Регулювання, що застосовуються в підсилювачах
У підсилювачах необхідно регулювати посилення і форму АЧХ.
Основні вимоги до регуляторів:
1) Мінімум перешкод, що вносяться регулятором (фон змінного струму, шуми тріски і т.д.).
2) Плавність регулювання.
3) Незалежність АЧХ підсилювача від положення регулятора посилення і незалежність посилення на середніх частотах при зміні положення регуляторів форми АЧХ.
2. Регулятори посилення
1. Ступінчасті регулятори. Реалізуються на основі ступеневої дільника.
Через вплив паразитної ємності З АЧХ на високих частотах спадає. Щоб виключити цей спад, застосовують частотно-компенсовані регулятори. Опору змінюються однаково, АЧХ не залежить від частоти. Ємність включається, щоб виключити вплив нестабільності паразитної ємності.
2. Плавні регулятори. Розрізняють декілька типів плавних регуляторів. У цьому випадку змінюється сигнал на вході підсилювача. У верхньому положенні движка потенціометра сигнал і посилення максимальні, в нижньому - мінімальні. Опір регулятора Rp і вхідна ємність каскаду C вх утворюють інтегруючу ланцюг, що веде до спаду АЧХ на верхніх частотах. На нижніх частотах зменшується постійна часу ланцюга в нижньому положенні регулятора, через що з'являються додаткові спотворення.
Максимальне підсилення - в лівому положенні, коли регулятор закорочений. При цьому на нижніх частотах будуть максимальні спотворення, так як постійна часу ланцюга буде зменшуватися. Спотворення на верхніх частотах максимальні при правому положенні регулятора, коли утворюється інтегруюча ланцюг. Недолік даного типу регулювання в тому, що вона не знижує посилення до нуля.
У даній схемі регулюється коефіцієнт підсилення. Максимальне посилення буде при верхньому положенні регулятора, коли резистор Rp закорочений та зворотній зв'язок ОС відсутня. За рахунок кінцевої величини ємності Се регулятор буде впливати на форму АЧХ в області нижніх частот. Для зменшення цього впливу необхідно збільшувати величину ємності Се, що не завжди припустимо.
Використовується інша схема, позбавлена даного недоліку. Регулятор не впливає на положення робочої крапки, тому що зміна постійної напруги в точці 1 призводить до однакового зміни напруги на базі і емітері, тому при регулюванні зсув не змінюється. У верхньому положенні регулятора посилення максимально, так як резистор Rp закорочений і ОС відсутня. На форму АЧХ може впливати тільки монтажна ємність проводів регулятора.
Для регулювання посилення диференціальних каскадів застосовуються спеціальні схеми. Польовий транзистор VT 3 виконує роль змінного резистора: при різному значенні керуючого напруги U у змінюється опір каналу транзистора.
При зміні положення регулятора змінюється зсув транзистора, отже, змінюється положення робочої точки (Р.Т.) і крутизна характеристики. Максимальна крутість і посилення досягаються у верхньому положенні регулятора.
Регулятори форми АЧХ
Зазвичай регулюється форма АЧХ в області нижніх і верхніх частот.
Резистор R 2 запобігає коротке замикання на верхніх частотах, коли опір конденсатора C мало. На нижніх частотах регулятор є дільник, що дозволяє підняти АЧХ при збільшенні опору регулятора Rp.
На верхніх частотах, коли опір конденсатора C мало, зменшення опору регулятора Rp шунтирует ланцюг і АЧХ додатково спадає.
Недолік обох наведених регулювань в тому, що вони односторонні, тобто забезпечують або підйом, або спад АЧХ. Для усунення цього недоліку використовують двосторонні регулювання.
Для середніх частот конденсатори C представляють собою коротке замикання - середні частоти передаються з ослабленням дільника R 1 R 2. Для нижніх частот C представляє розрив - у ланцюг дільника включається опір регулятора Rp. У верхньому положенні регулятора опір Rp додається до опору R 2, АЧХ піднімається. У нижньому положенні опір Rp додається до опору R 1, АЧХ спадає.
Таким чином, виходить двостороння регулювання. Середнє положення регулятора відповідає значенню АЧХ на середніх частотах.
На середніх і нижніх частотах конденсатори C являє собою розрив, значення АЧХ визначається дільником R 1 R 2. На верхніх частотах конденсатори C представляють собою коротке замикання, значення АЧХ визначається положенням регулятора Rp.
Для регулювання як нижніх, так і верхніх частот використовується універсальний регулятор. Функцію дільника середніх частот для високочастотного регулятора виконує подільник на резисторах R 1, R 2, так як конденсатори C 1 і C 2 на середніх частотах представляють собою коротке замикання. Резистор R необхідний, щоб регулятори не впливали один на одного.
Аналогові перемножителя
Аналогові перемножителя застосовуються при реалізації різних математичних операцій над сигналами, при побудові модуляторів, демодуляторів, перетворювачів частоти, автоматичних регуляторів посилення, вимірювальних пристроїв. Вихідна напруга перемножителя пропорційно добутку двох вхідних напруг, тобто , Де k - коефіцієнт пропорційності, що має розмірність 1 / B. Перемножителя дозволяють перемножити напруги одного або різних знаків. У залежності від знаків перемножителя працюють в різних квадрантах площині вхідних напруг. Якщо обидва вхідних напруги можуть змінювати свої знаки, то перемножителя називається четирехквадрантним, Якщо тільки одна напруга може міняти знак. то перемножителя - двухквадрантний. Якщо обидва напруги одного знака, то перемножителя - одноквадрантний.
Параметри перемножителя ідентичні параметрам операційних підсилювачів. Проте є і ряд специфічних параметрів:
1. Відносна похибка перемноження:
,
де - Фактичне,
- Теоретичне напруга на виході перемножителя, U 2макс = 10 В-максимально можливе напругу.
2. Нелінійність перемноження
,
,
де Ux, Uy представляють собою синусоїди. При вимірі нелінійних спотворень на інший вхід подається постійна напруга порядку 10 В.
3. Залишковий напруга - напруга на виході, коли на один вхід подається 10 В, на іншій - 0. У серійних перемножителя не перевищує 150 мВ, регулюється налаштуванням - балансуванням нуля.
Розглянемо різні типи перемножителя.
1) Логарифмічний перемножителя.
;
.
Якщо замість підсумовування використовувати віднімання, отримаємо дільник.
До недоліків даного типу перемножителя належить їх вузькосмугових (через вузькосмуговій логарифмують каскадів) і те, що цей перемножителя - одноквадрантний (Ux, Uy> 0).
2) перемножителя за методом амплітудно-широтно-імпульсної модуляції. Одне напруга (Ux) управляє амплітудою, інше (Uy) - тривалістю імпульсів. При постійній частоті проходження імпульсів постійне вихідна напруга пропорційно твору вхідних: .
Дані перемножителя мають самої високою точністю (похибка менш 0,1%). Недолік - вузька смуга пропускання (десятки герц).
3) Параболічний перемножителя. Перемноження здійснюється відповідно до виразу . Таким чином, для виконання операції множення необхідні суматор, два вичітателя і два квадратора (зазвичай виконуються на діодах на основі кусково-лінійної апроксимації). Точне зведення в квадрат можливе лише при великих амплітудах сигналу, при малих амплітудах буде значна похибка, що є недоліком даного методу.
4) перемножителя на основі керованого опору. Відповідно до закону Ома U = IR. Одне напруга управляє струмом, інше - опором. Виконується на основі польового транзистора. У районі нуля характеристики польового транзистора прямолінійні. Напруга U зи змінює нахил характеристик, тобто опір каналу. Опір змінюється у великих межах (від сотень Ом до одиниць МОм. Напруга U сі управляє струмом. Недолік даного способу - характеристики транзистора лінійні при напругах, що не перевищують + -0,1 В.
5) перемножителя на диференційних каскадах з керованим посиленням.
Принцип дії заснований на електронному управлінні диференціальним каскадом. Такий перемножителя є чотири-квадрантний і випускається у вигляді інтегральних мікросхем (525ПС2).
При нульових сигнали на вході (Ux = Uy = 0) струми першого диференціального каскаду ДК1 I 1 = I 2 = I 0 / 2, струми ДК2 і ДК3 I 3 = I 4 = I 5 = I 6 = I 0 / 4, вихідна напруга U 2 = 0.
ДК1 управляється напругою Uy, яке управляє струмами I 1 і I 2. Струми I 1 і I 2, в свою чергу, управляють коефіцієнтами посилення ДК2 і ДК3, підсилюють напругу Ux. Входи ДК2 і ДК3 з'єднані паралельно однойменно, а виходи - паралельно перехресно.
Нехай напруга Uy> 0, тоді струм I 1 одержить збільшення . Струм I 2 зменшиться на ту ж величину. Тоді
,
. Струми, що визначають крутизну ДК2 і ДК3:
,
. Крутизна цих каскадів: для ДК2
, Для ДК3
. Для малих значень вхідних напруг коефіцієнти посилення ДК2 і ДК3:
Так як виходи ДК2 і ДК3 з'єднані перехресно, то їх вихідні напруги віднімаються:
.
Таким чином, здійснюється перемножування вхідних сигналів. Так як , То
, Де коефіцієнт
Вираз для U 2 є точним тільки при малих значеннях Ux і Uy, що не перевищують приблизно 20 мВ. При великих вхідних напругах проявляється нелінійність вхідних характеристик транзисторів. При цьому
Для точного перемноження потрібна лінеаризація по обох входів. По входу y в ланцюзі емітерів транзисторів ДК1 вводяться додаткові резистори R е.. Тоді крутизна першого каскаду визначається як , При R е.>> r е.
і не залежить від струму, тому струм буде змінюватися лінійно зі зміною вхідної напруги Uy. По входу x додаткові резистори (R е.>> r е.) в еміттерние ланцюга ДК2, ДК3 включати не можна, тому що в цьому випадку неможливо буде керувати крутизною каскадів і не буде ефекту перемножування. Для лінеаризації тут застосовується метод створення попередніх нелінійних спотворень (предискаженій) напруги Ux, що компенсують наступні спотворення в ДК2 і ДК3. На вхід перемножителя по входу Ux включається диференціальний каскад з нелінійної навантаженням. Резистори R е. забезпечує лінійну залежність струму від вхідної напруги. Навантаження колекторів - нелінійна (транзистори в діодному включенні), тому вихідний сигнал спотворений, але його спотворення протилежні спотворень перемножителя. Передаточна (амплітудна) характеристика такого каскаду по відношенню до аналогічної характеристиці напруги Ux перемножителя є зворотною функцією, а результуюча характеристика - лінійна щодо напруги Ux в широкому діапазоні його значень.
Перемножителя випускаються у вигляді інтегральних мікросхем (наприклад, 545ПС2). У типових схемах включення перемножителя у разі широкосмугових сигналів використовуються несиметричні входи: кожне вхідне напруга подається на базу тільки одного з транзисторів ДК. На базу другого транзистора подається постійна напруга підстроювання нуля на виході. Це дозволяє мінімізувати залишкові напруги.
Застосування аналогових перемножителя
На основі аналогового перемножителя можна виконувати різні перетворювачі сигналів.
1) Квадратор. Виконує операцію зведення в квадрат.
Обидва входи паралельні, тому вихідна напруга . Полярність напруги на виході не залежить від полярності вхідної напруги, але може бути будь-хто. Квадратори широко застосовуються при вимірюванні середньоквадратичного значення напруг складної форми, у тому числі і випадкових процесів.
2) Пристрій добування квадратного кореня. Являє собою квадратор, включений в ланцюг зворотного зв'язку ОУ. У ОУ (з урахуванням високого вхідного опору і віртуального нуля) струми через R 1 і R 2 рівні між собою:
, Звідки
,
де k - масштабний коефіцієнт квадратора.
Якщо на виході квадратора позитивна напруга, то напруга U 1 повинно бути негативним, тоді зворотній зв'язок буде негативною. Якщо U 1> 0, то ОС в ОУ стає позитивною з-за нечутливості квадратора до полярності його вхідної напруги. Це перетворює пристрій в тригер, який відразу ж «замикається», тобто Перемикається в стан насичення. Щоб після цього повернути пристрій у робочий стан, недостатньо зробити U 1 <0. Треба ще тимчасово розірвати петлю ОС, що непрактично. Для запобігання замикання у вихідний провід ОУ включається діод, який не пропускає на вихід негативна напруга, тобто автоматично розриває петлю ГР при . Якщо квадратор інвертує полярність напруги, то U 1 повинно бути позитивним і напрямок діода слід змінити.
3) Для отримання дільника однієї напруги на інше достатньо в ланцюг ОС инвертирующего підсилювача також включити перемножителя.
Щоб ОС була негативною, коефіцієнт зворотної передачі через перемножителя, а значить, і напруга Uy повинні бути позитивними. Якщо ж перемножителя инвертирующий, то має бути Uy <0. Напруга Ux може бути будь-який полярності, наприклад
змінним. При рівності струмів через R 1 і R 2 знайдемо
, Звідки
,
де k - масштабний коефіцієнт перемножителя.
Для компенсації зсуву нуля вихідної напруги ОП, обумовленого його вхідним струмом, включають балансний резистор . Деякі серійні мікросхеми перемножителя (наприклад, 525ПС2) вже мають всередині вбудований вихідний ОУ. Тоді для реалізації дільника або пристрої виведення кореня достатньо лише відповідного взаємного з'єднання висновків мікросхеми та підключення до неї потенціометрів налаштування.
4) Регулятор посилення. Регульоване змінну напругу подається на один вхід перемножителя сигнал, а постійне регулює - на інший вхід. Для отримання малих нелінійних спотворень і великого динамічного діапазону регулювання змінну напругу потрібно подавати на більш лінійний вхід.
5) Перетворювач частоти. Якщо у перемножителя на диференційних підсилювачах замість резистивної навантаження включити паралельний коливальний контур, то одержимо так званий подвійний балансний змішувач. На контурі виділяється проміжна частота (зазвичай різницева).
6) Фазовий детектор.
На перемножителя надходять Детектируемая коливання і опорне коливання
. Результуюче коливання
.
Після фільтра нижніх частот ФНЧ отримаємо .
7) Помножувач частоти.
Нехай вхідний синусоїдальна напруга . Зведення в квадрат дає
.
Конденсатор на виході фільтрує постійну складову, тоді .