Методична розробка

Питання для самоконтролю

Питання для самоконтролю

1. Чим пояснюється необхідність примінення двохтактних вихідних каскадів?

2. Для чого призначенні резистори Rб` Rб``?

3. Що називається режимом роботи А, В, АВ?

4. Перерахуйте вимоги до підсилювачів потужності.

5. Назвіть класи роботи однотактного і двохтактного підсилювача.

6. Поясніть роботу схеми в (2, с. 112).

7. Поясніть роботу схеми в (2, с. 113).

8. Поясніть роботу схеми на мал. 4.19 а, с. 115 (2).

9. Які переваги безтрансформаторних вихідних схем?

7.Література для самостійної роботи

1. А.К. Криштафович, В.В. Трифонюк. Основы промышленной електроники. М. Высшая школа, 1985.

2. Б.С. Гешунский Основи електроніки і мікроелектроніки.

3. І.П. Жеребцов Основи електроніки.

8.Методичні вказівки.

Однотактні і двотактні підсилювачі потужності - це вихідні (кінцеві) каскади підсилювачів. По [2, с. 111] познайомтеся з вимогами до підсилювачів потужності і їхніх показників, вивчіть режими і класи роботи.

Схема однотактного підсилювача потужності [2, с. 112] зібрана по схемі ЗЕ. Усвідомте призначення елементів, клас роботи, викривлення і фізичні процеси в схемі.

Двотактний підсилювач потужності (2, с. 113) працює в класі АВ або В. Усвідомте призначення елементів зміщення на бази і переваги двотактної схеми в порівнянні з однотактною.

Безтрансформаторні вихідні каскади на транзисторах різної структури з застосуванням на вході операційного підсилювача показані на схемах мал. 4.19 і 4.20 (2). Необхідно вивчити роботу цих схем.

Багатокаскадні підсилювачі з трансформаторним зв'язком

В таких підсилювачах зв'язок між каскадами здійснюється за допо­могою трансформаторів. Звичайно, первинна обмотка вмикається у вихідне струмове коло транзистора попереднього каскаду, а вторинна обмотка - до входу наступного каскаду або безпосередньо до наван­таження. У першому випадку маємо справу з підсилювачем напруги, у другому - з підсилювачем потужності.

Структурна схема підсилювача зображена на мал.1.

TV1 TV2

Мал. 1 - Двокаскадний підсилювач з трансформаторними зв'язками

У цій схемі перший каскад - підсилювач напруги, другий - підсилю­вач потужності

Використання трансформатора надає такі переваги:

- підвищується загальний коефіцієнт підсилення як за напругою, так
і за струмом;

- забезпечуються умови максимальної передачі потужності за ра­хунок узгодження вихідного опору каскаду з опором його навантажен­ня (R вих.= R_н).

Недоліки: підвищуються маса і габарити схеми, погіршуються частотні влас­тивості підсилювача. Крім того, в наш час трансформатор є не технологічним виробом: технологія виробництва трансформаторів карди­нально відрізняється від технології виготовлення інших вузлів під­силювача

Найширшого розповсюдження трансформаторні підсилювачі зна­ходили до недавнього часу як підсилювачі потужності. Будуються вони за однотактною або двотактною схемами.

1

Схема однотактного трансформаторного підси­лювача потужності наведена на мал. 2

У колекторне коло транзистора VT1 увімкнено первинну обмотку транс­форматора TV І, вторинна обмотка якого підімкнена до навантаження R.

Коефіцієнт трансформації n=w₁/w₂, де w_], w₂ - кількість витків первинної та вторинної обмоток відповідно.

Призначення решти елементів те ж саме, що і в попередніх схемах.

Мал.2– Однотактний трансформаторний підсилювач потужності

Мал. 3.-Двотактний трансформаторний підсилювач потужності

Підсилювач складається з двох однотактних каскадів, виконаних на транзисторах VT1 і VT2. Параметри транзисторів повинні бути прак­тично однаковими. Трансформатор TV І призначений для подачі на вхід підсилювача двох напруг U_вх1 та U_вх2, рівних за величинами, але зсуну­тих за фазою на 180 ел. град. Трансформатор TV2 узгоджує вихід підси­лювача з навантаженням, тобто забезпечує виконання умови передачі максимальної потужності. Резистори R₁, R₂ призначені для створення режиму спокою (в режимі класу АВ) для обидвох транзисторів.

Цей підсилювач може працювати у класі В або АВ. У трансформа­тора TV2 стале підмагнічування відсутнє, оскільки по одній його напівобмотці постійний струм тече в одному напрямку, а по другій - у протилежному, причому І_ок1,=І_ок2.

Розглянемо роботу підсилювача за наявності U _вх1.

Якщо полярність U_вх1 відповідає вказаній на схемі без дужок, тран­зистор VT2 закритий, a VT1 працює в режимі підсилення. При цьому в колекторному колі VT1 з'являється підсилена на півхвиля струму, яка через верхню первинну напівобмотку трансформатора TV2 передається до навантаження.

При полярності U_вх1 вказаній у дужках, транзистор VT1 закритий, a VT2 знаходиться у режимі підсилення під дією U_вх2 Напівхвиля стру­му, що протікає у колекторному колі VT2, має протилежний напрямок

Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення

Безтрансформаторні вихідні каскади підсилення якнайширше вико­ристовують як у складі ІМС, так і в дискретному виконанні. Схему такого каскаду, виконану на однотипних транзисторах п-р-п типу, наве­дено на мал. 4.

Мал4. Безтрансформаторний каскад

Транзистор VT2 і наван­таження R_h утворюють кас­кад з СК, a VT3 і R_h - кас­кад з СЕ. Сигнали, що підсилюються, надходять на входи транзисторів VT2, VT3 із зміщенням за фазою на 180 ел. град.: одержання двох протифазних напруг забезпечує фазоінверсний каскад на транзисторі VT2. Транзистори VT2 і VT3 поперемінно відкриваються позитивними півперіодами, зумовлюючи протікання в навантаженні змінного струму. Живлення такого каскаду можливе і від однополярного джерела. У такому випадку навантаження підмикається через конденсатор вели­кої ємності.

Останнім часом широко використовують каскади підсилення, побу­довані на транзисторах різного типу провідності - на комплементарних парах транзисторів

Мал.5- Найпростіший каскад підсилення

Схема найпростішого такого каскаду наведена на мал. 5. Кожен з тран­зисторів разом з наванта­женням тут утворює схе­му з СК.

Працює каскад у ре­жимі класу В, який відзна­чається значними не­лінійними викривленнями при підсиленні гармоній­них сигналів.

Характерна особливість такої схеми: для неї не потрібен фазоінверсний каскад.

При цьому за відсутності вхідного сигналу че­рез обидва транзистори протікає невеликий струм спокою (наскрізний струм), а через навантаження не протікає.

Оскільки в цих схемах обидва транзистори увімкнені відносно навантаження як емітерні повторювачі, то вони досить просто узгоджуються з низькоомним опором навантаження і к.к.д. при цьому досить високий.

Мал.6. - Безтрансформаторний каскад

№11, 12

Навчальна дисципліна Основи промислової електроніки та МПТ

Спеціальність Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств іцивільних споруд

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА для позааудиторної самостійної роботи

До теми: Підсилювачі постійного струмУ. Операційні підсилювачі

1. Навчальна мета:

Ознайомити студентів з призначенням, принципом дії підсилювачів постійного струму.

2. Студент повинен знати: - Особливості побудови підсилювачів постійного струму. Методи зниження "дрейфу нуля".

- двохтактні підсилювачі постійного струму на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні.

- Підсилювачі на лінійних інтегральних схемах. Диференціальні підсилювачі на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні.

3. Студент повинен вміти: -побудувати схеми диференціальних підсилювачів на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні;

-визначати параметри диференціальних підсилювачів на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні;

4.Базові знання, необхідні для засвоєння теми:

Дисципліни	Знати	Вміти
ТОЕ	Теорію еленктричного кола	Вираховувати значення струму, напруги, потужності.

5.Орієнтовна карта роботи з літературою:

№	Навчальні завдання	Вказівки до завдання
1.         3.     4.	Особливості побудови підсилювачів постійного струму. Методи зниження "дрейфу нуля".   Однотактні і двохтактні підсилювачі постійного струму на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні. Підсилювачі на лінійних інтегральних схемах. Диференціальні підсилювачі на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні.	І с, 137...163); (2, с. 118...142), (3. с. 122...139), (6, с. 283...295     Л – 1. ст. 261 мал.13.20     Л – 1. ст. 261 - 263     Л – 1. ст 263 - 266

1. Перерахуйте особливості ППC.

2. Що називають "дрейфом нуля." ППС?

3. Назвіть методи зниження "дрейфу нуля" ППС.

4. Поясніть роботу схеми однотактного ППС (2,с. 120).

5. Поясніть роботу схеми ППC паралельного балансу (2.с. 122).

6. Поясніть роботу схеми ДП (2. с. 124).

7. Поясніть роботу схеми ДПГ (2, с. 127).

8. Які властивості ОП?

9. Поясніть роботу схеми ОП (2, с. 134). 10 Поясніть роботу схеми на с. 141 (2).

7.Література для самостійної роботи:

Забродин Ю.С.Промышленая електроника. -М.:Высшая школа, 1982.

Криштафович А.К.. Трифонюк В.В, Основи промышленной електор-оники. -М.: Высшая школа, 1985.

Основи промислової електроніки. Під ред. Герасимова В.Г.-М.:Вища школа, 1986.

Атаржанян Т.М. Интегральные микросхемы. - М.: Энергоиздат, 1983.

Князев А.Д.Элементы теория и практика обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Ра-диосвязь, 1984.

Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. - К., Высшая школа 1989.

Колонтаєвський Ю., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник/За редакцією А.Г.Соскова- К: Каравела,2007.-384с.

8 Методичні вказівки

У підсилювачах постійного струму (ППС) нижня границя смуги пропускання відповідає f=0, тому в міжкаскадних зв'язках не можуть бути трансформатори і ємності, а застосовується тільки гальванічний зв'язок, але при ньому відбувається зміщення рівня вихідної напруги при відсутності вхідної напруги - це дрейф нуля. Дрейф нуля зменшується стабілізацією джерела живлення, введенням негативного ЗС і застосуванням балансових ППС.

Спочатку розгляньте однотактний ППС ([2, с, 120]) з безпосереднім зв'язком між каскадами; з'ясуйте призначення елементів, зміщення на бази, особливо зміщення на базу Т2.

Однотактні ППС легко виконують мікромодулями (2, с. 121, мал. 4.26б), наприклад, підсилювач ДО1ВУС181А-Д.

Двохтактний підсилювач постійного струму (балансовий, мостовий), паралельний із симетричними входами і виходами, показаний на мал. 4.27, с. 122 [2]. Значне зниження дрейфу нуля досягається в балансових ППС, виконаних на інтегральних схемах, тому що параметри транзисторів, виконаних одним технологічним процесом і в тих самих умовах, майже ідеально ідентичні (2, с. 123).

Підсилювачем на інтегральних схемах є диференціальний підсилювач (ДП). На його вхід подається різний (різнополярний) сигнал ДП на біполярних транзисторах представлений у (2. с. 124). Необхідно вивчити його роботу. На мал. 4.29а, с. 127 2 приведена повна принципова схема ДП. використана при конструюванні монолітних інтегральних мікросхем типу 1УТ221А-Д.

Операційні підсилювачі (ОП), їхні загальні принципи роботи розгляньте в [2, с. 129-130], а основні їхні властивості в [2, с. 130-132].

Необхідно розглянути принципову схему інтегрального ОП типу 140УД1 (с. 134 (2)), призначення каскадів, дію зворотніх зв'язків і включення, що інвертує, ОП (2, с. 135).

Як спеціальний підсилювач на біполярному транзисторі розгляньте підсилювач на с. 141 (2).

Підсилювачі постійного струму.

Диференціальні підсилювачі на біполярних транзисторах і в інтегральному виконанні.

Загальні відомості

У вимірювальній техніці широко застосовують пристрої, що мають назву датчиків. Вони є перетворювачами неелектричних величин в елек­тричні, часто - в напругу постійного струму, їх вихідна напруга про­порційна таким неелектричним величинам, як температура, тиск, освіт­леність. Рівень вихідних напруг датчиків невеликий, з часом вони малозмінні або взагалі незмінні. Для підсилення таких сигналів ви­користовуються підсилювачі постійного струму (ППС).

Особливість АЧХ ППС полягає у тому, що нижня гранична частота діапазону підсилювальних сигналів дорівнює нулю. Отже, є можливість підсилен­ня сигналів постійного струму.

Схемотехнічно це забезпечується відсутністю розділяючих конден­саторів або трансформаторів між джерелом струму, каскадами і на­вантаженням. Тобто, ППС є підсилювачем з безпосередніми зв'язками.

Наявність розділяючих елементів, які забезпечують розділення за постійним струмом і зв'язок за змінним, надавала ту перевагу, що ре­жим і-го каскаду за постійним струмом не впливає на роботу інших каскадів, джерела сигналу або навантаження.

У підсилювачах з безпосереднім зв'язком вплив дестабілізуючих факторів (наприклад, змін з часом температури або напруги живлення) на режим спокою каскаду призводить до того, що навіть за відсут­ності вхідного сигналу на виході підсилювача може з'являтися напруга, яка навантаженням буде сприйматися як результат підсилення деяко­го вхідного сигналу. Це явище має назву дрейфу нуля ППС.

Дрейф нуля обумовлюється зміною вихідної напруги за зазначений проміжок часу при відсутності вхідного сигналу

де U_{др мах}, U_{др міп}. - відповідно максимальне та мінімальне значення вихідної напруги за зазначений проміжок часу;

К_u - коефіцієнт підсилення.

Для зменшення дрейфу в ППС застосовують елементи термостабілізації, запроваджується жорстка стабілізація напруги живлення та, найчастіше, використовують спеціальні балансні схеми.

ППС будуються на основі чотириплечого моста з паралельним балансом, схема якого наведена на мал. 7.3.

Тут U₁₂ = 0 при Е_дж -0,

якщо

мал. 1 Чотириплечий міст

Напруга на виході мосту не за­лежить від змін напруги живлення чи від пропорційних змін параметрів. На мал. 7.3 зображена найпростіша схема балансного підсилювача

Мал2- Балансний підсилювач ППС

Він складається з двох каскадів на транзисторах VT1 і VT2. Параметри елементів обох каскадів повинні бути практично одна­ковими (в тому числі і транзисторів, що досить важко виконати):

R₁⁼ R₁;

Навантаження R_н вмикається між колекторами транзисторів.

Підсилювач являє собою чотириплечий міст, де роль резистора R₁ ви­конує R_K], R₂ - опір транзистора VT1, R₃- R'_Kl, R₄ - опір транзистора VT2.

Якщо вхідний сигнал відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю (коли схема абсолютно симетрична). Дрейф нуля практично у 20 30 разів менший, ніж у підсилювача з безпосередніми зв'язками, оскільки визначається різницею І_ок1 та І_ок2.

За наявності вхідного сигналу з полярністю, що вказана на мал. 7.3, транзистор VT1 трохи відкривається, його колекторний струм зростає, а транзистор VT2 пропорційно закривається і його колекторний струм зменшується. Внаслідок цього на навантаженні R_h з'являється напру­га розбалансу.

ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ

Функціональні можливості операційних підсилювачів

Операційний підсилювач(ОП) — це багатокаскадний підси­лювач із двома входами: прямим і інвертувальним (диференційним входом) і одним виходом, схемне зображення якого подане на мал.3 Основною його характеристикою є великий коефі­цієнт підсилення за напругою (К _u.on ).

До структури ОП (мал.6.8) входять вхідний симетричний диференційний каскад (зменшує дрейф нуля і має два входи: інвертувальний (u_вх1) і неінвертувальний, або прямий (u_вх2)), несиметричний диференційний каскад (здійснює підсилення сигналу) й емітерний повторювач (забезпечує потужність вихідного сигналу). ОП характеризуються великим вхідним опором (R_вх) і малим вихід­ним опором (R_вих 0). До основних параметрів ОП відносять:

К_u — коефіцієнт підсилення за напругою;

К_p —коефіцієнт підсилення за потужністю;

U_{вих.макс} — максимальне значення вихідної напруги;

f_н — нижню граничну частоту сигналу, що підсилюється;

R _вх— вхідний опір;

R_вих — вихідний опір.

а) б)

Мал.3. Графічне позначення (а) та передатні характеристики ОП (б)

Мал.4. Структурна схема ОП

Важливою для ОП є передатна характеристика u_вих. =f(u_вх) (мал.3, б). Оскільки підсилювач має два входи (прямий та інвертувальний), то ця характеристика відображає роботу ОП при поданні сигналу на кожний вхід окремо. Горизонтальні ділянки характеристи­ки відповідають режиму відкритого або закритого стану транзистора вихідного каскаду. При цьому величина вихідного сигналу обме­жується максимальним значенням напруги на виході ОП додатного (U) чи від'ємного (U) значення, яка досягає (0,9 0,95) напруги живлення. На цих ділянках зміна вхідного сигналу не буде викликати зміни вихідного сигналу, тобто напруга на виході буде за­лишатись сталою.

На похилих ділянках характеристики величина вихідної напруги буде визначатися коефіцієнтом підсилення

У випадку наявності сигналів на обох входах ОП, його вхідна на­пруга визначатиметься алгебричною сумою напруг на цих входах

В цьому випадку

Під час розрахунку схем на базі ОП без великої похибки можна приймати, що

, де — коефіцієнт підсилення за напру­гою ОП без зворотного зв'язку. При використанні ОП в схемах ім­пульсної техніки важливим є значення вихідної напруги. Оскільки в імпульсній техніці рівні вхідних сигналів є більші за ті значення, які відповідають лінійній ділянці передатної характеристики, то вихідна напруга ОП визначається додатним або від'ємним

значеннями.

Аналогові схеми на базі ОП

Враховуючи, що ОП мають малий діапазон лінійного підсилення вхідного сигналу, то на практиці ці підсилювачі використовуються з ланками від'ємного зворотнього зв'язку. Це значно розширює діапазон підсилення, а також забезпечує регулювання величини вихідної на­пруги. Таким чином здійснюється масштабування вхідного сигналу.

Масштабні інвертувальні підсилювачі

У цьому випадку вхідна напруга подається на інвертувальний вхід ОП (рис.5), а вихідна напруга ОП u_вих. змінюється в протифазі до вхід­ної U_вх (у випадку синусоїдного сигналу фаза змінюється на 180°). В схемах таких підсилювачів від'ємний зворотній зв'язок реалі­зується через елемент R₂ на інвертувальний вхід ОП з метою зменшення коефіцієнта підсилення розімкненого ОП. Наявність такого зв'язку призводить до того, що завжди у стані рівноваги. Тоді, за другим законом Кірхгофа

Враховуючи, що і,відповідно

де передатний коефіцієнт ланки зворотного зв'язку ОП.

Необхідно відзначити, що коефіцієнт підсилення ОП зі зворотним зв'язком не залежить від частоти вхідного сигналу.

Мал.5 Масштабний інвертувальний підсилювач: а) схема; б) передатна характеристик.

Масштабні неінвертувальні підсилювачі

У цьому випадку вхідний сигнал подається на неінвертувальний вхід ОП, вихідна напруга u_вих. має такий самий знак як і вхідна, а зворотний зв'язок забезпечується через елемент R₂ на інвертувальний вхід ОП (мал.8.4).

Оскільки в цьому випадку, то за умови, що отримаємо,

, де.

Тоді коефіцієнт підсилення для такого підсилювача буде визначатись

(8.3)

Мал.6. Масштабний неінвертувальний підсилювач: а) схема; б) передатна характеристика

№13

Навчальна дисципліна Основи промислової електроніки та МПТ

Спеціальність Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств іцивільних споруд

для позааудиторної самостійної роботи

До теми: Генератори гармонійних коливань. Різновиди схем автогенераторів

1. Навчальна мета: Схеми, принцип роботи і основні розрахункові співвідношення LC і RC - автогенераторів гармонійних коливань на біполярних транзисторах і інтегральних схемах.

2. Студент повинен знати:

- LC - автогенератори на біполярних транзисторах і на операційному підсилювачі

-RC - автогенераторів гармонійних коливань на біполярних транзисторах і інтегральних схемах.

-Кварцова стабілізація частоти автогенераторів.

3. Студент повинен вміти:.

- Поясніть роботу LC - автогенератора, [2, с. 146].

- Поясніть роботу схем RC - автогенераторів [2, с. 150]

- Будувати схеми генераторів гармонійних коливань

4 Базові знання, необхідні для засвоєння теми:

Дисципліни	Знати
1.ТОЕ 2.Математика

5 Орієнтовна карта роботи з літературою:

№	Навчальні завдання	Вказівки до завдання
1.	Опрацювати матеріал за літературою та підготувати конспект за поданою літературою і переліком запитань з теми   Схема і принцип дії генератора гармонійних коливань із зовнішнім збудженням. Схеми, принцип роботи і основні розрахункові співвідношення LC і RC - автогенераторів гармонійних коливань на біполярних транзисторах і інтегральних схемах. Кварцова стабілізація частоти автогенераторів. Автогенератори гармонійних коливань на інтегральних мікросхемах.	ЛІ. с. 168... 175); Л.2, с. 146...152); ЛЗ, с. 161..174, Л6, с. 332...347)     Л.2, с. 146     Л.2, с. 148...150     Л. 2, с. 148...150   Л. 2. с. 150

6 Методичні вказівки з вивчення. В якості генератора гармонійних коливань із зовнішнім збудженням можна розглянути схему в [2, с. 141]. У залежності від призначення цю схему називають вибірковим (селективним) підсилювачем.

LC - автогенератори на біполярних транзисторах і на операційному підсилювачі в [2, с. 146]. Необхідно усвідомити призначення елементів у фізичні процеси в схемах. У (3, с. 159) представлена така ж схема з графіком виникнення "м'якого" збудження.

RC - автогенератори вивчіть по (2, с. 148...150), а схему на с. 150. Це RC - автогенератори з мостом Віна на біполярних транзисторах і мікросхемі. Схема RC - моста застосовується в генераторах низької частоти від 15...20 Гц до 100 кГц. Цю ж схему можна вивчити на мал. 7.8, с. 166 (3).

Стабілізація частоти автогенераторів викладена в (2, с. 150... 152). Тут застосований кварцевий резонатор - контур з високою добротністю, його еквівалентна схема зображена на мал. 5.6 а, с. 151 (2).

6.Питання для самоконтролю:

4. 1. Поясніть роботу LC - автогенератора, [2, с. 146].

5. 2. Поясніть роботу LC - автогенератора на операційному підсилювачі, 2, с. 146.

6. 3. Які принципи використовують при побудові автогенераторів низької частоти?

7. 4. Поясніть фазочастотну характеристику послідовно - паралельного фазуючого RC - кола, (2.с. 149).

8. 5. Поясніть роботу схем RC - автогенераторів [2, с. 150] і порівняйте їх між собою.

9. 6. Поясніть дестабілізуючі фактори частоти.

10. 7. Приведіть еквівалентну схему кварцового резонатора і назвіть його добротність.

11. 8. Поясніть роботу схеми кварцового автогенератора, [2, с.151].

7Література для самостійної роботи:

15. Забродин Ю.С.Промышленая електроника. -М.:Высшая школа, 1982.

16. Криштафович А.К.. Трифонюк В.В, Основи промышленной електор-оники. -М.: Высшая школа, 1985.

17. Основи промислової електроніки. Під ред. Герасимова В.Г.-М.:Вища школа, 1986.

18. Атаржанян Т.М. Интегральные микросхемы. - М.: Энергоиздат, 1983.

19. Князев А.Д.Элементы теория и практика обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Ра-диосвязь, 1984.

20. Б.С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. - К., Высшая школа 1989.

Колонтаєвський Ю., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка:

Тем а: Генератори гармонійних коливань

Дата добавления: 2014-01-05