Badanie wzmacniacza selektywnego z filtrem podwójnym T

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie skuteczności działań wzmacniacza selektywnego wyznaczenie podstawowych parametrów wzmacniaczy, oraz wyznaczenie charakterystyki przejściowej i częstotliwościowej.

1. Wstęp teoretyczny.

Zadaniem wzmacniacza selektywnego jest wzmacniacie sygnałów w określo­nym, na ogól wąskim paśmie i możliwie skuteczne tłumienie sygnałów leżących poza tym pasmem. Właściwości selektywne uzyskuje się przez przyłączenie elementu aktyw­nego do odpowiedniej sieci pasywnej, zapewniającej wzmacnianie częstot­liwości użytecznych, tłumienie zaś nieużytecznych. W zakresie wielkich częstotliwości sieć tę tworzą na ogół obwody rezonansowe realizowane, jako połączenie pojemności i indukcyjności albo jako przejawiające właściwości rezonansowe filtry piezoelektryczne. W zakresie małych i średnich częstot­liwości (poniżej 1 MHz), zamiast niewygodnych w stosowaniu indukcyjności są używane układy pojemnościowo-rezystancyjne włączone w pętlę sprzęże­nia zwrotnego wzmacniacza pasmowego. Układy takie nazywają się filtrami aktywnymi RC. Trzecią postacią realizacji wzmacniaczy selektywnych są filtry z przełączanymi pojemnościami, stosowane do przetwarzania sygnałów próbkowanych (dyskretnych w czasie). Nadają się one szczególnie dobrze do realizacji scalonej w technologii MOS i odznaczają się bardzo stabilnymi w czasie właściwościami i możliwością precyzyjnego strojenia Wprowadzane są również układy selektywne działające na innych zasadach, np. filtry C pracujące w czasie ciągłym, filtry z przełączanymi rezystancjami itp.

Stosowane są one wówczas, gdy sygnał jest zakłócony przebiegami szkodliwymi, które należy wyeliminować. Występuje to np. w sygnale otrzymanym z anteny, w przypadku telefonii wielokrotnej o podziale częstotliwościowym, lub gdy sygnał jest odbierany wraz z dużym poziomem szumów. Jednocześnie sygnał niosący informację użyteczną zawsze zajmuje pewne określone pasmo, dlatego wzmacniacze selektywne muszą mieć skończone pasmo wzmacnianych częs­totliwości.

Na rysunku 1 przedstawiono typowy kształt charakterystyki częs­totliwościowej wzmacniacza selektywnego na przykładzie wzmacniacza mo­cy. Wielkość B jest pasmem wzmacniacza miedzy częstotliwościami granicz­nymi odpowiadającymi spadkowi wzmocnienia o 3 dB. Pasmo to powinno być na tyle duże, aby była wzmocniona cała użyteczna informacja zawarta w sygnale. Wielkość B₂₀ jest pasmem miedzy częstotliwościami odpowiadają­cymi spadkowi o 20 dB. Aby zakłócenia były debrze tłumione, stromość charakterystyki poza pasmem B powinna być duża, tj. B₂₀ powinno być niewiele większe od B. Definiuje się współczynnik prostokątności wzmacniacza selektywnego

$$p = \frac{B}{B_{20}}$$

który dla idealnej charakterystyki częstotliwościowej jest równy jedności. Dla wzmacniaczy rzeczywistych p < 1. Istotnym parametrem jest również względna szerokość pasma B/f₀. Zarówno bardzo małe jak i bardzo duże wartości tej wielkości są trudne do praktycznej realizacji. W zależności od zastosowań częstotliwość środkowa f₀ może zawierać się w granicach od kilku kHz do kilkudziesięciu GHz. Wzmacniacze selektywne mogą, więc być realizowane w zakresie od akustycznego do mikrofalowego.

Wzmacniacze te pracują najczęściej w klasie A, w związku z czym zniekształcenia nieliniowe są małe, tym bardziej, że dzięki rezonansowym właściwościom obciążenia sygnału o częstotliwościach harmonicznych jako znajdujące się poza pasmem przenoszenia zostają stłumione. Przy rozpatrywaniu tych układów należy wziąć pod uwagę takie zagadnienia jak:

• częstotliwość środkową f₀,

• szerokość pasma B,

• kształt charakterystyki przenoszenia,

• wzmocnienie całkowite,

• elementy Wzmacniające.

W zakresie częstotliwości środkowych od około 100 kHz do 100 MHz stosuje się zwykle strojone obwody LC. W zakresie powyżej 100 MHz stosowane są obwody rezonansowe o stałych rozłożonych, takie jak linie przesyłowe i rezonatory wnękowe. W przypadku częstotliwości środkowych poniżej 100 kHz stosuje się obwody RC. W układach ze sprzężeniem zwrotnym, ze względu na to, że elementy indukcyjne w tym zakresie częstotliwości są duże i trudne do wykonania, oraz ulegają pogorszeniu ich parametry i dobroć, wrażliwość na zakłócające pola magnetyczne małej częstotliwości itp.

Ważnym elementem przy ocenie przydatność wzmacniacza, jako układu selektywnego jest porównanie jego charakterystyki z charakterystyką idealną. Za idealną charakterystykę uważa się charakterystykę o przebiegu prostokątnym.

Rys. 2 Przykład charakterystyki wzmacniacza środkowoprzepustowego z wrysowaną charakterystyką idealną (1 – charakterystyka idealna, 2 – charakterystyka rzeczywista)

Oczywiście obwodów o takich charakterystykach nie można uzyskać w praktyce. Trzeba wziąć pod uwagę i to że prostata i łatwość strojenia obwodu są bardzo ważnymi czynnościami. W rezultacie szerokie zastosowanie znajdują wzmacniacze z pojedynczymi obwodami rezonansowymi, filtrami dwuobwodowymi i wzmacniacze z obwodami rozstawionymi/zwane też wzmacniaczami asynchronicznymi. Tak, więc najprostszym wzmacniaczem uwydatniającym wąskie pasmo częstotliwości jest układ, w którym wykorzystuje się właściwości obwodu rezonansowego. Wzmacniacz elektroniczny obciążony w obwodzie wyjścia równoległym obwodem rezonansowym nazywamy wzmacniaczem rezonansowym. Korzystniejszy kształt charakterystyki częstotliwościowej a mianowicie bardziej zbliżony kształtem do charakterystyki idealnej, uzyskuje się przez użycie paru obwodów rezonansowych, wzajemnie ze sobą sprzężonych. Najczęściej stosuje się dwa obwody sprzężone indukcyjnie, lub pojemnościowe, co przyczynia się do wystarczającej poprawy kształtu charakterystyki częstotliwościowej, a nie powoduje jeszcze nadmiernego skomplikowania układu. Pożądaną charakterystyką wzmacniacza selektywnego można również uzyskać przez kaskadowe połączenie kilku wzmacniaczy rezonansowych. Większemu wzmocnieniu towarzyszy niestety zwężanie się pasma przenoszonego przez układ wraz ze wzrostem ilości stopni z tego względu stosuje się także wzmacniacze z obwodami rozstawionymi. Jednakże wzmacniacze rezonansowe można stosować tylko w zakresie częstotliwości większych od kilkudziesięciu kiloherców, gdyż obwody te stają się kłopotliwe w konstrukcji z powodów podanych powyżej. Z tego powodu selektywne wzmacniacze uzyskuje się przy mniejszych częstotliwościach za pomocą obwodów, RC, czyli zawierających tylko rezystory i kondensatory odpowiednio połączonych ze wzmacniaczami elektronicznym, najczęściej w jego gałęzi sprzężenia zwrotnego.

Filtry aktywne

Układ o charakterystyce selektywnej uzyskanej za pomocą wzmacniacza elektronicznego oraz obwodu (lub obwodów), RC nazywa się filtrem aktywnym. W filtrach aktywnych stosuje się oporowe wzmacniacze tranzystorowe złożone z elementów dyskretnych albo, (co jest na ogół korzystniejsze) wzmacniacze scalone prądu stałego.

W gałęzi sprzężenia zwrotnego filtru aktywnego stosuje się różnego typu obwody RC, które dzięki odpowiedniej zależności transmitancji od częstotliwości umożliwiają uzyskanie pożądanej charakterystyki filtru, a więc selektywnej, dolno lub górno-przepustowej. Charakterystykę selektywną filtru można uzyskać za pomocą dodatniego lub ujemnego sprzężenia zwrotnego układów z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Układów z dodatnim sprzężeniem zwrotnym używa się niechętnie, gdyż pracują one zwykle blisko granicy samo wzbudzeń, co może łatwo doprowadzić do generacji drgań układu przy zmianie parametrów dowolnego jego elementu. Układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym odznacza się lepszą stabilnością i dlatego są częściej stosowane. Obwody RC używane w filtrach aktywnych można podzielić w zależności od ich struktury lub przebiegu charakterystyk częstotliwościowych. Zasadnicze struktury stosowanych obwodów są następujące:

a) Obwody drabinkowe RC lub CR. Człony te są łączone łańcuchowo, przy czym tworzą się obwody 1-członowe, 2-członowe......

Rys. 3 Drabinkowe Obwody RC i CR: a) obwody RC, b) obwody CR, c/obwody RCCR.

b) Obwody typu T składają się z pojedynczych lub podwójnych czwórników T złożonych z elementów RC. Pojedyncze czwórniki T są zwykle bocznikowane pojemnością równoległą do rezystancyjnej gałęzi podłużnej lub rezystancyjną równoległą do pojemnościowej gałęzi podłużnej.

Rys. 4 Obwody typu T: a) pojedynczy bocznikowany pojemnością b) pojedynczy bocznikowany rezystancją c) podwójny T d) podwójny T zerowy

1. Opis ćwiczenia

Schemat blokowy do badania układu przedstawiono na rysunku 8, który będzie użyty to wszystkich punktów ćwiczenia.

Rys. 5. Schemat blokowy do badania układu wzmacniaczy selektywnego

1. Wyznaczenie częstotliwości środkowej f₀ i wartości wzmocnień dla poszczególnych układów wzmacniacza selektywnego.

Rodzaj układu	f0	Ku
	Hz	V/V
RC
LC
RLC

Do wyznaczenia f₀ i Ku należy ustawić Uwe = 50mV i następnie zmieniając częstotliwość sygnału wejściowego należy uzyskać największą wartość napięcia wyjściowego wzmacniacza. Częstotliwość, dla której na wyjściu pojawia się maksymalne napięcie wyjściowe jest częstotliwością środkowa wzmacniacza. Dokonać pomiaru napięcia wyjściowego a następnie obliczyć wartość wzmocnienia.

1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej Uwy = f(Uwe).

Połączyć schemat zgodnie z rysunkiem 5 a następnie ustawiając napięcie wejściowe, Uwe przy f = f₀ dokonać pomiaru napięcia wyjściowego. Wyniki zapisać w tabeli poniżej.

RC	Uwe [mV]
	Uwy [mV]
LC	Uwy [mV]
RLC	Uwy [mV]

1. Wyznaczanie charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej Ku = f ( f)

Z generatora podajemy sygnał na wejście układu o ustalonej wartości. Następnie zmieniamy częstotliwość podawaną z generatora do układu, Pomiary przeprowadzić przy różnych rodzajach filtrów aktywnych a wyniki zapisać w tabeli poniżej.

f [Hz]
Uwy [V]	RC
Ku [V/V]
Ku [dB]
Uwy [V]	LC
Ku [V/V]
Ku [dB]
Uwy [V]	RLC
Ku [V/V]
Ku [dB]

1. Opracowanie sprawozdania.

1. Dla wyznaczonej charakterystyki przejściowej określić napięcie wejściowe Uwe dla układu do wyznaczania charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej.

2. Dla wyznaczonej charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej zaznaczyć częstotliwość środkową f₀, pasmo przenoszenia dla 3dB i 20 dB.

3. Jaka powinna być rózniczy miedzy B a B₂₀, i jakie korzyści z tego wynikają?

4. Jak wpływają filtry aktywne na wzmocnienie wzmacniacza?

5. Jaki zastosowanie posiada wzmacniacz selektywny (podać przykłady)?