Источники тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

В ряде случаев при разработке усилителей возникает необходимость применения источников стабильного тока (ИТ), обеспечивающих ток в нагрузке, который не зависит от параметров последней. Для обеспечения стабильности тока в нагрузке внутреннее сопротивление идеального источника тока должно быть бесконечно большим и много больше внутреннего сопротивления нагрузки. ИТ может быть представлен как источник ЭДС с последовательно подключенным бесконечно большим сопротивлением. Для выполнения этих условий необходим высоковольтный источник напряжения. К примеру, чтобы изготовить ИТ, отдающий в нагрузку ток 10 мА и обладающий внутренним сопротивлением 1 Мом, понадобится источник ЭДС 10 кВ. Мощность, рассеиваемая на внутреннем сопротивлении такого ИТ, составит 100 Вт, что говорит о крайне малой величине КПД.

Для увеличения КПД ИТ и исключения сложных высоковольтных источников питания можно потребовать большого внутреннего сопротивления только для определенной области выходных напряжений, т.е. применять дифференциальное внутреннее сопротивление . Такой особенностью обладает выходная характеристика транзисторов, тогда как внутреннее статическое сопротивление составляет несколько кОм, внутреннее дифференциальное сопротивление выше напряжения насыщения и имеет величину нескольких сотен кОм. С применением ООС величину дифференциального внутреннего сопротивления можно увеличить в десятки раз. Рассмотрим каскад на транзисторе как источник стабильного тока (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Источник стабильного тока с делителем напряжения

Схема источника тока, приведенного на рис. 1.1, основана на схеме с общим эмиттером и ООС по току (на рисунке ). Основным отличием является включение нагрузки последовательно с транзистором. Выходной ток остается неизменным до тех пор, пока транзистор не насыщен, т.е. выполняется условие .

Внутреннее сопротивление ИТ (рис. 1.1) равно

. (1.1)

В схеме, изображенной на рис. 1.1, эмиттерный потенциал возрастает на 2,1 мВ на каждый градус изменения температуры, этот температурный эффект можно компенсировать путем уменьшения потенциала базы на 2,1 мВ/градус. Для достижения компенсирующего эффекта в схему последовательно с резистором добавляется диод (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема токового зеркала с диодом

Ток , протекающий через нагрузку, пропорционален току , протекающему через делитель, . Для более точного выполнения условия диод в схеме заменяется транзистором, у которого коллектор и база закорочены (рис. 1.3).

Транзистор на рис. 1.3 работает в режиме, при котором , т.е. транзистор не насыщен. Ввиду того, что , так как транзисторы должны быть согласованы, то , . При этом ток, протекающий через сопротивление делителя , равен , . Из чего следует:

.(1.2)

Рис. 1.3. Схема токового зеркала с транзистором в диодном включении

Схема, представленная на рис. 1.4, работоспособна и без эмиттерных сопротивлений, однако их применение способствует повышению внутреннего сопротивления источника тока и компенсации различия в параметрах транзисторов и .

Рис. 1.4. Схема токового зеркала на p-n-p транзисторах с дополнительными эмиттерными сопротивлениями

2. ОБЩАЯ ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

Обратная связь - это процесс, посредством которого часть сигнала с выхода усилителя подается на его вход и суммируется с входным сигналом. В зависимости от разности фаз входного сигнала и сигнала обратной связи может происходить как сложение, так и вычитание. В случае суммирования сигналов коэффициент усиления увеличивается - обратная связь является положительной. При вычитании из входного сигнала напряжения обратной связи коэффициент усиления падает и в этом случае обратная связь отрицательная. Этот метод широко используется при проектировании различных усилителей. На рис. 2.1 приведена структурная схема включения общей обратной связи.

Рис. 2.1. Применение общей обратной связи

Коэффициент усиления усилителя, охваченного петлёй обратной связи, будет определяться выражением

. (2.1)

Это уравнение обратной связи, которое определяет изменение коэффициента усиления усилителя с обратной связью. B - коэффициент обратной связи, характеризующий часть энергии, передаваемой по цепи обратной связи с выхода на вход. - коэффициент усиления усилителя при отключенной петле обратной связи. Если произведение положительное и много больше единицы (вызывающее отрицательную обратную связь и уменьшение коэффициента усиления), то уравнение обратной связи упрощается:

, (2.2)

из чего следует, что при глубокой отрицательной обратной связи собственный коэффициент усилителя больше практически не влияет на общий коэффициент усиления , определяемый схемой ООС.

Уравнение обратной связи предполагает улучшение некоторых характеристик усилителя при условии, что коэффициент петлевого усиления . В другом случае упрощение уравнения не будет корректным. Реальные усилители всегда имеют конечный коэффициент усиления, величина которого понижается с увеличением частоты. Усилители искажают входной сигнал, и ввиду того, что способность обратной связи компенсировать искажения уменьшается с ростом частоты, то искажения с ростом частоты возрастают. Искажения типа «ступенька» в двухтактных усилителях мощности класса В могут рассматриваться как уменьшение коэффициента усиления при переходе усилителя через точку переключения транзисторов (можно считать, что обратная связь при этом разомкнута). Из-за значительного уменьшения коэффициента усиления с разомкнутой петлёй ООС в этой области, обратная связь неэффективно подавляет искажения «ступенька».

Способ снятия сигнала обратной связи на выходе усилителя влияет на выходное сопротивление так же, как и способ введения сигнала обратной связи во входную цепь будет влиять на входной импеданс. В случае параллельного снятия сигнала обратной связи реализуется обратная связь по напряжению, при последовательном способе снятия - по току. Обратная связь по напряжению уменьшает полное выходное сопротивление, обратная связь по току - увеличивает. Аналогичное влияние на полное входное сопротивление оказывает параллельный и последовательный способы приложения сигнала обратной связи во входную цепь усилителя. В усилителях мощности звуковой частоты наиболее часто применяется петля обратной связи с использованием способа параллельного получения сигнала обратной связи и последовательного приложения во входную цепь. Это сочетание способов снятия и приложения сигнала обратной связи обеспечивает малое полное выходное сопротивление (необходимое для демпфирования громкоговорителей), большое полное входное сопротивление, необходимое для предотвращения шунтирования выходных каскадов источника сигнала, и неинвертирующий коэффициент усиления. Полные входное и выходное сопротивления изменяются пропорционально коэффициенту обратной связи :

. (2.3)

На рис. 2.2 показан эффект линеаризации динамической характеристики усилителя петлей обратной связи согласно уравнению петли ООС.

Важным свойством ООС является способность уменьшать нелинейные искажения (рис. 2.3), которые вносит усилитель, в F раз, т.е. во сколько раз уменьшится коэффициент усиления при замыкании петли ООС, в такое же число раз уменьшатся вносимые нелинейные искажения. С физической точки зрения процесс работы петли ООС можно пояснить как формирование предыскаженного входного сигнала, который, проходя через тракт усиления, искажается и тем самым приобретает первоначальную неискаженную форму.

Рис. 2.2. Линеаризация динамической характеристики петлей ООС

Для наглядности проиллюстрируем работу петли ООС по уменьшению нелинейных искажений на примере усилителя, передаточная функция которого описывается квадратичным полиномом (схожа с передаточной функцией полевого транзистора): , где - весовой коэффициент квадратичного члена.

Если на вход такого усилителя подать однотональный сигнал частоты , то сигнал на выходе будет двухтональный с частотными составляющими и . Теперь, если замкнуть петлю ООС, то к входному сигналу частотой будет подмешиваться выходной двухтональный сигнал, но сдвинутый по фазе на 180°. После прохождения усилителя на его выходе появится сигнал, в котором вторая гармоника () будет скомпенсирована посредством того, что в усиливаемом сигнале уже содержалась составляющая с частотой , но инвертированная по фазе, сигнал с частотой будет также ослаблен. Поясняющие осциллограммы приведены на рис. 2.3, где показаны: сплошной тонкой линией - входное воздействие, штрихпунктирной линией - выходной сигнал при разомкнутой петле обратной связи и сплошной толстой линией - выходной сигнал, искажения в котором скомпенсированы действием петли ООС.

Рис. 2.3. Осциллограммы напряжений усилителя

Особую роль обратная связь выполняет при построении различного рода устройств на основе операционных усилителей (ОУ), представляющих собой характерные полупроводниковые интегральные устройства, содержащие несколько каскадов усиления. Поясним принцип формирования характеристик ОУ петлей ООС (рис. 2.4).

Для того чтобы свойства ОУ регулировались параметрами петли ООС и зависели, прежде всего, от неё, согласно вышеприведенным соображениям ОУ должен обладать огромным коэффициентом усиления (для современных ОУ по постоянному току около 120 дБ, хотя неизменно понижается с увеличением частоты). Кроме того, необходимо ввести три фундаментальных допущения:

– коэффициент усиления ОУ, не охваченного петлей ООС, стремится к бесконечности;

– входное сопротивление ОУ, не охваченного петлей ООС, также стремится к бесконечности (входной ток равен нулю);

– разность потенциалов между входами ОУ, охваченного петлёй ООС, стремится к нулю.

Рис. 2.4. Формирование свойств операционных усилителей петлей ООС

Эти допущения характеризуют идеальные ОУ. Реальные операционные усилители имеют ограничения и не достигают этого идеала на всех частотах, уровнях сигнала и т.д. На рис. 2.4, а изображен инвертор на операционном усилителе, который охвачен петлей параллельно снимаемой и параллельно приложенной ООС. Поскольку стремится к бесконечности, то вход и выход ОУ должны иметь нулевое сопротивление, т.е. усилитель имеет нулевое выходное сопротивление. Инвертирующий вход ОУ, соединенный с , также имеет нулевое сопротивление по отношению к земле из-за обратной связи. Ввиду бесконечно большого коэффициента усиления, если неинвертирующий вход имеет потенциал земли, то и инвертирующий вход должен иметь потенциал земли. В рассматриваемой конфигурации инвертирующий вход является «виртуальной» землёй, но при этом сам имеет почти бесконечное входное сопротивление, и ток сигнала не протекает через ОУ. Ток входного сигнала через резистор может только через резистор и нулевое выходное сопротивление протекать на землю. Из чего следует равенство сигнальных токов через резисторы обратной связи:

. (2.4)

Поскольку инвертирующий вход является виртуальной землей, то

=;=, (2.5)

и, следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен:

. (2.6)

Коэффициент усиления, получаемый на ОУ, может быть как больше, так и меньше единицы, т.е. схема может как усиливать, так и ослаблять входной сигнал, что является полезным свойством ввиду возможности получения уменьшенного выходного сигнала при почти нулевом выходном сопротивлении. Входное сопротивление схемы , поскольку инвертирующий вход усилителя является виртуальной землёй.

Часто на практике могут понадобиться неинвертирующие усилители, которые легко построить на основе ОУ (рис. 2.4, б). Резисторы и образуют делитель напряжения на выходе усилителя. Напряжение на инвертирующем входе ОУ определяется выражением:

.(2.7)

Исходя из стремящегося к бесконечности операционного усилителя, напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, которое является , поэтому усилителя будет равен: ток диодный транзистор осциллограмма

.(2.8)

Если уменьшить величину сопротивления до нуля и убрать , то коэффициент усиления уменьшается до 1, т.е. ОУ превращается в повторитель напряжения, являющийся превосходным буферным каскадом для развязки схем с высоким импедансом от нагрузки с малым импедансом.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя:

(2.9)

Рассмотрим пример реализации простейшей резистивной обратной связи.

На рис. 2.5 представлена типовая схема операционного усилителя, охваченного петлёй параллельно снимаемой и последовательно приложенной ООС.

Выходное сопротивление стремится к нулю при условии, что входное сопротивление стремится к бесконечности. Необходимо помнить, что в отличие от идеальных операционных усилителей входной ток не равен нулю, что налагает требования по обеспечению режима по постоянному току входного дифференциального каскада.

Обратная связь, охватывающая операционный усилитель, получает сигнал с выхода усилителя подключением параллельно нагрузке и вводится во входную цепь подключением последовательно с входом, то есть применяется параллельная по выходу и последовательная по входу обратная связь. В рассматриваемой схеме ООС реализуется на резистивном делителе R3 R4. Необходимо упомянуть, что питание в схеме двухполярное, в случае использования однополярного питания необходимо применять разделительный конденсатор, обеспечивающий режим по постоянному току.

Рис. 2.5. Типичный операционный усилитель, охваченный петлёй ООС

Расчет цепи обратной связи начинается с выбора падения напряжения на резисторе R4, как правило, около ста или нескольких сот милливольт. После чего по закону Ома вычисляется его номинал (ток базы транзистора VT2 определяется при расчете входного дифференциального каскада). Необходимо учитывать тип проводимости используемых транзисторов, чтобы определить потенциал базы на транзисторах входного каскада, отличающийся от потенциала на выходе усилителя в большую или меньшую сторону.

, (2.10)

далее, пользуясь уравнением обратной связи, определяется величина сопротивления R3. Из соотношения

, (2.11)

учитывая, что

, (2.12)

опуская преобразования

. (2.13)

Размещено на Allbest.ru