Исходные данные. 6 страница

Крутизна.

Отсутствие тока затвора делает основным параметром, характеризующим усиление ПТ- крутизну, отношение выходного тока к выходному напряжению: g_m=i_вых/Uвх.

Это отличие от рассмотренных БП транзисторов, где определяющим является коэффициент усиления по току i_вых/i_вх.

Крутизна может быть определена по характеристике Ic от Uси при переходе с одной кривой Uзи на другую.

Дифференциальные усилители (ДУ).

Можно использовать согласованные ПТ для построения входных каскадов с высоким полным входным сопротивлением. Хотя их дрейфовые характеристики- хуже.

Генераторы.

В генераторах практически везде можно применять ПТ. Причем в некоторых случаях это предпочтительно.

Истоковые повторители.

Истоковый повторитель (аналог эмиттерного повторителя) предпочитают в тех случаях когда нужно наряду с высоким входным сопротивлением иметь большой коэффициент усиления в одном каскаде. Их часто применяют в качестве входных каскадов, которые в остальном решены на БП транзисторах. Их применяют как входные каскады в осциллографах, во входах конденсаторных микрофонах, рН- метрах, детекторах излучения заряженных частиц, биодетекторах.

В схемотехникке встречаются случаи, когда и последующий каскад должен иметь малый входной ток или вообще его не иметь. Пример тому- схемы "смещения и хранения" и пиковые детекторы, в которых конденсатор, запоминающий уровень напряжения, "сбросится", если вход последующего усилителя проводит слишком большой ток.

На рисунке показана в качестве примера простая переключательная схема на МОП- транзисторе, одна из тех, где используется высокое сопротивление затвора.

Показанный на схеме фоторезистор имеет при солнечном свете низкое сопротивление, а в темноте- высокое. Он образует часть резистивного делителя напряжения, непосредственно возбуждающего затвор транзистора (нагрузка делителя по постоянному току отсутствует!). Освещение включается, когда напряжение на затворе достигает величины, обеспечивающей ток стока, достаточный для включения реле. Заметим, что в течении времени, пока смещение затвора медленно нарастает, превысив пороговое значение, на МОП- транзисторе будет рассеиваться некоторая мощность, т.к. при он работает в линейном режиме.

Эту проблему устраняет схема на втором рисунке, где пара каскадно включенных МОП- транзисторов обеспечивает намного более высокий коэффициент усиления, чему способствует так же некоторая положительная ОС через резистор 10 МОм, этот резистор заставляет при достижении порога регенеративным образом опрокидываться.

Обратные связи

Отрицательная обратная связь (ООС)- это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приводит лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 году попытался запатентовать ООС. "К нашему изобретению отнеслись так же, как к вечному двигателю". Действительно, ООС уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику.

Чем глубже (сильнее) ООС, тем меньше внешние характеристики усилителя, зависящие от характеристик усилителя с разомкнутой ОС, и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС.

Цепь ОС может быть частотнозависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (усилители с частотной характеристикой). Есл же ОС является амплитудно- зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (например, логарифмический усилитель). Вообще говоря, тот параметр по которому вводится ОС, с ее помощью улучшается. Например, если для ОС использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получится хороший источник тока.

ОС может быть и положительной (ПОС), ее используют в различного рода генераторах. Вообще говоря, ПОС не так пользуются как ООС. В различных схемах на высоких частотах могут возникать нежелательные автоколебания, от которых бывает очень трудно избавиться.

А теперь рассмотрим несколько примеров ОС в операционных усилителях.

Операционный усилитель.

Операционный усилитель (ОУ)- это дифференциальный усилитель(ДУ) постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Прообразом ОУ может служить ДУ с двумя входами и несимметричным выходом, который изучали ранее, но реальный ОУ обладает более высоким коэффициентом усиления (обычно 10⁵-10⁶) и меньшим выходным импедансом. А так же допускает изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используются расщепленные источники питания + 12- + 15 В).

Промышленность выпускает сейчас сотни типов ОУ.

Условные обозначения применяемые для всех типов ОУ представлены на рисунке.

Входы обозначаются «+» и «-» и работают следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот. Символ (+) и (-) не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом. Эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется ООС). Во избежание путаницы входы лучше называть «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не входы «плюс» и «минус».

ОУ обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без ОС. Коэффициент усиления ОУ столь велик, что при наличии замкнутой ОС характеристики усилителя зависят только от схемы ОС.

Промышленность выпускает множество ОУ, которые имеют друг перед другом те или иные преимущества. Как правило, это микросхема, расположенная в цилиндрическом или прямоугольном корпусе. Особенное распространение получили схемы серии: 140УД, 553УД, зарубежные- LF411.

Важнейшие правила.

Правила, которые определяют поведение ОУ, охваченного ООС, заключаются в следующем.

Во- первых, ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько микровольт вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Отсюда первое правило: выход ОУ стремиться к тому, чтобы разность потенциалов между его входами была равна нулю. Это не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на входе. ОУ «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход так, что в результате разность напряжений между входами становиться равной нулю (если это возможно).

Во- вторых, ОУ потребляет очень небольшой входной ток (LF411 потребляет 0.2 нА). Правило второе: входы ОУ ток не потребляют.

Основные схемы включения ОУ.

Инвертирующий усилитель.

Рассмотрим схему.

1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, а согласно правилу 1, потенциал точки А так же равен потенциалу земли.

2. Это означает, что:

а) падение напряжения на резисторе R₂ равно Uвых, б) падение напряжения на резисторе R₁ равно Uвх.

3. Воспользовавшись правилом 2, получим Uвых/R₂=-Uвх/R₁ или коэффициент усиления по напряжению равен: Uвых/Uвх=-R₂/R₁.

Позже узнаем, что чаще всего точку В лучше заземлять не непосредственно, а через резистор.

Для того, чтобы понять как работает обратная связь, представим себе, что на вход подали некоторый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации примем, что резистор R₁=10 КОм, а резистор R₂=100 КОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равным нулю. Что произойдет? Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0.91 В. ОУ фиксирует рассогласование по входам и напряжение на его входе начинает уменьшаться. Изменения продолжаются до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения - 10 В, в этот момент потенциалы входа ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на входе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти. Как определить входной импеданс схемы? Оказывается, очень просто. Потенциал точки А всегда равен 0 В (мнимое заземление, или квазинуль сигнала). Следовательно Zвх=R₁.

Схема, которую рассмотрели, называется инвертирующим усилителем.

Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, выходной импеданс равен долям ома.

Этот недостаток устраняется в схеме неинвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель.

Проанализируем эту схему.

U_А=Uвх.

Напряжение U_А=UвыхR₁/(R₁+R₂).

Если U_А=Uвх, то коэффициент усиления равен К=Uвых/Uвх=1+(R₂/R₁).

Это неинвертирующий усилитель.

В приближении входной импеданс такой схемы бесконечен (для ОУ LF411 он составляет 10¹² Ом).

Выходной импеданс, как и в предыдущей схеме равен долям Ома. Эта схема представляет собой усилитель постоянного тока.

Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рисунке. Для приведенной схемы Кu=1+(R₃/R₂)=10.

Усилитель переменного тока.

Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления сигналов постоянного тока до 1, особенно, если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению.

Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного «приведенного ко входу напряжения сдвига». Обратите внимание, что конденсатор должен быть достаточно большим.

Несмотря на высокий входной импеданс, к которому всегда стремятся разработчики, схеме неинвертирующего усилителя не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Дело в том, что схема инвертирующего усилителя не предъявляет столь высоких требований к ОУ и, следовательно, обладает несколько лучшими характеристиками. Кроме того, если рассматриваемая схема подключена к выходу другого ОУ, то величина входного импеданса для нее безразлична- это может быть и 10 кОм и бесконечность, т.к. в любом случае предыдущий каскад будет выполнять свои функции.

Повторители.

Здесь представлен повторитель, подобный эмиттерному, на основе ОУ. Он представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, у которого сопротивление резистора R₁ равно бесконечности, а R₂=0 (коэффициент усиления равен 1).

Существуют специальные ОУ, которые используются только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном, более высоким быстродействием). Усилитель с единичным коэффициентом усиления иногда называют буфером, т.к. он обладает развязывающим свойством, т.к. обладает большим входным и малым выходным импедансом.

Источники тока.

Здесь изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения U_БЭ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря ООС, на инвертирующем входе поддерживается напряжение Uвх, под действием которого через нагрузку протекает ток I=Uвх/R.

Основной недостаток схемы в том, что нагрузка является плавающей, не заземлена.

Источники тока для заземленной нагрузки.

С помощью ОУ и подключенного к нему транзистора можно построить высококачественный и простой источник тока с заземленной нагрузкой.

Обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное Uкк-Uвх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток, а следовательно и выходной ток, равный I_Э=(Uкк-Uвх)/R.

При работе с этой схемой не приходиться беспокоится о напряжении U_БЭ и его изменениях, связанных с изменением температуры, Iк, U_КЭ и т.п.

Источник тока Хауленда.

Если резисторы подобраны так, что выполняется соотношение R₃/R₂=R₄/R₁, то можно показать, что справедливо равенство Iн=-Uвх/R₂. Эта схема хороша, кроме одного: резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. Кроме того, при больших выходных токах резисторы должны быть небольшим, тем самым ограничивается выходной диапазон нагрузок.

Дифференциальный усилитель.

Uвых= .

На рисунке представлена схема ДУ, коэффициент усиления которого равен R₂/R₁. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами для получения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Коэффициент усиления ДУ будет равным единице, этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом).

Суммирующий усилитель.

представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка Х имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен (U₁/R)+(U₂/R)+(U₃/R), отсюда Uвых=-(U₁+U₂+U₃). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того входные резисторы необязательно должны быть одинаковыми. Если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму.

Например, схема может быть на четыре входа, на каждом из которых напряжение равно +1 или 0 В, входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2.5 и 1.25 кОм, то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу в вольтах, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифроаналогового преобразователя, правда на входе обычно используют несколько иную схему, так называемую резисторную сетку R-2R.

Предусилитель для электронного звукоснимателя.

Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIAA представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид, с другой стороны электронный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах.

Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рисунке.

График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную относительно значения коэффициента усиления 0 Дб при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в частотах.

Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до 1, в противном случае он был бы равен 1000.

Как упоминалось ранее, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току. «Золотой» для данной схемы является ОУ типа LM1028, которая в 13 Дб раз «тише», чем любая другая.

Усилитель мощности (бустер).

Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель. В примере использован инвертирующий усилитель, но повторитель можно подключить к любому ОУ.

Обратите внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера, следовательно, ОС определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения U_БЭ.

Нелинейные схемы.

Активный выпрямитель.

Если амплитуда сигнала меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно- резистивной схемы нельзя. Как правило, для выпрямления таких сигналов прибегают к помощи ОУ и помещают диод в цепь обратной связи. Для положительного напряжения Uвх диод обеспечивает ООС, выходной сигнал за счет диода повторяет сигнал на входе, причем исключается влияние падания напряжения U_БЭ. При отрицательном напряжении Uвх ОУ переходит в режим насыщения и напряжение Uвых становится равным потенциалу земли. Для получения меньшего выходного импеданса (при нуле на выходе) можно взять резистор R с меньшим сопротивлением, но это ведет к увеличению выходного тока ОУ. Лучше всего использовать на выходе схемы повторитель на ОУ так, как показано на рисунке пунктиром. При этом выходное сопротивление будет очень небольшим независимо от величины сопротивления R.

Избирательный усилитель.

Избирательным усилителем называется схема, имеющая максимальный коэффициент передачи в узоц полосе частот вблизи fо. За пределами этой узкой полосы пропускания коэффициент усиления резко спадает к нулю. Выделение одной гармоники из сигнала сложного гармонического состава бывает необходимым при исследовании физических процессов, при управлении многими объектами.

Широко применяются избирательные усилители в связи: с помощью настройки избирательного усилителя на несущую частоту передатчика осуществляется частотная селекция полезного сигнала. Избирательные усилители позволяют выбирать нужные сигналы при передаче нескольких сообщений по одному каналу связи. В последнее время наибольшее распространение получили избирательные усилители на базе ОУ.

Если в цепи ОС использовать RС- цепь коэффициент передачи и фазовый сдвиг, который зависит от частоты, можно обеспечить требуемую зависимость коэффициента передачи избирательного усилителя от частоты.

В качестве частотозависимых цепей применяют различные RС- цепочки, например схему моста Вина. При подаче на вход усилителя несинусоидального напряжения Uвх(t) частоты fо на входе получим синусоидальный сигнал fо. На частотах, отличных от fо, коэффициент передачи моста Вина мал и можно считать, что сигнал на прямом входе ОУ Uпос=0.

На частоте fо коэффициент передачи моста Вина максимальный. Через мост Вина на вход ОУ подается сигнал ПОС, который резко увеличивает коэффициент усиления схемы по сравнению с коэффициентом усиления на частотах отличных от fо.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ.

Общие сведения.

Электронным генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.

Электронные генераторы гармонических колебаний нашли широкое применение в промышленной электронике. Их используют в приборах для контроля состава и качества различных веществ, установках для высокочастотного нагрева металлов, сушки и сварки диэлектриков, химической обработки изделий и т.д. Эти функциональные устройства являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем.

Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.

В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низкочастотные (0.01-100 кГц), высокочастотные (0.1-100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц). По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением. Последний вид генераторов называют автогенераторами. Генераторы с независимым внешним возбуждением являются, по существу, усилителями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов.

Электронные генераторы могут работать в любом из режимов А,В или С, но обычно в них используется режим С ввиду возможности получения наибольшего КПД.

Условия самовозбуждения генераторов.\

На рисунке приведена структурная схема автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи . Коэффициенты усиления усилителя и обратной связи являются комплексными числами, зависящими от частоты. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др. Звеном обратной связи являются частотно- зависимые цепи: LC-контуры и RC- четырехполюсники.

Если считать, что напряжения Uвх и Uвых близки к синусоидальным, то стационарный устойчивы режим в автогенераторе, при котором амплитуды Uвх и Uвых имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:

К =1 (1)

Это равенство следует из соотношений:

, и Uвых=КUвх, (2)

следовательно,

Uвых= Кuвых.

Выражение (1) можно представить в виде:

, (3)

где и - модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи, а и - аргументы этих коэффициентов.

Равенство (3) выполняется при следующих условиях:

(4)

или

(5)

Равенство (4) называется условием баланса амплитуд, а равенство (5)- условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или числу np (где n=2,4,6…), что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи.

Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питиания автогенератора. Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (4) должно удовлетворять этому соотношению.

Процесс возникновения колебаний в автогенераторе рассмотрим на примере следующего устройств (см.рис. а):

LC- автогенератор: а- схема; б- возникновение колебаний в автогенераторе; в- амплитудная характеристика усилителя.

В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком. Звеном обратной связи является катушка L, включенная в стоковую цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой L резонансного контура LC. Первоначально колебания в автогенераторе возникают из- за флуктуации тока в транзисторе, колебательном контуре.
УСИЛИТЕЛИ СРЕДНЕГО ТОКА.

ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

В нагрузке усилителя в ряде случаев должно быть получено среднее выпрямленное значение тока, величина которого зависит от величины и фазы напряжения сигнала. Такие усилители называют усилителями среднего тока. Они применяются как усилители к реле и другим электромагнитным механизмам.

В отличии от рассматриваемых далее фазочувствительных усилителей, в усилителях среднего тока полярность выходного напряжения не меняется при изменении полярности входного сигнала.

Питание коллекторной цепи усилителя среднего тока осуществляется пульсирующим или выпрямленным напряжением. Входное напряжение может быть постоянного или переменного тока.

Управление средним током усилителя можно производить несколькими способами:

1)изменением величины напряжения постоянного тока на входе,

2)изменением амплитуды переменного входного напряжения той же частоты, что и питающее напряжение,

3)изменением фазы переменного входного напряжения относительно питающего напряжения,

4)комбинированием перечисленных ранее методов.

Рассмотрим работу транзисторного усилителя среднего тока по схеме ОЭ, питаемого пульсирующим напряжением от двухполупериодного выпрямителя (см.рис.)

На вход усилителя подается переменное напряжение от вторичной обмотки входного трансформатора. Когда напряжение на базе отрицательно относительно эмиттера, транзистор открыт и в цепи коллектора (нагрузки) протекает ток Iк. В следующий полупериод транзистор закрыт положительным напряжением на базе и ток в нагрузке определяется тепловым током Iкэ_с, имеющим при нормальной температуре небольшую величину. Таким образом, форма тока в нагрузке аналогична форме тока в однополупериодном выпрямителе (рис.б).

Дата добавления: 2015-05-06