Расчёт и проектирование усилителей с ёмкостной связью

В некоторых случаях усиливаемый сигнал содержит переменную и постоянную составляющие, причём информативной является только переменная составляющая на фоне значительной постоянной. Усилить переменную составляющую с помощью УПТ невозможно, т.к. усилитель окажется в насыщении под действием постоянной составляющей сигнала. Для устранения постоянной составляющей между источником сигнала и входом усилителя включают разделительный конденсатор.

Возможны инвертирующая (рис.2.1) и неинвертирующая (рис.2.4) схемы включения ОУ.

2.1. Анализ инвертирующей схемы с ёмкостной обратной связью

Коэффициент усиления с обратной связью для схемы, приведенной на рис.2.1, будет носить комплексный характер и в области низких частот определяться выражением

(2.1)

Рис.2.1. Инвертирующий усилитель с ёмкостной связью

Модуль зависит от частоты и постоянной времени входной цепи в области низких частот

(2.2)

где - коэффициент усиления в области средних частот.

Эту зависимость называют амплитудно-частотной характеристикой, её строят в логарифмическом масштабе (рис.2.2) для области низких частот по уравнению

(2.3)

где - частота нижнего среза.

Рис. 2.2. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

инвертирующего усилителя с ёмкостной связью

Для удобства построения амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ)

аппроксимируют двумя прямыми:

первая (рис. 2.2) - участок 1, при

(2.4)

вторая - участок 2, при

(2.5)

Точке пересечения этих прямых будет соответствовать частота .

В области высоких частот зависит от частотных свойств операционного усилителя и определяется выражением

(2.6)

где - частота верхнего среза,

- частота единичного усиления.

При выражение (2.6) упрощается и принимает вид

(2.7)

Этому выражению соответствует участок 3 на рис. 2.2.

К основным частотным параметрам для широкополосных усилителей относятся коэффициенты частотных искажений в области низких частот :

(2.8)

и коэффициенты частотных искажений в области высоких :

. (2.9)

Входное и выходное сопротивления усилителя с ёмкостной связью определяется в области средних частот по выражениям (1.30) и (1.31).

Рис. 2.3. Эквивалентная схема по постоянному току усилителя с ёмкостной связью

Постоянное напряжение на выходе ОУ ограничивает динамический диапазон усиливаемого сигнала; если более , то вводят схему коррекции нуля ОУ, при меньших значениях можно сэкономить на подстроечном резисторе. Напряжение сдвига определим из эквивалентной схемы (рис.2.3)

Для уменьшения обычно выбирают , тогда при

. (2.10)

2.2. Анализ неинвертирующего усилителя с ёмкостной связью

В схему неинвертирующего усилителя с ёмкостной связью (рис. 2.4) входят: разделительный конденсатор ; резистор , который создаёт путь для протекания входного тока смещения ; резисторы и , которые задают коэффициент усиления , и конденсатор , который служит для уменьшения напряжения сдвига .

Рис. 2.4. Неинвертирующий усилитель с ёмкостной связью

Напряжение сдвига без конденсатора определяется по эквивалентной схеме (рис. 2.5,а) выражением

(2.11)

Рис. 2.5. Эквивалентная схема по постоянному току:

а - без конденсатора , b - с конденсатором

Если даже для уменьшения выбрать , то напряжение сдвига может оставаться весьма существенным:

(2.12)

Для уменьшения последовательно с резистором включают конденсатор . Эквивалентная схема по постоянному току приобретает вид, как показано на рис.2.5,b.

Выражение для можно получить в виде ,

а при

(2.13)

Коэффициент усиления с обратной связью неинвертирующего усилителя находится как

где первый сомножитель определяет коэффициент деления делителя, образованного конденсатором и резистором , а второй сомножитель определяет коэффициент усиления сигнала после делителя.

Модуль коэффициента усиления после преобразований получим в следующем виде:

(2.14)

где

(2.15)

(2.16)

(2.17)

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика неинвертирующего усилителя показана на рис. 2.6.

Для области средних частот ЛАЧХ описывается уравнением

,

которому соответствует участок 1 (рис. 2.6).

Рис.2.6. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

неинвертирующего усилителя с ёмкостной связью

Область низких частот аппроксимируется участками 2 и 3. Участок 2 для области частот описывается уравнением

и имеет наклон на декаду.

Участок 3 для области частот описывается уравнением

и имеет наклон на декаду.

В области высоких частот логарифмическая амплитудно-частотная характеристика строится так же, как для неинвертирующего усилителя (участок 4).

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя с ёмкостной связью в области средних частот определяется выражением (1.48).

Входное сопротивление равно параллельному соединению резистора и входного сопротивления неинвертирующего каскада (1.47), которое много больше . Следовательно, .

Коэффициент частотных искажений в области низких частот

, (2.18)

как видно из (2.16) и (2.17), зависит от ёмкости конденсаторов и .

2.3. Методические указания к расчёту усилителей с ёмкостной связью

Исходными данными являются схемы включения, марка операционного усилителя, рабочая частота усилителя и соответствующий ей коэффициент частотных искажений , коэффициент усиления в области средних частот , сопротивление источника входного сигнала .

Расчёт резистора производится из условий минимизации напряжения сдвига , которое определяется выражением

(2.19)

Принимая, что , найдём, что

Конкретные значения выбираются по таблице номинальных значений, в соответствии с рядом

E 12…E 24, но не более 1МОм.

Для уменьшения влияния входных токов смещения .

Затем рассчитывается и выбирается резистор :

Дата добавления: 2014-12-27