Амплитудно-частотная характеристика

September 12, 2013 by admin Комментировать »

Для измерения амплитудно-частотных характеристик используются генератор и измеритель уровня сигнала или осциллограф. Генератор настраивается на различные частоты требуемого диапазона, и на каждой из них измеряются величины выходного сигнала. Полученные результаты изображаются в виде кривой, называемой частотным откликом или амплитудно-частотной характеристикой. На рис. 6.1 приведена схема измерения усиления в режиме с разомкнутой обратной связью (AOL) Для стандартного ОУ (CA3450 фирмы Harris). На рис. 6.2 изображена амплитудно-частотная характеристика (иногда называемая диаграммой Боде), измеренная в режиме с разомкнутой обратной связью. Здесь также показана зависимость угла фазового сдвига от частоты.

На рис. 6.3 приведена схема измерения усиления той же ИС в режиме с замкнутой обратной связью (непосредственное соединение выводов 3 и 6 для получения единичного коэффициента усиления или с использованием резисторов в цепи обратной связи, подключенных к выводам 3 и 6, для получения усиления по напряжению Ay, равного 10). На рис. 6.4 и 6.5 показаны частотные характеристики в режиме с замкнутой обратной связью для коэффициентов усиления 1 и 10.

Частота, при которой начинается уменьшение амплитуды выходного сигнала, называется точкой перегиба частотной характеристики. В технических условиях (паспортах, спецификациях) ИС усилителей указано, что точка перегиба частотной характеристики соответствует частоте, при которой происходит снижение выходного сигнала на 3 дБ по сравнению с его значением на плоском участке характеристики. На рис. 6.5 спад частотной характеристики начинается на частоте примерно 10 МГц, а спад на 3 дБ наблюдается на частоте порядка 20 МГц.

В ряде ИС усилителей предусмотрено подключение внешних корректирующих элементов (как правило, конденсаторов, но иногда встречаются и комбинации резисторов и конденсаторов). Цепи коррекции влияют как на положение точки перегиба частотной характеристики, так и на саму зависимость усиления от частоты.

Рис. 6.1.Схемо измерения усиления в режиме с разомкнутой обратной связью (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p. 2-217)

Пргшечание крис. Все конденсаторы развязки no питанию емкостью 0,1 и 0,001 мкФ – многослойные, керамические, бескорпусные. Развязывающийрезистор – 10 Ом, 0,25 Вт, – помеченный звездочкой и показанный на схемах включения усилителя, выполняет две задачи: обеспечивает развязку ИС непосредственно на выводах питания, подавляя возможные резонансные явления в источнике из-за параллельно включенных конденсаторов, и защиту в случае длительного режима короткого замыкания на выходе.

Рисб.2

Амплитудно-частотная характеристика (диаграмма Боде) для ИС CA3450 (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p.2-2l6)

В схеме на рис. 6.1 внешние корректирующие элементы не использованы. В схеме на рис. 6.3 внешний корректирующий конденсатор подключен к выводам 9 и 11. На графике (см. рис. 6.4) виден эффект влияния величины емкости конденсатора Сс на усиление и фазовый сдвиг. Многие усилительные ИС имеют внутренние

Рис 6.3. Схема измерения частотной характеристики в режиме с замкнутой обратной связью (Harris Semiconductor. Linear&Telecom IS’s, 1994, р. 2-218)

Рис6.4

Частотные характеристики при единичном усилении в режиме с замкнутой обратной связью (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p. 2-216)          

Риь&5

Чостотные характеристики при коэффициенте усиления по напряжению \ ш 10 в режиме с зомкнутой обратной связью {Harris Semiconductor. Linear &Telecom IS’s, 1994, p. 2-216)

корректирующие элементы, поэтому в таких ИС характеристики усиления и фазового сдвига в режиме с разомкнутой обратной связью не могут быть изменены путем внешней настройки.

Для измерения АЧХ необходимо обеспечить подачу входного сигнала со строго постоянной амплитудой и производить измерения выходного сигнала. Частота входного сигнала (при неизменной его амплитуде) должна меняться в пределах собственного рабочего диапазона частот усилителя. Затем следует нанести на график величину выходного напряжения для каждого значения частоты. Выполнение измерений производится в следующем порядке:

1. Собрать схему, изображенную на рис. 6.1 или 6.3. Следует иметь в виду, что приведенные на рисунках схемы рассчитаны на конкретный тип ИС. Однако они имеют абсолютно все необходимые элементы стандартной схемы проверки зависимости усиления от частоты. Тестовый сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход подключен к выходу (либо заземлен при проведении испытаний в режиме с разомкнутой обратной связью для некоторых ИС). На выходе должен быть получен усиленный неинвертированный сигнал, повторяющий форму входного. Вход и выход должны быть нагружены на определенную испытательную нагрузку (как правило, сопротивлением 50 Ом). Нагрузка, подключенная к входу, должна иметь такой же импеданс, что и источник сигнала, а к выходу должна быть подключена нагрузка с импедансом, равным импедансу измерительного прибора (например, осциллографа). Следует отметить, что характеристики усилителя будут меняться (иногда значительно) при изменении выходной нагрузки, а также параметров внешней цепи коррекции. Поэтому в тех случаях, когда реальная нагрузка сильно отличается от рекомендуемой в спецификации, нужно произвести испьггания усилителя с реальными величинами выходной нагрузки в дополнение к испытаниям с рекомендуемыми значениями. При этом может оказаться, что параметры ИС не будут удовлетворять требуемым по величине усиления или точке перегиба частотной характеристики.

Эти предварительные замечания относятся как к случаю проведения испытаний с корректирующими элементами, так и без них. Например, в схеме измерений на рис. 6.1 внешние корректирующие элементы не используются (нет подключений к выводам 9 и 11), а в схеме на рис. 6.3 имеется внешний конденсатор, подключенный к выводам 9 и 11. При сравнении графиков на рис. 6.2,6.4 и 6.5 видно, что характеристики зависимости усиления от частоты различаются в случае использования корректирующих элементов и их отсутствия. Например, усиление в режиме с разомкнутой обратной связью (рис. 6.2) составляет примерно 57 дБ на частоте 1 МГц, но падает почти до 10 дБ на частоте 100 МГц. При использовании внешних корректирующих элементов и резистора обратной связи, обеспечивающего усиление по напряжению, равное 20 дБ, график усиления по напряжению не имеет спада почти до 10 МГц, а затем спадает до 10 дБ на частоте 100 МГц.

2. Начинать проверку следует с установки частоты генератора на минимальную величину диапазона (например, 1 МГц для ИС усилителей). Затем нужно

установить амплитуду выходного сигнала генератора на необходимом уровне. При отсутствии сведений о необходимом уровне напряжения тестового сигнала для усилителя величина выходного сигнала генератора устанавливается исходя из практических соображений. Например: контролируя выходной сигнал усилителя и увеличивая амплитуду выходного сигнала генератора на частоте примерно равной середине рабочего диапазона (20-30 МГц для интегральных усилителей), нужно зафиксировать момент начала режима насыщения. Усилитель находится в режиме насыщения, если дальнейшее увеличение сигнала генератора не вызывает увеличения выходного сигнала (показаний измерительного прибора) либо вершины синусоидального выходного сигнала на экране осциллографа начинают уплощаться. Следует установить выходной сигнал генератора чуть ниже того значения, при котором начинается насыщение. Затем подключить осциллограф или измерительный прибор на выход генератора (вход схемы) и измерить величину напряжения. Входной сигнал необходимо поддерживать на этом уровне в течение всего времени проведения измерений.

При выполнении любых действий, связанных с изменением выходного напряжения, убедитесь в том, что его величина не превосходит ограничений, установленных для данной ИС. Как показано на рис. 6.6, размах выходного напряжения (от пика до пика) интегрального усилителя составляет примерно 5 В на частоте порядка 20 МГц.

Рис.6.6

Зависимость выходного нопряжения от частоты (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s,

1994, p. 2-217)        ______________

Если в режиме с замкнутой обратной связью усиление равно 10, а входной сигнал на частоте 20 МГц – 0,6 В, то выходное напряжение достигнет 6 В. Так как эти значения сигналов превышают допустимые для указанной микросхемы, то в результате возможно искажение формы выходного сигнала.

3.        Если проверяемая схема позволяет настраивать или управлять такими параметрами, как громкость, усиление, тембр (по высоким или низким частотам), баланс и т.п., то при начальном измерении амплитудно-частотных характеристик следует выбрать средние величины этих параметров, а затем, при необходимости, произвести повторные измерения при различных положениях органов регулировки. Хотя в рассматриваемом примере их нет, данная интегральная микросхема имеет возможность подстройки смещения нуля (выводы 1

и 16 на рис. 6.1). Если на дифференциальном входе ИС наблюдается разбаланс либо имеется смещение уровня в последующих каскадах схемы, выходной сигнал может быть ненулевым при нулевом сигнале на входе. Напряжение, подаваемое на выводы 1 и 16, может исправить эту ситуацию.

На рис. 6.7 приведена схема измерения частотной характеристики в режиме с разомкнутой обратной связью для другого типа ИС усилителя (CA3094A фирмы Harris), где используется подстройка смещения нуля. В этой схеме один из входов (вывод 3) имеет потенциал «земли», а напряжение, подаваемое на вывод 2, может регулироваться для установки нулевого начального уровня на выходе. Следует отметить, что ИС на рис. 6.7 является операционным усилителем с управляемым коэффициентом усиления.

Рис.6.7

Схема измерения частотной характеристики в режиме с разомкнутой обратной связью дифференциального усилителя с управляемым коэффициентом усиления (Harris Semiconductor. Linear & Telecom IS’s, 1994, p. 2-94)

Таблицаб.1. Зависимость управляющего тока смещения 1АВСот величины резистора RS

4.  При проведении измерений требуется внести полученное значение выходного напряжения в таблицу. Затем, поддерживая постоянной амплитуду выходного сигнала генератора, необходимо увеличить его частоту на некоторую фиксированную величину и занести в таблицу новое значение выходного напряжения. Шаг увеличения частоты генератора может быть произвольным и определяется прежде всего диапазоном рабочих частот ИС. Вполне приемлемым является шаг изменения частоты в 1 МГц между измеряемыми точками (при максимальном значении порядка 10 МГц). В частотном диапазоне свыше 10 МГц может быть допустим шаг изменения частоты 10 МГц. Естественно, что уменьшение шага изменения частоты позволит выявить ряд особенностей, в частности появление выбросов на частотной характеристике. Обратите внимание, что на графике зависимости усиления от частоты (рис. 6.4) наблюдается подъем характеристики в области частот от 100 до 200 МГц.

5.  После начального измерения АЧХ можно при необходимости определить влияние органов настройки и управления (если таковые имеются) на характеристику. Например, в НЧ усилителе органы управления громкостью и усилением оказывают одинаковое влияние в пределах собственного частотногодиапазона усилителя. Изменение уровня регулировки низких и высоких звуковых частот (тембра) может оказать определенное влияние на частотную характеристику во всем частотном диапазоне. Естественно, что влияние регулировки высоких частот больше проявится в высокочастотной части диапазона, тогда как регулировка низких частот окажет большее влияние в низкочастотной области.

6.  Необходимо учитывать, что амплитуда выходного сигнала генератора, как правило, изменяется с изменением частоты (факт, который иногда не учитывается при измерении амплитудно-частотных характеристик). Поэтому после каждого изменения частоты следует проверять амплитуду выходного сигнала генератора, так как очень важно, чтобы эта величина оставалась постоянной при измерениях во всем частотном диапазоне.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты