его температуры и режима работы.

Рассмотрим особенности многокаскадных резонансных усили­ телей. В ряде случаев используются многокаскадные усилители, состоящие из нескольких одноконтурных каскадов. Для п-каскад- ного усилителя результирующий нормированный коэффициент уси­ ления

где d aкв — эквивалентное затухание контура одного каскада. Обыч­ но результирующая полоса пропускания всего n-каскадного уси­ лителя бывает заданной. Обозначим величину 1/у „ на границах

полосы пропускания через о. Эта величина характеризует допусти­ мую неравномерность коэффициента усиления усилителя в задан­ ной полосе пропускания. Для заданных Д/ и о относительная рас­ стройка Y=Af/fo и согласно (10.1)

Для обеспечения требуемой полосы пропускания всего усили­ теля каждый контур должен иметь затухание

Из этого выражения следует, что с увеличением числа каскадов при неизменной полосе пропускания необходимо увеличивать d BKB контуров. В транзисторных многокаскадных усилителях увеличе­ ния а якв контура можно достичь, увеличивая коэффициенты вклю­ чения Pi и р2 , поскольку транзисторы имеют низкие входные и вы­ ходные сопротивления. В усилителях на полевых транзисторах, об­ ладающих большими значениями сопротивления RB*. и Явы*, уве­ личение р\ и р2 может оказаться недостаточным для требуемого снижения d9 KB. Поэтому в них параллельно резонансным контурам

включают шунтирующие резисторы.

Общий коэффициент усиления (в децибелах) многокаскадного усилителя растет не пропорционально увеличению числа каска­ дов. Это связано с тем, что с увеличением числа каскадов при по­ стоянной результирующей полосе пропускания усилителя приходит­ ся увеличивать d 3KB контуров, что приводит к уменьшению коэф­ фициента усиления каждого каскада.