3
Zespół Szkół Nr 9 im. Romualda Traugutta
w Koszalinie
Temat ćwiczenia: Badanie wzmacniaczy szerokopasmowych.
9
Przygotowanie teoretyczne.
Wstęp.
Wiele sygnałów przetwarzanych w układach elektronicznych na widmo częstotliwości sięgające setek MHz lub nawet kilkunastu GHz. Przy wzmocnieniu sygnału w tak szerokim paśmie częstotliwości występują duże zniekształcenia sygnału. Dla zminimalizowania tej wady i równomiernego wzmocnienia sygnału w szerokim paśmie stosuje się specjalizowane układy nazywane wzmacniaczami szerokopasmowymi.
Termin wzmacniacz szerokopasmowy obejmuje układy, których bezwzględna szerokość pasma (Fg - Fd) jest duża, co najmniej rzędu kilku megaherców, a stosunek częstotliwości granicznych górnej i dolnej jest rzędu co najmniej kilku.
Typowym wzmacniaczem szerokopasmowym jest wzmacniacz wizji, sterujący jasnością kineskopu w odbiorniku telewizyjnym. Wzmacniacz ten powinien mieć pasmo nie węższe niż 50 Hz – 1000 MHz przy małych zniekształceniach fazowych.
Inny przykład to wzmacniacz odchylania pionowego w oscyloskopie, który przenosi równomiernie sygnały o paśmie od zera do kilkudziesięciu, a w niektórych konstrukcjach do 500 – 1000 MHz.
Cechą wspomnianych układów jest duża szerokość pasma, ważnymi parametrami jest górna częstotliwość graniczna oraz kształt charakterystyki fazowej.
Wzmacniacz szerokopasmowy boże być zbudowany na elementach dyskretnych lub w postaci monolitycznej. W przypadku wzmacniaczy tranzystorowych podstawowym układem jest wzmacniacz z tranzystorem bipolarnym w konfiguracji WE. Należy pamiętać, że wzmacniacze te mają wartość górnej częstotliwości granicznej Fg rzędu kilkuset kHz – tzn. są stosunkowo małe. Małe wartości Fg są rezultatem optymalizacji wzmocnienia napięciowego układu, a nie częstotliwości granicznej. Częstotliwość Fg może być znacznie zwiększona przez dobór odpowiednich rezystancji Rg i R1 oczywiście kosztem wzmocnienia.
W wielu zastosowaniach jest potrzebne większe wzmocnienie niż to, które można uzyskać w jednym stopniu. Stosuje się wówczas kilka stopni połączonych kaskadowo. Proste powielanie układów nie daje zadowalających rezultatów, gdyż w kaskadzie kilku identycznych stopni częstotliwość graniczna całego wzmacniacza szybko maleje w porównaniu z Fg pojedynczego stopnia, a ponadto występują niekorzystne warunki sterowania każdego następnego stopnia. Na przykład wzmacniacz z szeregową korekcją emiterową powinien być sterowany ze źródła zbliżonego do napięciowego, np. z wtórnika emiterowego. Dlatego regułą w takich układach powinno być przemienne stosowanie stopni ze sprzężeniem zwrotnym szeregowym i równoległym.
Jeszcze lepsze rezultaty daje zastosowanie sprzężenia obejmującego dwa kolejne stopnie. Rozważanie takie zmniejsza znacznie zależność wzmocnienia od zmian parametrów tranzystorów i pozwala łatwo kształtować wypadkowe charakterystyki częstotliwościowe. Niestety, zwykle nie można rozszerzyć tej metody na większą liczbę stopni ze względu na trudności zapewnia stabilności wzmacniacza.
Przy dużych częstotliwościach przesunięcia fazy w tranzystorach mogą łatwo doprowadzić do zmiany charakteru sprzężenia z ujemnego na dodatnie. Z układów dwutranzystorowych (tzw. dwójek ze sprzężeniem zwrotnym) praktyczne zastosowanie znalazły te, które przedstawiono na rysunku. Układ z rys. a) – ze względu na charakter sprzężenia jest stosowany przy większych impedancjach źródła sygnału, układ z rys. b) ‑ przeciwnie – przy małych impedancjach.
W elektronice stosowane są również monolityczne wzmacniacze szerokopasmowe, które przeznaczone są do liniowego wzmacniania sygnałów analogowych w szerokim zakresie częstotliwości.
W odróżnieniu od szerokopasmowych wzmacniaczy dyskretnych, wzmacniacze monolityczne są układami, których poszczególne stopnie są sprzężone ze sobą bezpośrednio (stałoprądowo). Wynika to z poważnych trudności przy technologicznym wytwarzaniu kondensatorów o dużych wartościach pojemności, jak i potrzeby uzyskania płaskiej charakterystyki wzmocnienia również w zakresie małych częstotliwości.
Wzmacniacze szerokopasmowe, a szczególnie operacyjne, powinny odznaczać się dobrymi właściwościami stałoprądowymi, tj.
- niewielkimi prądami polaryzującymi
- małymi wejściowymi napięciami i prądami niezrównoważenia
- dużymi wzmocnieniami przy otwartej pętli
- tłumieniem sygnałów współbieżnych
- dużą szybkością zmian napięcia wyjściowego.
Wśród obecnie wytwarzanych monolitycznych wzmacniaczy szerokopasmowych można wyodrębnić dwie grupy układów:
- szerokopasmowe wzmacniacze operacyjne
- szerokopasmowe wzmacniacze różnicowe
Pierwsze z nich są stosowane do wzmacniania sygnałów o małej i dużej amplitudzie, w odróżnieniu od wzmacniaczy różnicowych, pracują w układzie z silnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym z pętlą sprzężenia obejmującą cały wzmacniacz.
Stabilność częstotliwościowa wzmacniacza sygnałów o dużej częstotliwości jest zwykle zależna od warunków sterowania i obciążenia, a w skrajnych przypadkach może mieć wpływ na nią temperatura.
Drugą grupę monolitycznych wzmacniaczy szerokopasmowych stanowią wzmacniacze różnicowe (nieoperacyjne) przeznaczone do liniowego wzmacniania sygnałów o małej amplitudzie i na ogół przenoszące szersze pasmo częstotliwości wyklucza stosowanie zewnętrznych sprzężeń zwrotnych obejmujących cały wzmacniacz. Dopuszczając jednie ujemne lokalne sprzężenia zwrotne w poszczególnych stopniach.
Wymagania dotyczące wzmacniaczy szerokopasmowych są formułowane w postaci parametrów charakterystyk częstotliwościowych (amplitudowych i fazowych) lub w postaci parametrów związanych z określonymi przebiegami czasowymi.
Dualizm opisu – w dziedzinie czasu i częstotliwości – jest związany ze wzmocnieniem sygnałów, a ponadto wynika to z preferencji określonego rodzaju analizy: czasowej lub częstotliwościowej.
Zazwyczaj analiza w dziedzinie częstotliwościowej jest łatwiejsza, zwłaszcza przy obliczeniach odręcznych. Z kolei testowanie bywa łatwiejsze w dziedzinie czasu (obserwacja na ekranie oscyloskopu odpowiedzi wzmacniacza na ciąg impulsów prostokątnych może dostarczyć od razu informacji o całej charakterystyce amplitudowo-fazowej). Dlatego konieczne jest powiązanie charakterystyk układów formułowanych w obu dziedzinach.
Pomiar charakterystyk częstotliwościowych wykonuje się za pomocą sygnału harmonicznego o zmiennej częstotliwości. Powszechnie używanymi parametrami jakościowymi tych charakterystyk są:
- dolna i górna częstotliwość graniczna,
- nierównomierność charakterystyki amplitudowej w paśmie przepustowym,
- nieliniowość charakterystyki fazowej,
- nachylenie charakterystyki amplitudowej poza pasmem przepustowym.
Poza tym w/w wzmacniacze szerokopasmowe charakteryzują następujące parametry:
- pasmo przenoszenia
- współczynnik zniekształceń nieliniowych
- charakterystyka dynamiczna
- szerokość pasma dla małych sygnałów
- parametry dynamiczne dla dużych sygnałów maksymalna szybkość zmian napięcia wyjściowego
- czas ustalania napięcia wyjściowego
Należy pamiętać, że w układach szerokopasmowych czas trwania procesów związanych z szybkimi zmianami sygnału wejściowego (z tzw. czołem impulsu) jest znacznie krótszy niż czas trwania części quasi-ustalonej (tzw. grzbietu impulsu), dlatego zniekształcenia odpowiedzi można rozważać oddzielnie dla czoła i grzbietu. Typowe zniekształcenia odpowiedzi na sygnał typu fali prostokątnej są pokazane na rysunku.
Z narastaniem sygnału mogą być związane trzy typowe procesy:
- opóźniania odpowiedzi
- skończona szybkość narastania
- ewentualne wystąpienie oscylacji
Czas narastania – to odstęp między chwilami, w których sygnał wyjściowy osiąga od 0,1 do 0,9 wartości ustalonej i ma bezpośredni związek z górną częstotliwością graniczną.
Bywa również używane pojęcie analogiczne:
Czas opadania dla sygnału malejącego (między 0,9 i 0,1 wartości amplitudy).
W układach liniowych czas narastania i opadania są identyczne.
Oscylacje określone są stosunkiem największej amplitudy oscylacji do amplitudy stanu ustalonego. Nie zawsze oscylacje występują. Ich istnienie jest związane z zespolonymi sprzężonymi biegunami transmitancji układu. W niektórych zastosowaniach (np. oscyloskopach) dąży się do uzyskania odpowiedzi bezoscylacyjnej.
Zniekształcenia grzbietu impulsu występują w układach ze sprzężeniem pojemnościowym między stopniami i są związanie z ładowaniem kondensatorów.
Przy sprzężeniach bezpośrednich dowolnie długi impuls jest przenoszony poprawnie (czasami mogą wystąpić niewielkie odchylenia wywołane zmianami temperatury i punktu pracy elementów). Miarą zniekształceń grzbietu jest tzw. zwis – określony jako stosunek zmiany poziomu grzbietu do amplitudy płaskiej części impulsu.
Parametry impulsu:
Umax – amplituda impulsu
Uosc – amplituda oscylacji
Uz – zwis
to - czas opadania
tn- czas narastania
Ujemne sprzężenie zwrotne może być użyte dla rozszerzenia pasma kosztem wzmocnienia układu.
Na rysunku powyżej przedstawiony jest układ korekcji pasma od strony wysokich częstotliwości. W układzie zastosowano szeregowo-prądowe ujemne sprzężenie zwrotne zrealizowane na rezystorze RD. Rezystor ten jest częściowo zblokowany do masy dla napięć zmiennych przez rezystor RD i kondensator CE zmniejszając to ujemne sprzężenie zwrotne. Poszerzenie pasma tego wzmacniacza polega na włączeniu przy pomocy zwory kondensatora CD. Kondensator ten o odpowiednio małej pojemności zwiera (blokuje) do masy emiter tranzystora dla sygnałów o wysokiej częstotliwości całkowicie usuwając ujemne sprzężenie zwrotne i zwiększając wzmocnienie wzmacniacza w górnej części przenoszonego pasma.
W powyższym układzie ujemne sprzężenie zwrotne (napięciowo-równoległe) jest zrealizowane przez elementy RD i L. Część napięcia wyjściowego jest podana na bazę tranzystora. Wielkość tego sprzężenia jest zależna od wielkości rea...
Baloniki3