Автоматика и электроника

Разделив левую и правую части последнего соотношения на амплитуду входного напряжения, после преобразований получим выражение для комплексного коэффициента усиления усилителя с обратной связью:. Отметим, что модуль коэффициента передачи цепи ОС, как правило, меньше единицы, так как с выхода усилителя на вход достаточно подать только часть выходного напряжения. Поэтому цепь ОС выполняется с использованием пассивных элементов, играющих роль делителей выходного напряжения.

В зависимости от схемной реализации усилителей и цепи обратной связи коэффициенты и могут быть как положительными, так и отрицательными. Из анализа выражения (2.7) следует, что в этом случае обратная связь может приводить как к увеличению, так и к уменьшению коэффициента усиления усилителя.

Если ОС обусловливает увеличение коэффициента усиления, то ее называют положительной обратной связью (ПОС). Если же обратная связь ведет к уменьшению коэффициента усиления, то ее называют отрицательной обратной связью (ООС).На практике наиболее часто в усилительной технике используется отрицательная ОС, так как она стабилизирует работу усилителя при изменении параметров радиоэлементов, при воздействии температуры, вибраций и т.п. Ее часто применяют для увеличения или уменьшения входных и выходных сопротивлений усилителей.

17. Однократные и двукратные, трансформаторные и бестрансформаторные схемы. Их параметры, достоинства и недостатки

Трансформаторные усилители напряжения

В трансформаторных усилителях в коллекторную цепь транзистора включается первичная обмотка трансформатора. Ввиду малого сопротивления этой обмотки постоянному току (единицы или несколько десятков Ом) в режиме покоя, т. е. при отсутствии переменного входного сигнала, на ней создается небольшое напряжение, и напряжение коллектора практически равно напряжению -- G_K. Переменное входное напряжение создает переменную составляющую коллекторного тока и магнитный поток в сердечнике трансформатора.

Под действием магнитного потока в обмотках трансформатора наводятся переменные ЭДС с частотой сигнала.

Со вторичной обмотки переменное напряжение подается к нагрузке усилителя.

При использовании повышающего трансформатора в таком усилителе можно получить большее усиление, чем в резисторном.

Вследствие малого падения напряжения на первичной обмотке трансформаторный усилитель имеет по сравнению с резисторным большой КПД.

Кроме того, применение трансформатора позволяет во многих случаях получить хорошее согласование сопротивления нагрузки с выходным (внутренним) сопротивлением усилителя.

Недостатками трансформаторного усилителя являются его большие габариты и вес по сравнению с резисторным усилителем и уменьшение коэффициента усиления на низких частотах (меньших 50 Гц).

Бестрансформаторные усилители мощности

Как и в трансформаторном усилителе на базы транзисторов VT1 и VT2 необходимо подавать напряжения одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе, на 180°, т. е. противоположной полярности. Транзисторы VT1 и VT2 работают поочередно, и их коллекторные токи I_K1 и I_K2, протекая через нагрузку R_H, создают в ней переменное напряжение, совпадающее по форме с входным напряжением.

Недостатком данной схемы является наличие двух источников питания (G_K1 и G_K2) и отсутствие общей точки у входов транзисторов VT1 и VT2, что вызывает дополнительные трудности для создания переменных напряжений U_БЭ1 и U_БЭ1. Схему можно значительно упростить, если в качестве транзисторов VT1 и VT2 применить транзисторы с разными типами проводимости и близкими параметрами.

В этом усилителе входной сигнал поступает одновременно на базу транзистора VT1 типа р-n-р и на базу транзистора VT2 обратной проводимости (типа n-р-n). Начальное смещение на базы подается с резистора R2, входящего в состав делителя R1R2. Это смещение выбирается таким, чтобы напряжение эмиттеров (в точке а) равнялось половине напряжения источника питания G_K. Благодаря этому напряжение на конденсаторе С2 также равно половине напряжения G_K.

При синусоидальном входном напряжении в течение положительного полупёриода транзистор VT1 закрывается, его коллекторный ток I_K1 уменьшается до нуля, а транзистор VT2, наоборот открывается «сильнее». Закрывшийся транзистор VT1 отключает источник питания G_K от транзистора VT2. Роль источника питания транзистора VT2 в этом случае начинает выполнять конденсатор С2. Под действием его напряжения через транзистор VT2 и нагрузку ВА протекает коллекторный ток I_K2.

В отрицательный полупериод входного напряжения транзистор VT2 закрывается и его коллекторный ток I_K2 уменьшается до нуля. Транзистор VT1 открывается еще «больше» и его коллекторный ток протекает также через нагрузку, но уже в противоположном направлении. Таким образом, при синусоидальном входном напряжении через нагрузку протекает синусоидальный ток, создающий на ней напряжение синусоидальной формы.

В рассмотренной схеме бестрансформаторного усилителя из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзисторов на начальных участках усиление при малых входных напряжениях значительно уменьшается, что приводит к появлению искажений. При усилении напряжения синусоидальной формы в местах изменения полярности напряжения появляются небольшие горизонтальные участки, образующие как бы ступеньку между положительным и отрицательным полупериодами результирующего тока (или напряжения), протекающего через, нагрузку. Поэтому такие искажения получили название искажений типа ступеньки.

Для их уменьшения между базами транзисторов VT1 и VT2 включают резистор R3 с небольшим сопротивлением. За счет протекания по этому резистору тока делителя на нем создается небольшое напряжение, благодаря чему исчезают начальные нелинейные участки вольтамперных характеристик транзисторов и уменьшения усиления при малых входных сигналах не происходит. Для улучшений температурных свойств усилителя вместо резистора R3 включают полупроводниковый диод.

Подобрать пару мощных транзисторов р-n-р и n-р-n с одинаковыми параметрами гораздо труднее, чем пару транзисторов одного типа проводимости (оба р-n-р или n-р-n). В связи с этим часто бестрансформаторные усилители выполняют двухкаскадными.

В этой схеме VT1 и VT3 образуют составной транзистор p-n-p a VT2 и VT4 составной транзистор типа n-р-n. Транзисторы VT1 и VT2 рассчитаны на меньшую мощность, чем VT3 и VT4, поэтому их проще подобрать по параметрам. Нетрудно выбрать также транзисторы VT3 и VT4 с близкими параметрами, так как они оба p-n-p типа. На резисторах R4 и R5 создаются напряжения, которые подаются на эмиттерные переходы транзисторов VT3 и VT4 и задают необходимый режим работы выходных транзисторов. Изменяя сопротивления резисторов, можно добиться более полной симметрии плеч усилителя даже при значительных отклонениях параметров транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4.

Чаще всего это делается путем, подбора резистора R5.

18. Усилители постоянного тока. Принципы построения. Дрейф нуля в УПТ и методы его строения. Балансные схемы УПТ

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты.

Для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь между каскадами. Однако такая связь приводит к необходимости решения специфических задач:

согласование потенциальных уровней в соседних каскадах;

уменьшения дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Способы построения УПТ

Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики УПТ, является дрейф нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе УПТ от начального значения. Поскольку дрейф нуля наблюдается и при отсутствии сигнала на входе на входе УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.

К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля в УПТ, относятся:

нестабильность источников питания;

временная нестабильность ("старение") параметров транзисторов и резисторов;

температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов;

низкочастотные шумы;

помехи и наводки.

Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение усугубляется наличием гальванической связи между каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.

Поскольку температурные изменения параметров усилительных элементов имеют закономерный характер (см. подразделы 2.2 и 2.10), то они могут быть в некоторой степени скомпенсированы теми же методами, что и в усилителях гармонических сигналов.

Абсолютным дрейфом нуля называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного к входу усилителя:

.

Приведенный к входу дрейф нуля эквивалентен ложному входному сигналу, он ограничивает минимальный входной сигнал, т.е. определяет чувствительность УПТ.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ используются:

глубокие ООС;

термокомпенсирующие элементы;

преобразование постоянного тока в переменный, его усиление и последующее детектирование;

построение УПТ по балансной схеме.

УПТ прямого усиления, по сути, являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью.

В этом усилителе резисторы , и , помимо создания местных и общих цепей ООС, обеспечивают необходимое напряжение смещения в своих каскадах. В многокаскадном УПТ можно обеспечить требуемый режим транзисторов по постоянному току путем последовательного повышения потенциалов эмиттеров от входа к выходу, что обусловлено непосредственной межкаскадной связью "коллектор-эмиттер", потенциалы коллекторов тоже возрастают от входа к выходу. Возможно обеспечение режима каскадов УПТ путем уменьшения от входа к выходу, однако в том и другом случае следствием будет уменьшение коэффициента усиления УПТ.

В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. На практике полная компенсация дрейфа нуля не достижима даже для одной температурной точки, тем не менее, в УПТ с четным числом каскадов наблюдается его снижение.

В связи с тем, что данный УПТ имеет однополярное питание, на его входе и выходе присутствует некоторый постоянный потенциал, что не позволяет подключать низкоомные источник сигнала и нагрузку непосредственно между ними и общим проводом. В этом случае используется мостовая схема с включением и в диагонали входного и выходного мостов.

Для расчета частотных и временных характеристик УПТ с прямым усилением можно использовать материалы подразделов 2.5 и 3.3, а также подраздела 2.9 в случае построения УПТ на ПТ.

Для целей согласования потенциалов используют транзисторы различной проводимости, для лучшей температурной компенсации применяют диоды и стабилитроны. Применение двухполярного источника питания позволяет непосредственно подключать источник сигнала и нагрузку к УПТ, т.к. в этом случае обеспечены нулевые потенциалы на его входе и выходе.

УПТ с прямым усилением на основе непосредственной связи между каскадами и глубокими ООС позволяют получить при порядка десятков милливольт. В таких УПТ возникает проблема устранения паразитной ОС по цепям питания, ибо не представляется возможным применение обычных фильтров.

УПТ прямого усиления имеют большой температурный дрейф (составляет единицы милливольт на градус). Кроме температурного дрейфа в таких УПТ существенное влияние оказывают временной дрейф, нестабильность источников питания и низкочастотные шумы.

Отмеченные недостатки в значительной мере преодолеваются в УПТ с преобразованием (модуляцией) сигнала.

Входной сигнал постоянного напряжения преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного напряжения с помощью модулятора М, потом усиливается обычным усилителем гармонических сигналов У, а затем демодулятором ДМ преобразуется в сигнал постоянного напряжения . Поскольку в усилителях переменного тока дрейф нуля не передается от каскада к каскаду (из-за наличия разделительных емкостей между каскадами), то в данном УПТ реализуется минимальный дрейф нуля.

19. Операционные усилители. Характеристики и параметры. Примеры использования ОУ

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) -- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. Как правило, ОУ используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Классификация ОУ

· На полевых транзисторах

По области применения[

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

· Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример:LM324[1].

· Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Пример: AD707 [2] с напряжением смещения 15 мкВ.

· С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 [3] с входным током 6·10^-14 А.

· Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие -- взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.

· Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку.

· Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.

· Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Области применения

· Предусилители и буферные усилители звукового и видеочастотного диапазона

· Компараторы напряжения

· Дифференциальные усилители

· Дифференциаторы и интеграторы

· Фильтры

· выпрямители повышенной точности

· Стабилизаторы напряжения и тока

· Аналоговые вычислители

· Аналого-цифровые преобразователи

· Цифро-аналоговые преобразователи

· Генераторы сигналов

20. Избирательные усилители с RC и LC цепями. Характеристика и применение

Избирательные усилители подразделяются на: узкополосные с частотно - зависимой обратной связью, полосовые, нагрузкой которых является полосовой фильтр, и резонансные, нагрузкой которых является резонансный контур (частотно - избирательная нагрузка).

Таким образом, бывают избирательные LC-усилители и RC-усилители.

Избирательные LC-усилители

Коэффициент усиления резонансного усилителя

где - коэффициент усиления на резонансной частоте щ₀;

R_K0= pQ - сопротивление колебательного контура на резонансной частоте;

- характеристическое сопротивление контура;

Q - добротность контура.

С увеличением отклонения частоты Дщ от резонансного значения щ₀ коэффициент усиления резонансного усилителя быстро уменьшается.

Избирательные RC-усилители

21. Условия самовозбуждения генераторов. LC и RC генераторы. Принцип построения

Генератор сигналов -- это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).

Размещено на Allbest.ru