Свых - служит для передачи выходных напряжений на следующий каскад(нагрузку) и для разделения переменной и постоянной составляющей выходного сигнала.

27. Однокаскадный усилитель, принцип действия, назначение элементов схемы.

Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.3.4,а.

Входное усиливаемое переменное напряжение U_вх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор С₁. Конденсатор С₁ препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_н через разделительный конденсатор С₂. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока I_кр

Рис. 3.4

Значения I_кр и других постоянных составляющих тока и напряжения в цепях транзистора зависят от режима его работы ( начального положения рабочей точки ).

Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Режим работы транзистора определяется начальным положением рабочей точки (при отсутствии входного переменного сигнала). Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной I_Кр, U_КЭр и входной I_Бр, U_БЭр цепях (рис. 3.4, б, в).

При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класса А) рабочая точка должна находиться примерно посередине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.

Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R₁ и R₂, значения сопротивлений которых определяются из соотношений:

R₁ = ; R₂ = .

где I_д = (2...5)I_Бр - ток в цепи делителя.

При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). C этой целью в эмиттерную цепь введен резистор R_э, на котором создается напряжение ООС по постоянному току U_Rэ.

Для устранения ООС по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) резистор R_э шунтируют конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным

28. Обратные связи в усилителях.

Обратной связью называется передача части энергии входного сигнала на вход усилителя. Если сигнал обратной связи действует согласно с входным сигналом, в результате чего коэффициент усиления возрастает, то такая обратная связь называется положительной. Если сигнал обратной связи противодействует входному сигналу (подается противофазно), и коэффициент усиления уменьшается, то такая связь называется отрицательной.

Отрицательная обратная связь (ООС) улучшает стабильность усиления, уменьшает искажение формы входного сигнала, снижает влияние разброса параметров элементов схемы, увеличивает входное сопротивление каскада.

Одним из видов отрицательной обратной связи является отрицательная местная обратная связь по току. Чтобы ввести такую ООС в усилитель достаточно исключить из схемы конденсатор С_Э. Чем выше ток в цепи эмиттера (R_Э) тем меньше напряжение прикладываемое к переходу база-эмиттер. Так как это напряжение включено встречно к входному.

Если отсутствует в схеме С_Э, то переменная составляющая тока эмиттера будет проходить только через R_Э и под влиянием падения напряжения от переменной составляющей все процессы, происходящие в транзисторе по изменению положения рабочей точки будут аналогичны процессам описанных для постоянной составляющей.

Важной характеристикой усилителя является полоса пропускания, которая определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) ,которая показывает зависимость входного напряжения от частоты входного сигнала.

АЧХ идеального усилителя.

АЧХ реального усилителя.

АЧХ идеального усилителя не должна зависеть от частоты входного сигнала, однако в реальном усилителе этого быть не может, так как всегда существуют элементы, которые ограничат усиление на высоких частотах, а именно: паразитные емкости; процессы связанные со временем перемещения заряда в полупроводниках.

А в области низких частот ограничения усиления вызвано (в частном случае для нашего усилителя) наличием разделительных емкостей С_ВХ и С_ВЫХ, которые для низких частот представляют собой достаточно большое сопротивление

Хс=1/(2fC)

Второй важнейшей характеристикой усилителя является амплитудная характеристика- зависимость выходного напряжения от напряжения на входе при f_ВХ=const.

U _ВЫХ 1

1- Амплитудная характеристика

идеального усилителя

2 - угол наклона определяет коэффициент

усиления усилителя.

Чем больше  тем выше коэффициент усиления.

U_ВЫХ=0 ; U_ВХ=0 ; U_ВЫХ=K_УС U_ВХ.

U_ВХ

2- Реальный усилитель -происходит некоторое смещение характеристики за счет собственных шумов усилителя ( при U_ВХ=0; U_ВЫХ=0).

Вторым отличием от идеальной характеристики является участок ограничения увеличения выходного напряжения при увеличении входного. Этот участок называется напряжением насыщения усилителя.

29. Дифференциальный усилитель.

Uпит

В этой мостовой схеме соединение резисторов точки с и d имеют равные потенциалы при условии: R₂/R₂=R₃/R₄, т. е. U_вых=0 независит от напряжения между т. a и b (у питания).

Такой мост называется сбалансированным, а выражение (1) называется условием баланса моста. Диагональ (аb) моста наз. питающей, а диагональ cd измерительной . Резисторы включены в плечи моста.

Rк

Если в резисторном мосту сопротивления R₁и R₄ сделать переменными и управляемими, то можна получить управляющую зависимость U_вых от входного сигнала. Роль переменных сопротивлений могут выполнять транзисторы односпадного усилителя, как в схеме 2. Это схема носит название односкладный дифференциальный усилитель. Коэффициент усиления которого определяется по формуле 2.

Преимущество такой схемы:

1. Выходное напряжение зависит только от разности входных напряжений, т. е. усиливается только противофаза, разность или диференциальные сигналы.

2.Синфазный (дно) сигнал практически полностью подавляется. Количество подавления его зависит от идентичности параметров тронзисторов и сопротивлений в плечах моста.

3. Не имеет вход. емкостей и представляе собой УПТ.

30. УПТ, операционный усилитель, свойства операционного усилителя.

Операционными усилителями наз – усилитель имеющий дифференциальный вход или усилитель постоянного тока с одним выходом, выходные параметры которого зависят только от цепей внешней обратной связи.

Условное обозначение:

О У имеет два входа один выход из которых наз инвертирующим, которая обозначается знаком инверсии «О» и не инвертирующим. Питается ОУ от двухполярного источника питания. Обозначается:

Благодаря этому выходной сигнал может принимать положительные и отрицательные значения относительно общего провода.

Важнейшим свойством ОУ является то, что при одинаковых значениях напряжения на входах, выходное напряжение равно нулю.

Существует понятие идеального и реального ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие характеристические параметры:

Кус=

Rвх=

Rвых=0

Ширина полосы пропускания = 

Реальный ОУ имеет параметры близкие к идеальным:

Кус до 10

Rвх до 1ГОм

Rвых десятки Ом

Ширина полосы пропускания до десяти МГц

В ОУ обратная связь может быть подана на инвертирующий или неинвертирующий вход. В первом случаи - это отрицательная обратная связь (ООС). Во втором – положительная обратная связь (ПОС).

Если входной сигнал подать на не инвертирующий вход в усилитель с ООС, то он будет называться неинвертирующим.

R2ос- сопротивление обратной связи. От еге величины зависит глубина обратной связи. Чем его величина больше, тем обратная связь меньше, и наоборот.

Кус=Uвых/Uвх= (R1+ R2)/ R1

Е сли входной сигнал подать на инвертирующий вход в усилитель с ООС, то он будет называться инвертирующим.

Кус=Uвых/Uвх=-( R2/ R1)

Определить, какой усилитель является инвертирующим, а какой нет, можно определить на какой из входов подаёться входной сигнал.

А мплетудная характеристика не инвертирующего (1) и инвертирующего (2).

31. Инвертирующий ОУ.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть , что за счет резистора R2 в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Обратная связь создает особый режим точки А схемы. Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжение Uд , которое приложено непосредственно между инвертирующим и неинвертирующим входами. При этом

Любое изменение входного напряжения приведет к изменению напряжения на выходе, причем выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока за счет влияния отрицательной обратной связи потенциал точки А не станет равным

В современных ОУ , поэтому потенциал точки А можно считать равным нулю, т.е. она является потенциально заземленной (так называемый "виртуальный нуль"). Однако гальванически точка А отделена от "земли", т.к. дифференциальное входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности

Рисунок 1.1 - Инвертирующий усилитель на ОУ

Учитывая большой дифференциальный коэффициент усиления ОУ и свойства усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, можно предположить, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет определяться только параметрами цепи обратной связи. Действительно, если принять и пренебречь входными токами смещения, то для точки А по закону Кирхгофа

В свою очередь

С учетом этого можно получить

откуда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

Знак минус перед правой частью означает, что выход инвертирован.

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор, как показано на рис. 1.2.

Рисунок 1.2

Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю. Кроме того, для уменьшения влияния тока смещения сопротивление R2 выбирать не более нескольких сотен килоОм. Входное сопротивление инвертирующего усилителя (рис. 1.1) равно R1, так как благодаря обратной связи потенциал точки А приблизительно равен нулю . Поэтому сопротивление R1 должно выбираться так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, а R2 должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать выходную цепь операционного усилителя.

32. Не инвертирующий ОУ.

В схеме инвертирующего усилителя рис. 1.5 резисторы R1 и R2 образуют делитель, через который протекает одинаковый ток

Исходя из этого к инвертирующему входу ОУ приложено напряжение:

Рисунок 1.1 - Неинвертирующий усилитель

Однако, как уже отмечалось, за счет отрицательной обратной связи потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов будут примерно равными, т.е.

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

В отличие от инвертирующего усилителя входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным дифференциальным сопротивлением ОУ и можно считать, что (Например, у усилителей с МОП транзисторами на входе Ом. Выходное сопротивление составляет несколько десятков-сотен Ом. Сумма сопротивлений (R1 +R2) должна быть такой, чтобы общий максимальный ток нагрузки ОУ с учетом этого сопротивления не превышал допустимого значения.

Рисунок 1.2 - Повторитель напряжения

На рис. 1.2 приведена схема неинвертирующего усилителя со 100% отрицательной обратной связью. При подаче напряжения на вход, за счет обратной связи выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов не сравняются (считаем ), т.е выходное напряжение окажется приблизительно равным входному. Таким образом коэффициент усиления схемы рис. 6.7

В силу этого схема рис. 1.2 называется повторителем, так как сигнал на выходе имеет ту же амплитуду и фазу , что и входной. Повторитель часто используется в качестве буферного каскада. При необходимости усиливать переменный сигнал можно использовать схему рис. 1.3. Для входного тока (очень небольшого) в схеме предусмотрено заземление неинвертирующего входа через резистор R. RC-цепь образует фильтр высоких частот, поэтому постоянная времени должна выбираться исходя из требуемой нижней граничной частоты пропускания усилителя.

Рисунок 1.3 – Усилитель переменного напряжения

33. Ограничитель.

В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения какого-либо сигнала, используются устройства, называемые ограничителями. В подобных цепях находят широкое применение диоды различных видов (импульсные, универсальные, стабилитроны, ограничители и др.).

С помощью импульсных стабилитронов или ограничителей напряжения можно защитить входные (и выходные) цепи различных узлов аппаратуры от воздействия кратковременных импульсных помех и перенапряжений, проникающих в них из-за грозовых разрядов, коммутации индуктивных нагрузок, статических электрических разрядов и т.п.

Схема защиты диодного моста и трансформатора

Схема защиты входной и выходной цепей транзисторного усилителя

Схема защиты ОУ по цепям питания

Простейший одноуровневый диодный ограничитель

34. Повторитель

Предназначен для увеличения расстояния сетевого соединения путём повторения электрического сигнала «один в один». Бывают однопортовые повторители и многопортовые. В терминах модели OSI работает на физическом уровне.

Одной из первых задач, которая стоит перед любой технологией транспортировки данных, является возможность их передачи на максимально большое расстояние. Физическая среда накладывает на этот процесс своё ограничение — рано или поздно мощность сигнала падает, и приём становится невозможным. Но ещё большее значение имеет то, что искажается «форма сигнала» — закономерность, в соответствии с которой мгновенное значение уровня сигнала изменяется во времени. Это происходит в результате того, что провода, по которым передаётся сигнал, имеют собственную ёмкость и индуктивность. Электрические и магнитные поля одного проводника наводят ЭДС в других проводниках (длинная линия).

Привычное для аналоговых систем усиление не годится для высокочастотных цифровых сигналов. Разумеется, при его использовании какой-то небольшой эффект может быть достигнут, но с увеличением расстояния искажения быстро нарушат целостность данных.

Проблема не нова, и в таких ситуациях применяют не усиление, а повторение сигнала. При этом устройство на входе должно принимать сигнал, далее распознавать его первоначальный вид, и генерировать на выходе его точную копию. Такая схема в теории может передавать данные на сколь угодно большие расстояния (если не учитывать особенности разделения физической среды в Ethernet).

Эмиттерный повторитель имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току, коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Однако это справедливо при достаточно низком сопротивлении источника сигнала и на низкой частоте. При бесконечно большом сопротивлении источника сигнала перестаёт действовать 100% последовательная ООС по напряжению и выходное сопротивление стремиться к R_вых каскада с общим эмиттером, резко возрастает коэффициент гармоник, который минимален при R_r=0.

R_вх = r_б + (1+h_21э)R_н R_вых = r_э + (R_r + r_б)/(1 + h_21э) где r_б - сопротивление базы (1...20 Ом и более); h_21э - безразмерный статистический коэффициент передачи тока (beta); r_э = F_т/I_к (мА); F_т = 25 мВ - температурный потенциал, Rr - выходное сопротивление источника сигнала.

Входное сопротивление резко уменьшается в случае коротких импульсов и на высоких частотах. На высоких частотах входная ёмкость повторителя зависит, главным образом, от С_н и грубо может быть оценена как С_н/h_21э. Выходное сопротивление повторителя на высоких частотах может иметь индуктивный характер, поэтому при определении Сн эмиттерный повторители могут давать колебательные переходные процессы и даже переходить в режим автогенерации. Однако наиболее опасным следствием ёмкостной нагрузки является склонность однотактных повторителей к нелинейным искажениям сигнала высокой частоты. Наиболее понятно объяснение этого явления на примере передачи фронта и спада импульсного сигнала:

При передаче фронта к току транзистора помимо тока I_э=U_вых/R_э добавляется ток заряда С_н. При прохождении спада сигнала ток перезаряда не может превысить ток, протекающий через R_э, а не через транзистор. Если U_вх будет снижаться быстрее перезаряда С_н, то напряжение на базе окажется ниже, чем на эмиттере, и транзистор закроется. Максимальная частота, передаваемая повторителем без искажений F_max=I_э/2_nU_mC_n , где U_m - амплитуда сигнала. Как видно из формулы, расширить полосу пропускания эмиттерного повторителя можно увеличением тока эмиттера. Характерные искажения сигнала высокой частоты в эмиттерном повторителе носят пилообразный характер:

35. Усилитель переменного тока на ОУ.

Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью. В усилителях с непосредственной связью полоса пропускания ограничена только сверху. В усилителях с  резистивно-емкостной или с взаимно индуктивной связью полоса пропускания имеет ограничения как сверху, так и снизу. Ограничение полосы сверху обусловлено паразитными реактивностями элементов и монтажа. В области низких частот неравномерность частотной характеристики усилителя связана с параметрами разделительных элементов. Причинами появления погрешностей в усилителях переменного тока являются 1) собственные шумы пассивных и активных элементов схемы; 2) воздействие на усилитель внешних помех; 3) непостоянство коэффициента усиления усилителя за счет изменения: во времени свойств активных и пассивных элементов схемы; условий эксплуатации усилителя; неинформативных параметров сигнала. Первые две причины приводят к появлению погрешности нуля, а третья – мультипликативной погрешности. К мультипликативным относятся также погрешности, вызванные наличием нелинейных искажений сигнала, которые зависят от входного напряжения. Следует отметить, что эта зависимость нелинейная. Как правило, погрешности усилителей нормируются не более чем двучленной формулой. Несоответствие между реальной функцией погрешности и выражением, использующимся для нормирования, ведет к завышению допустимой погрешности усилителя при некоторых значениях входного сигнала. Кроме нелинейных искажений в усилителе присутствуют линейные искажения, которые не связаны непосредственно со значением сигнала, а зависят от скорости его изменения, спектра. Линейные искажения обычно называют частотными. Погрешности усилителя, обусловленные частотными искажениями, относятся к динамическим. Для анализа частотных искажений пользуются АЧХ и ФЧХ. На АЧХ различают область низших частот в окрестности нижней граничной частоты fН, область высших частот fВ в окрестности верхней граничной частоты и расположенную между ними область средних частот. В усилителях измерительных устройств изменение коэффициента усиления на граничных частотах составляет 1 – 6, реже 10% по сравнению с его значением на средних частотах.

36. Интегратор.

Интегра́тор, блок интегрирования — устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

При подаче скачка напряжения на вход емкость С начинает заряжаться, при этом коэффициент ОС максимален, а значит коэффициент усиления = min поэтому выходное напряжение Uвых min. По мере заряжения емкости снижается коэффициент обратной связи, коэффициент усиления увеличивается и входное напряжение определяется как

Uвых=Kус Uвх

Аналоговый интегратор — аналоговый функциональный блок в АВМ структурного типа, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Интегратор представляет собой конденсатор (напряжение на котором пропорционально интегралу по времени от тока, протекающего через него), включенный в цепь обратной связи усилителя операционного. Напряжение на выходе операционного усилителя выражается формулой:

,

где U_out — напряжение на выходе, U_in — напряжение на входе. Интегратор на пассивных элементах (RC-цепь) является лишь приближённым: напряжение на выходе примерно пропорционально интегралу от входного лишь для времён, много меньших постоянной времени T = RC. Интегратор на операционном усилителе можно считать точным в силу очень большого коэффициента усиления (сотни тысяч) и очень малых входных токов (доли наноампера). При этом выходное напряжение оказывается практически равным минус напряжению на конденсаторе, ток через конденсатор - практически равным току через резистор и напряжение на резисторе - практически равным входному

Частным видом аналогового интегратора является интегратор частотно-импульсный.

Цифровой интегратор — решающий блок цифровой интегрирующей машины. Можно выделить следующие виды цифровых интеграторов

• интегратор с параллельным переносом

• интегратор с последовательным переносом

• интегратор следящий

37. Дифференциатор.

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор R и конденсатор С. Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжения с некоторой скоростью вызывает появление тока I = C(dU_вх/dt) а следовательно, и выходного напряжения U_вх = - RC(dU_вх/dt). Дифференциаторы имеют стабилизированное смещение, неприятности создают обычно шумы и нестабильность работы на высоких частотах, что связано с большим усилением ОУ и внутренними фазовыми сдвигами. В связи с этим следует ослаблять дифференцирующие свойства схемы на некоторой максимальной частоте. Обычно для этого используют метод, который показан на рис. 4.52. Компоненты R₁ и С₂, с помощью которых создается спад, выбирают с учетом уровня шума и ширины полосы пропускания ОУ. На высоких частотах благодаря резистору R₁ и конденсатору С₂ схема начинает работать как интегратор.

38. Сумматор.

Сумматор – это электрическое устройство, выполняющее математические и физические операции суммирования сигналов.

Uвых= - К(Uвх1 + Uвх2 + Uвх3 )

К= Uвых/ Uвх=-(R4/R1)-коэффициент усиления.

39. Релаксационный генератор.

D1

1=R1C1

2=R2C2

Схема содержит цепи положительной и отрицательной связи. Положительная обратная связь обеспечивает лавинообразное переключение схемы в одной из 2-х устойчивых состояний. Отрицательная обратная связь определяет длительность периода Т. В переходном процессе заряда и разряда конденсатора с существует понятие скважности Q, которое определяется по формуле

Q=T/1.