Усилители сигналов на транзисторах (для МК)
Сигналы, поступающие от датчиков, как правило, имеют малую амплитуду, недостаточную для непосредственной обработки в МК. Требуются входные усилители напряжения. Простейшие из них строятся на маломощных транзисторах общего применения. Их конкретные названия и частотные свойства особой роли не играют. Это связано с тем, что параметры современных кремниевых транзисторов примерно одинаковы у разных фирм-изготовителей, а быстродействие — на порядок-два выше, чем может обработать МК.
На Рис. показаны схемы входных транзисторных усилителей. При большом уровне сигналов они превращаются в формирователи прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронтов.
Рис. 3
а) диоды VDI, VD2ограничивают входной сигнал по амплитуде. Цепочки RI, CI и R3, L1 служат для коррекции фронтов сигнала. Чувствительность 200 мВ, максимальная входная частота 10…30 МГц. Чтобы понизить частоту сигнала, вместо резистора R4ставят цифровой делитель;
б) резистором R1 плавно регулируется чувствительность. Допустимая частота до 1 МГц;
в) входной сигнал £/вх проходит через два противофазных канала на две линии МК;
Рис. 3.18. Схемы входных транзисторных усилителей (продолжение):
г) широкополосный усилитель с диапазоном частот 30 Гц… 100 МГц. Входное сопротивление не менее 1 МОм на частоте 1 кГц, чувствительность 75 мВ;
д) усилитель напряжения С.Чекчеева. Особенности: высокая линейность и низкий уровень гармоник. Коэффициент усиления определяется числом последовательно включённых диодов, в данном случае Ку = 4;
е) широкополосный усилитель-ограничитель. Чувствительность 50 мВ, диапазон частот до 40 МГц. Для ВЧ-сигналов (более 1…5 МГц) на входе МК надо ставить цифровой делитель;
ж) аналогично Рис. 3.18, д, но коэффициент усиления определяется числом последовательно включённых транзисторов, в данном случае Ку = 3;
з) элементы RI, R2, С1…C3 корректируют АЧХ в области низких и высоких частот. Резистором R3 выбирается оптимальная рабочая точка транзистора VT1. Диод VD1 — защитный;
Рис. 3.18. Схемы входных транзисторных усилителей {продолжение):
и) транзисторы VT2, VT3 включены по схеме «токовое зеркало». Диоды VDI, VD2 ограничивают входной сигнал по амплитуде «сверху» и «снизу». Диод VD3отсекает шумы и помехи;
к) дифференциальный импульсный усилитель на транзисторах VTI, VT2
л) на вход МК поступает усиленный аналоговый сигнал и цифровая последовательность (U[iX2). Элементы С1, С2, R4, R5, VD1 служат для развязки каналов;
м) усилитель с простейшим полосовым фильтром на транзисторе VT1. Конденсатор С1 «срезает» амплитуду сигналов на низких, а конденсатор С2 — на высоких частотах;
н) через резистор RI подаётся питание +5 В на внешнее устройство, подключаемое к разъёму XS1. ВЧ-сигнал от внешнего устройства усиливается транзистором VTI. Входное сопротивление со стороны разъема XS1 по высокой частоте составляет примерно 100 Ом (это номинал резистора /?/), при этом условно считается, что конденсатор С1 по переменному току закорочен; О
Рис. 3.18. Схемы входных транзисторных усилителей (окончание):
о) транзистор VTI находится в режиме отсечки и открывается только положительной полуволной входного сигнала. При больших номиналах элементов R2, С2 и высокой частоте приёма, на входе МК будет постоянно удерживаться НИЗКИЙ уровень (детектор наличия сигнала);
п) транзисторный усилитель с повышенным входным сопротивлением (определяется резистором /?5и параметром h2]3 транзисторов VTI, VT2). Резистором RI задаётся чувствительность.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)
5.5. ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
В практике физического эксперимента, в радиолокации, в радиотелеметрии, телевидении приходится усиливать импульсные сигналы и непрерывные сигналы сложной формы. Импульсные усилители предназначены для усиления быстро изменяющихся непрерывных сигналов и импульсов. Эти усилители называются еще широкополосными, так как предназначены для усиления сигналов со сложным спектром, имеющих широкий спектр частот. Нижняя частота спектра может составлять единицы-десятки герц, а верхняя – единицы-десятки, а иногда сотни мегагерц. Такие усилители используются, в частности, в электронных осциллографах для наблюдения импульсов наносекундной длительности. Для усиления импульсных сигналов можно использовать
-каскады с соответствующей полосой пропускания.
При анализе работы импульсных усилителей удобно использовать временной анализ, связанный с определением переходных характеристик усилителей. Выражение для переходной характеристики
— каскада имеет вид:, (5.53)
Где:
— крутизна транзистора; — сопротивление коллекторной (стоковой) нагрузки; — постоянная времени в области низких частот— постоянная времени в области высоких частот.
В начальный момент действия входного импульса
и 1. Выражение для переходной характеристики будет иметь следующий вид:. (5.54)
Напряжение на выходе усилителя вместо скачка напряжения будет экспоненциально нарастать с постоянной времени
. При этом форма выходного напряжения будет иметь вид, представленный на рис. 5.22.
Рис. 5.22
.Форма выходного напряжения в начальный момент времени
В более поздней стадии, когда
, и переходная характеристика будет иметь вид:. (5.55)
Выходное напряжение будет уменьшаться экспоненциально с постоянной времени
. Форма выходного напряжения будет иметь вид, показанный на рис. 5.23.
Рис. 5.23
. Форма выходного напряжения в стадии
Постоянные времени
и определяют вид переходной характеристики. Искажения прямоугольных импульсов можно определить из нормированной переходной характеристики:. (5.56)
Основные искажения импульсов будут определяться длительностью фронта и сколом вершины. Длительность фронта определяется временем изменения напряжение от уровня 0,1 до уровня 0,9 своего установившегося значения. Для момента времени
, когда напряжение на выходе достигает уровня 0,1 установившегося значения, имеем: (5.57)
Отсюда:
. (5.58)
Для момента времени
, когда напряжение на выходе достигает уровня 0,9 установившегося значения, имеем: (5.59)
Отсюда:
. (5.60)
Длительность фронта импульса будет равна:
(5.61)
Таким образом, длительность фронта импульса зависит от постоянной времени нагрузочной цепи
— каскада, которая равна. Длительность фронта при этом равна:. (5.62)
При усилении импульсных сигналов искажается также и вершина импульса. Эти искажения проявляются в виде скола вершины (рис.5.24). Для удобства изображения рисунка считаем, что коэффициент усиления равен 1.
Рис.5.24.
Искажения прямоугольного импульса на выходе усилителя
Скол вершины импульса
Есть относительное изменение напряжения на интервале длительности импульса. Скол вершины связан с длительностью импульса и с постоянной времени переходной цепи — каскада Следующим образом:. (5.63)
Таким образом, длительность фронта импульса на выходе усилителя отражает искажения при усилении высоких частот, а скол вершины – искажения при усилении низких частот в спектре импульсного сигнала.
Для импульсных усилителей, предназначенных для усиления видеосигналов, высокие требования предъявляются к линейности фазовой характеристики, поскольку форма усиливаемых сигналов определяется также ее линейностью.
Share 0
Tweet
Share 0
Share
Share
Share
