Wzmacniacz. Przyklady 8

Wzmacniacz. Przyklady 8

  Fotokomórka próżniowa została wynaleziona już w 1895 roku. Znalazła zastosowanie w nauce i urządzeniach automatyki m.in. do liczenia przedmiotów na taśmie produkcyjnej i automatycznego otwierania drzwi oraz w włącznikach zmierzchowych. Wadą fotokomórki jest bardzo mała jej czułość.

Wzmocnienie fotopowielacza mającego katodę jak fotokomórka rośnie z ilością powielających elektrony dynod i napięciem zasilania – może być ogromne do celów detekcji pojedynczych fotonów. Wadą fotopowielacza jest konieczny regulowany i bardzo stabilny zasilacz wysokiego napięcia. Czas narastania prądu wyjściowego w wykonaniach specjalnych fotopowielaczy może być mniejszy od 1 ns.

Czułość fotodiod także jest mała i do detekcji szerokopasmowej używa się fotodiody lawinowej. Jej wzmocnienie tak samo szybko rośnie z napięciem wstecznej polaryzacji. Wymagane jest regulowane ręcznie i automatycznie napięcie polaryzacji nawet ponad 200 V i konieczność użycia extra zasilacza jest podobną wada jak w przypadku fotopowielacza.

Wzmacniacz obrazu czyli „Image Intensifier” to przyrząd elektronowo - optyczny stosowany głównie w noktowizorach ale może też wzmocnić obraz dla zwykłej kamery telewizyjnej której czułość jest niewielka. Żołnierz w transporterze czy zamaskowany snajper ciemną nocą doskonale widzą pole walki. Zogniskowany na fotokatodzie obraz jest silnie wzmocniony ( do 50 000 razy ale szumy wtedy są duże ) na ekranie luminescencyjnym umieszczonym przed okiem obserwatora. Jak zawsze o czułości widmowej decyduje użyty materiał fotokatody. W noktowizorach materiał katody wybiera się tak aby obejmował promieniowanie widzialne i podczerwień do 900 nm. Luminofor jest z reguły zielony jako że oko ma tam blisko maksimum czułości.

Wzmacniacz obrazu nie jest trwały co w zastosowaniach militarnych praktycznie nie ma znaczenia. Przy oświetleniu o natężeniu 100 ulux trwałość katody wynosi 1000 godzin. „Image Intensifier” to albo sama lampa ważąca około 50 gram wymagająca zasilania 400-1000V automatycznie regulowanego stosownie do jasności sceny. Ekran wymaga napięcia przyspieszającego 6-8 KV. Moduł „Image Intensifier” zasilany z baterii ma przetworniczkę i elektronikę. Jest kompletny i nie potrzebuje żadnej dodatkowej elektroniki. Waży 400-600 gram i jest dużo droższy niż sama lampa.

Oczywiście w konstrukcji wymaganych regulowanych zasilaczy sporych napięć stosowane są wzmacniacze ale jak widać najlepiej aby też sam sensor miał wbudowane zjawiska dużego szerokopasmowego wzmocnienia.

Wszystkie wzmacniacze w ogólności mają trojakie zastosowanie

A.Wzmacniają sygnały z sensorów a w tym z anten

B.Są elementem systemu przetwarzania sygnałów

C.Wzmacniacze mocy dostarczają sygnałów organom „wykonawczym” a w tym antenom. Pasmo wzmacnianych sygnałów w energoelektronice jest wąskie ale moce zmierzają w kierunku 1 GW.

Wzmacniacze logarytmiczne z tranzystorami bipolarnymi mają trojakie zastosowanie.

A.Pozwalają najlepiej jak obecnie można razem ze wzmacniaczem operacyjnym JFet o bardzo małym prądzie polaryzacji wzmocnić bardzo słabe prądy z sensorów „elektrometrycznych”. Tranzystor zawsze pracuje w układzie z największą opornością wyjściową co jest korzystne z uwago na dryft i szum. Zbędny jest chimeryczny i szumiący rezystor o gigaomowych wartościach. Pasmo jest wąskie. Produkowane scalone wzmacniacze logarytmiczne i razem eksponencjalne ( najbardziej znany Intersil 8048 ) nie zyskały popularności z racji wysokiej ceny.

B.W układach nieliniowych do logarytmowania, mnożenia dzielenia, potęgowanie i generowania dość dowolnej funkcji nieliniowej. Pasmo z reguły też nie jest szerokie

C.Na końcu toru radiowego ostatniej częstotliwości pośredniej kompresują sygnał o bardzo dużej dynamice m.in. w radarze i Analizatorze Widma.

Zniekształcenia wprowadzane parą różnicową zależnie od potrzeb szacowane są na dwa sposoby.

-Przy małych zniekształceniach sygnał wejściowy pary jest nie większy niż kilka mV. Tangens hiperboliczny jest funkcją przejście pary różnicowej. Wykorzystując tylko kilka pierwszych wyrazów jego rozwinięcia w szereg potęgowy i wiedząc jak sinusoida jest zniekształcana przez funkcje z potęgami 3,5.. bardzo łatwo jest oszacować zniekształcenia. To jest łatwa i dość dokładna ścieżka do obliczeń we wzmacniaczach o małych i bardzo małych zniekształceniach.

-Przy dużych sygnałach ( czyli w temperaturze pokojowej KT/q >>26 mV) trzeba zniekształcony sygnał z wyjścia pary rozwinąć w szereg Fouriera. Współczynniki rozwinięcia są złożone ale wystarczy pobieżna znajomość wykresu pokazującego jak rosną a potem się stabilizują harmoniczne 1,3,5,7,9... Ładnie gładko rosną i stabilizuję się. Wzmocnienie pierwszej harmonicznej spada wraz z mocnym wysterowaniem. Mocno wysterowana para różnicowa jest dobrym ogranicznikiem dając przy mocnym wysterowaniu sygnał zbliżający się ku prostokątnemu.

Texas Instrument produkuje układ wzmacniacza logarytmicznego RF typu SN76502 o paśmie 40MHz wykorzystujący przesterowane pary różnicowe. Na schemacie pokazano połówkę układu. W lewej ćwiartce sygnał jest podany bezpośrednio do pary różnicowej T1, T2 a dzielnikiem 2.74 K i 590 Ohm ( z uwzględnieniem oporności wejściowej pary tłumienie wynosi 15 dB ) do drugiej pary różnicowej T3, T4. Zsumowane wyjścia dwóch par dają charakterystykę logarytmiczną z dokładnością 0.5 dB w zakresie 30 dB. Wyjścia wszystkich par są połączone równolegle i podane do nisko impedancyjnego punktu wzmacniacz wyjściowego T9, T10 w konfiguracji WB.

Aby z układem SN76502 uzyskać duży zakres dynamiczny konieczne są niestety dodatkowe zewnętrzne wzmacniacze. Ich konstrukcja jest bardzo trudna jako że musi być zachowana zgodność fazy bowiem sygnały są na koniec równolegle sumowane. Tak więc układ jest niedokończony. Jego rozbudowa wydaje się możliwa ale komplikacja silnie wzrośnie. Poza tym charakterystyka par różnicowych zależy od temperatury ale to jest mniejsza wada.

Rozwiązanie a daje dynamikę 60 dB, b - 40 db, c - 70 dB a dopiero d – 90 db.

Przesterowany tranzystor w konfiguracji WE ( także WB ) jest słabym ogranicznikiem. Wzrasta jego prąd pracy DC a wejściowa oporność i pojemność spadają co powoduje odkształcenie charakterystyki roztrajanego selektywnego filtru LC sterującego tranzystor ! W mniejszym stopniu odstrajany jest filtr wyjściowy LC.

Na wykresach pokazano jak zmieniają się parametry przesterowanego radzieckiego tranzystor RF KT339 i jak okropnie wygląda selektywność stopnia IF 10.7 MHz tranzystorowego przy sygnale 10 uV, 1 mV przy którym stopień jest zestrojony i 50 mV.

Normalna pentoda ( z odcięciem charakterystyki a nie regulacyjna do AGC z siatką o zmiennym skoku) w układzie ogranicznika najlepiej pracuje z małym napięciem siatki drugiej. Niestety też zmienia się prąd stały DC punktu pracy.

Przerwa. Zadanie:

„Belka tensometryczna” o trzech wyprowadzeniach ma dwa szeregowo połączone rezystory tensometryczne. Punkt wspólny rezystorów to nW a skraje to n+ i n-, gdzie n to numer belki. Przy nacisku rezystor „+ , W” zwiększa oporność a rezystor „–,W” zmniejsza oporność

Sztywny kwadratowy stół wagi ciężkich przedmiotów ma pod rogami cztery identyczne belki tensometryczne 1,2,3,4. Belka 1 ma zatem wyprowadzenia „1+,1W,1-” Narysuj schematy połączenia belek w mostki tensometryczne i uzasadnij matematycznie który mostek/mostki jest/są najmniej czułe na miejsce położenia ważonego przedmiotu na wadze. Czym mostki się różnią ? Chcemy aby pomiar był niezależny od miejsca położenia przedmiotu na kwadratowym stole wagi.

Genialny Edwin Armstrong ( później profesor ) opracował generator z niedawno odkrytą triodą - lampą elektronową, odbiór superheterodynowy w 1918 roku, odbiór supereakcyjny w 1922 roku, po czym od 1928 roku zajął się modulacją częstotliwości FM. W 1922 roku odkrywca modulacji jednowstęgowej SSB John Carson z AT&T dał analizę matematyczną tego że wąskopasmowa czyli z małą dewiacją w stosunku do częstotliwości sygnału modulującego, modulacja FM nie ma zalet nad modulacją amplitudy i jest gorsza. Natomiast analiza matematyczna modulacji z dużą dewiacją okazała się trudna. Drogą eksperymentów Armstrong odkrył że duża ( znacznie większa od częstotliwości sygnału ) dewiacja daje korzyści w obniżonych szumach przesyłu. Niestety rośnie też zajęcia pasma fal radiowych. W 1935 roku nadając na wysokich falach krótkich ( raczej początek UKF ) z modulacja FM z 85 piętra wieżowca w Nowym Yorku osiągał odbiór dobrej jakości w odległości aż 130 km. Mimo standaryzacji w USA radiofonia FM przed wojną nie zyskała popularności. Wojna opóźniła popularyzację radia UKF-FM dobrej jakości. Armstrong opracował dyskryminator fazy do odbiornika i idee demodulacji koincydencyjnej. W czasie wojny Armstrong opracował radar Dopplerowski z falą ciągła z modulacją FM. Stereofoniczne kodowanie MPX opracowane przez General Electric jeszcze bardziej spopularyzowało na świecie radio UKF-FM Stereo. W ZSRR jest stosowany inny system kodowania Stereo niż dominujący w całym świecie system MPX.

Współczynniki rozwinięcia w szereg Fouriera sygnału FM z sinusoidalnym sygnałem modulującym są funkcjami Bessela Jn pierwszego rodzaju, n - tego rzędu. Prążkowe widmo ma teoretycznie nieskończoną szerokość. Funkcje Bessela Jn są oscylacyjno – gasnące i stąd zmienność współczynników widma i użytek z rozkładu nie jest duży. Wykorzystując własności szeregów z funkcjami Bessela można udowodnić że ponad 99% energii widma sygnału zmodulowanego FM mieści się w paśmie df=2 x ( fm + F), gdzie F to dewiacja a fm częstotliwość sygnału. Przy radiowej dewiacji F=50 KHz i częstotliwości sygnału fm=15 KHz prawie (!) całość energii czyli >99% mieści się w paśmie 2 x ( 15 + 50 ) =130 KHz. Oczywiście widmo sygnału radiowego zmodulowanego FM sygnałem stereofonicznym MPX jest szersze.

Obcięcie filtrem nawet mniej niż 1% energii widma sygnału FM daje niestety zniekształcenia nieliniowe i to trudne do oszacowania.

Gęstość widma mocy radiofonicznego sygnału FM tylko trochę przypomina krzywą dzwonową Gaussa.

Preemfaza i deemfaza mają polepszyć stosunek Sygnał Szum S/N w całym torze.

Nielinowa faza filtrów pośredniej częstotliwości IF ( rola filtra wzmacniacza RF tunera jest marginalna ) powoduje dodatkową niechcianą modulacje FM co skutkuje nieliniowymi zniekształceniami harmonicznymi ! Dopiero zastosowanie m.in. filtrów ceramicznych dało w radiu i odbiorniku TV dobry dźwięk FM.

Filtry w IF nie mają idealnie płaskiej amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej i różnie tłumią harmoniczne w widmie sygnału FM co skutkuje niechcianą pasożytniczą modulacja amplitudy AM. Bez jej usunięcia pojawią się duże zniekształcenia nieliniowe przy demodulacji. Aby ją usunąć przed demodulatorem konieczne jest ograniczenie sygnału i tym samym eliminacja pasożytniczej modulacji AM.

W scalonym wzmacniaczu IF - FM kaskada par różnicowym stopniowo ładnie ogranicza sygnał i eliminuje pasożytniczą modulacje AM. Tłumienie modulacji AM może przekroczyć 45-60 dB co jest zupełnie wystarczające.

Jedno tranzystorowy ogranicznik zmienia w miarę amplitudy ograniczanego sygnału swoją oporność i pojemność wejściową. Nie powinien być sterowany z filtra pasmowego współ – tworzącego selektywność toru IF ( wykres wcześniej ) bo go rozstraja. Powinien być najlepiej sterowany aperiodycznie. Toteż w wysokiej jakości tranzystorowych tunerach UKF-FM na wyjściu pierwszego nie przesterowanego stopnia wzmacniacza IF dano 5-7 obwodowy filtr LC o skupionej selektywności i dalej stopnie z dopasowującymi impedancje obwodami LC o niewielkiej dobroci tak by ich rozstrajanie przez przesterowane stopnie nie deformowało charakterystyki filtru IF. W Polsce tych rozwiązań nie zastosowano przechodząc od razu na filtry ceramiczne. Przeskoczyliśmy jeden stopień rozwoju.

Modulacja częstotliwości FM stosowana jest w

-radiofonii UKF - FM

-telewizji do kodowania fonii

-do kodowania różnicowych sygnałów kolorów w systemie TVC Secam

-radiotelefonii

-radioliniach mikrofalowych do przesyłu telefonicznego sygnału nośnego i sygnału telewizyjnego

-radioliniach satelitarnych

-telewizji satelitarnej

-magnetowidach do zapisu sygnału luminancji

-rejestratorach wolnych sygnałów analogowych na magnetofonowej taśmie magnetycznej

-radarach dopplerowskich

-modemach telefonicznych 1200 bits/sec

-radiomikrofonach

Częstotliwość generatorów LC z modulacją FM dawniej modulowano triodą w konfiguracji reaktancyjnej a później diodą pojemnościową. Gdy głębokość modulacji jest bardzo dużą stosuje się symetryczny tranzystorowy generator bez obwodu LC. Wadą takiego generator są względnie duże szumy. Zaleta możliwość scalenia także w pętli fazowej PLL.

Demodulatorami FM są:

-Dyskryminator fazy i jego wariacja w postaci detektora stosunkowego mająca pewną niewielką zdolność tłumienia pasożytniczej modulacji AM

-Detektor kwadraturowy

-Pętla regulacji fazowej PLL której idea detekcji FM może mieć najlepsze własności szumowe

-Proste detektory liczące – impulsowe gdzie zróżniczkowany kondensatorem sygnał prostokątny FM podany jest do diodowego podwajacza napięcia z wyjściowym filtrem.

Scalony detektor kwadraturowy co do idei jest odgrzanym kotletem. Tuż po wojnie produkowano specjalnie dla niego lampy z dwoma siatkami sygnałowymi ale został wyparty przez dyskryminator fazy.

Zastosowanie w scalonym detektorze kwadraturowym „filtru pasmowego” zamiast pojedynczego obwodu LC daje radykalne obniżenie wprowadzanych zniekształceń nieliniowych.

W pętli fazowej PLL pracuje generator. Najlepsze byłoby scalone rozwiązanie bez zewnętrznych elementów LC. Generatory bez obwodów LC mogą startować i być zatrzymane w dowolnym momencie co wykorzystywane jest w konstrukcji przyrządów. Mogą pracować do częstotliwości circa Ft/5

Na schemacie ( HP ) pokazano bramkowany generator sprzężony emiterowo w technice quasi ECL pracujący do częstotliwości 1 GHz. Użyto w nim tranzystorów o Ft=5 GHz. Niezwykłe jest w nim przestrajanie diodami pojemnościowymi.

Generator taki można scalić w ECL ale ze znacznie mniejszym przesunięciem poziomu ( na przykład wtórnikami emiterowymi o Ube ) niż diodami Zenera 6V i mniejszymi prądami. Takie diody Zenera wybrano prawdopodobnie dlatego są stabilne termicznie, mało szumią i mają małą rezystancje dynamiczną. Diody Zenera na mniejsze napięcia mają marne właściwości. Generatory emiterowe generalnie łatwiej jest przestrajać źródłami prądowymi o zmiennej wydajności.

Mankamentem generatorów bez obwodów LC są ich duże szumy. Generator na zakres UKF szumi. Generator na zakres 10.7 MHz w PLL demodulatora FM ( schemat początkowy z książki ) szumi za mocno. Demodulator ładnie działa ale za mocno szumi czyli na razie jest bezużyteczny. Niemniej udoskonalenia autora mocno zmniejszyły szumy. Zatem trzeba jeszcze trochę potu wylać.

W radarze impulsowym odebrany sygnał odbity zależy od wielkości przedmiotu i jego współczynnika odbicia fal i szybko maleje wraz z odległością.

W odbiornikach radarów stosowano 4-5 szerokopasmowych stopni wzmocnienia IF początkowo wziętych z odbiorników TV. Na wyjściu każdego stopnia dano diodowy detektor ( sygnał nazywany jest Video ) a ich wyjścia zsumowano osiągając w dużym zakresie siły sygnału echa w przybliżeniu charakterystykę logarytmiczną. Przy słabym sygnale nawet ostatni stopień wzmacniacza IF pracował liniowo. Przy wzroście sygnału stopniowo nasycał się stopień ostatni, przedostatni i tak dalej. Takie samo rozwiązanie stosowano w Spectrum Analyzer. Oczywiście w finalnym, ostatnim torze IF.

Ogólnie najbardziej użytecznym przyrządem pomiarowym w elektronice jest oscyloskop. W dziedzinie komunikacji radiowej jego odpowiednikiem jest Analizator Widma.

Początkowo radar miał na wyjściu niewygodną lampę oscyloskopową ale szybko zastosowano specjalną lampę o dość dużym ekranie pokazującą w obrazie uzyskiwane echo wraz z obrotem anteny radaru. Kąt obrotu wygodnie mierzono i użyto w wyświetlaczu resolverem ( synchro ) czyli selsynem. Mankamentem była m.in. energożerność wzmacniaczy sterujących lampą radarową.

W takim systemie przetwarzaniem sygnału i podejmowanie decyzji zajmuje się człowiek. Ale już w amerykańskich systemach przeciwlotniczych z 1944 roku radar współpracował z analogowym komputerem – przelicznikiem ( dane podawał też człowiek ) a szybko wypracowany sygnał drogą radiową zdalnie podano do automatycznych armat przeciwlotniczych nastawianych serwomechanizmami. System skutecznie zestrzeliwał niemieckie a potem japońskie samoloty.

Otoczony chmarą mniejszych jednostek lotniskowiec o potężnej sile uderzeniowej z bardzo silną obroną przeciwlotniczą a nawet przeciwrakietową jest niemożliwy do zniszczenia. Flota lotniskowców USA daje im projekcje siły na wszystkie oceany i morza na Ziemi.

Zatem idea skomputeryzowanego radaru została zrealizowana zanim pojawiły się komputery cyfrowe i wiadomo było od razu w jaką stronę pójdzie (i poszedł ) rozwój systemów radarowych. Wyprostowany sygnał Video ze wzmacniacza logarytmicznego podano do bardzo szybkiego przetwornika A/D i zapisywano do pamięci RAM. Aby dane ze współrzędnych polarnych radaru można było przedstawić we współrzędnych X-Y na normalnym kineskopowym monitorze komputerowym konieczna jest przy odczycie danych transformacja współrzędnych. Nie jest ona specjalnie trudna. Mając dane w pamięci RAM szybki komputer może je wydajnie przetwarzać posiłkując się wyspecjalizowanym hardwarem. Wypracowane dane na bieżąco można zapisać na dysku i archiwizować na taśmie magnetycznej.

Na dużym lotnisku natężonym ruchem samolotów radiotelefonami VHF sterują „kontrolerzy ruchu” oczywiście posługując się wzrokiem do obserwacji płyty lotniska i samolotów, radarem na lotnisku i mając bieżące dane z radaru pogodowego. Ale można założyć że omylnego, zestresowanego człowieka niedługo zastąpią algorytmy realizowane przez komputery. Na początek algorytmy mając dane z radarów i decyzje kontrolerów ( na razie głosy pilotów może rozpoznawać tylko człowiek ) mogą wypracować sygnały ostrzeżeń i bezpieczne rekomendacje. Pierwszym i jak dotychczas ostatnim samolotem w którym zautomatyzowano start, lot i lądowanie jest Lookhead L1011. Ale automatyzacja prędzej czy później zatriumfuje.