Zespół Szkół Nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat ćwiczenia: Badanie wzmacniaczy szerokopasmowych.

Rok szkolny 2002/2003

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.

1. Wiadomości ogólne.

Termin wzmacniacz szerokopasmowy obejmuje układy, których bezwzględna szerokość pasma (F_g - F_d) 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 F_g rzędu kilkuset kHz - tzn. są stosunkowo małe. Małe wartości F_g są rezultatem optymalizacji wzmocnienia napięciowego układu, a nie częstotliwości granicznej. Częstotliwość F_g może być znacznie zwiększona przez dobór odpowiednich rezystancji R_g 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 F_g 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.

2. Parametry

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:

U_max - amplituda impulsu

U_osc - amplituda oscylacji

U_z - zwis

t_o - czas opadania

t_n- czas narastania

3. Kompensacja częstotliwości

1. Korekcja w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego

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 R_D. Rezystor ten jest częściowo zblokowany do masy dla napięć zmiennych przez rezystor R_D i kondensator C_E zmniejszając to ujemne sprzężenie zwrotne. Poszerzenie pasma tego wzmacniacza polega na włączeniu przy pomocy zwory kondensatora C_D. 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 R_D i L. Część napięcia wyjściowego jest podana na bazę tranzystora. Wielkość tego sprzężenia jest zależna od wielkości reaktancji szeregowo połączonych elementów R_D i L. Dla niskich częstotliwości reaktancja cewki L jest mała i wzmocnienie układu jest małe, ponieważ występuje wówczas duże ujemne sprzężenie zwrotne. Dla wysokich częstotliwości reaktancja cewki jest duża, przez co ujemne sprzężenie zwrotne jest małe i wzmocnienie wzmacniacza rośnie. Kondensator C_D oddziela wysokie napięcie stałe kolektora od niższego napięcia stałego bazy tranzystora (separuje składową stałą). Zwora służy do włączenia korekcji pasma przenoszenia od strony wysokich częstotliwości.

Analogiczny do poprzedniego jest układ przedstawiony powyżej. Tak samo zastosowane jest tu ujemne sprzężenie zwrotne napięciowo równoległe zrealizowane na rezystorach R_D1 i R_D2. Wielkość tego sprzężenia a zatem i wzmocnienie wzmacniacza zależy od wartości tych rezystancji. Włączenie kondensatora R_D powoduje, że dla częstotliwości średnich i dużych zwarty jest rezystor R_D2, przez co ujemne sprzężenie zwrotne jest głębsze a wzmocnienie wzmacniacza jest mniejsze. Dla niższych częstotliwości reaktancja kondensatora C_D wzrasta i rośnie reaktancja gałęzi sprzężenia zwrotnego. W wyniku tego maleje wartość ujemnego sprzężenia zwrotnego maleje a wzmocnienie wzmacniacza rośnie. Jest to, więc korekcja pasma przenoszenia wzmacniacza od strony niskich częstotliwości.

2. Korekcja w obciążeniu

Zwiększania wzmocnienia dla określonej częstotliwości, a tym samym poszerzenia pasma, można dokonać zwiększając wielkość impedancji obciążenia w kolektorze tranzystora. Wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie impedancja w obwodzie kolektora powodując zwiększenie wzmocnienia w zakresie wyższych częstotliwości, lub odwrotnie tzn. wraz z maleniem częstotliwości rośnie reaktancja obciążenia kolektora i rośnie wzmocnienie wzmacniacza.

Powyższy rysunek przestawia układ korekcji pasma od strony wysokich częstotliwości poprzez włączenie w obciążenie kolektora dodatkowej cewki L. Dla niskich częstotliwości reaktancja cewki jest mała i je wpływ na wielkość impedancji obciążenia jest niewielki i wzmocnienie wzmacniacza jest mniejsze. Gdy częstotliwość rośnie, rośnie także reaktancja obciążenia kolektora i wzrasta wzmocnienie wzmacniacza. Jest to więc korekcja pasma częstotliwości od strony wysokich częstotliwości. Należy pamiętać, że włączenie zwory powoduje zwarcie cewki, czyli wyłączenie korekcji.

Podobną zasadę korekcji częstotliwości przestawia rysunek powyżej. W tym układzie mamy korekcję pasma przenoszenia od strony niskich częstotliwości. Dla średnich i wysokich częstotliwości kondensator C_D zwiera punkt A do masy dla prądów zmiennych, przez co wyłącza rezystor z obciążenia tranzystora. Dla niskich częstotliwości reaktancja tego kondensatora jest duża i stanowi on przerwę. Wówczas rezystancja obciążenia zwiększa się z R_C2 do wartości R_C1 + R_C2­ i zwiększa się jego wzmicnienie.

2

3

2

Badanie wzmacniaczy szerokopasmowych.

9

Przygotowanie teoretyczne.

---