35.Неинвертирующий усилитель на оу

Схема неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, показана на рисунке:

ООС реализуется при помощи резисторов R1, R2.

Используя принятые ранее допущения для идеальной модели получим 

Входное сопротивление: Rвх.ос → ∞

Выходное сопротивление: Rвых.ос =   → 0

Недостатком усиления является наличие на входах синфазного сигнала, равного Uвх.

34. Усилительный каскад на полевом транзисторе

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что полевой транзистор управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.

Наибольшее применение на практике нашла схема включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ), аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.

На рис.5.6 показана схема усилительного каскада на полевом транзисторе с затвором в виде р-п-перехода с каналом п-типа. Режим покоя каскада обеспечивается постоянным током стока I_ср и соответствующим ему постоянным напряжением на сток U_ср, которые устанавливаются при начальном смещении на затворе U_зр отрицательной полярности.

В цепь истока включен резистор R_u, через который протекает ток I_ср, создающий необходимое падение напряжения, являющееся смещением между затвором и истоком:

Резистор R_з предназначен для обеспечения связи затвора транзистора с нижним выводом резистора R_u, т.е. для подачи отрицательного напряжения u_зр с резистора R_u между затвором и истоком транзистора.

Резистор R_u, кроме функции автоматического смещения на затвор, создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току стока, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзисторов. Конденсатор С_и предназначен для исключения отрицательной обратной связи по переменному току. Разделительные конденсаторы С1 и С2 выполняют такую же функцию, как и в каскаде с ОЭ.

Рисунок 5.6 - Схема усилительного каскада на полевом транзисторе

36. Операционный усилитель (оу). Основные параметры и характеристики.

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда 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.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры по постоянному току

• Ограниченное усиление

• Ненулевой входной ток.

• Ненулевое выходное сопротивление.

• Ненулевое напряжение смещения

• Ненулевое усиление синфазного сигнала

Параметры по переменному току

• Ограниченная полоса пропускания.

• Ненулевая входная ёмкость.

• Ненулевая задержка сигнала.

• Ненулевое время восстановления после насыщения

Нелинейные эффекты

1. Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

2. Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

3. Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

УГО

На рис. 3.3 показана упрощенная эквивалентная схема ОУ. В представленной модели ОУ имеет входное сопротивление R_d, включенное между двумя его входами u₁ иu₂ (так же обозначаются напряжения, подаваемые на его входы). Рис. 3.3. Эквивалентная схема ОУ

37.

Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

Одним из возможных путей уменьшения дрейфа нуля является использование дифференциальных усилителей.

Рис. 4.30, Диаграммы напряжений и гоков при симметричной схеме подачи входного напряжения (а) и при несимметричной схеме (б)

38.

Режимы работы усилительных каскадов

Поскольку характеристики транзистора существенно нелинейны, то в процессе усиления входного сигнала имеют место искажения, которые называют нелинейными. Величина искажений в большой степени зависит от выбора начальной рабочей точки на линии нагрузки и от амплитуды входного сигнала. В зависимости от этого различают следующие основные режимы работы усилителя:

• режим класса A;

• режим класса B;

• режим класса AB;

• режим класса C;

• режим класса D.

Количественно режим работы усилителя характеризуется углом отсечки   – половиной той части периода, в течение которого в выходной цепи транзистора протекает ток нагрузки. Угол отсечки выражают в градусах или радианах.

Режим класса А

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной  . Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение   не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток  , а следовательно и коллекторный ток   нигде не снижаются до нуля (рис. 3.31). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки   равен  . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока   КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.

Режим класса В

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис. 3.32). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток   здесь значительно меньше. Угол отсечки   равен  . Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки

Режим класса AB

Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала.

Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов

Режим класса С

В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току (рис. 3.37).

Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки  . Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %.

Режим класса D

Иначе этот режим называется ключевым режимом. В этом режиме рабочая точка может находиться только в двух возможных положениях: либо в зоне отсечки (транзистор заперт и его можно рассматривать как разомкнутый ключ), либо в зоне насыщения (транзистор полностью открыт и его можно рассматривать как замкнутый ключ). В активной зоне рабочая точка находится только в течение короткого промежутка времени, необходимого для перехода её из одной зоны в другую. Поэтому при работе в ключевом режиме линия нагрузки может на среднем своем участке выходить за пределы гиперболы допустимых мощностей, при условии, что переход транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот производится достаточно быстро.

39. Избирательными называются усилители, усиливающие сигналы в относительно узкой полосе частот. Основными показателями избирательных усилителей являются максимальный коэффициент усиления, полоса пропускания, средняя частота полосы пропускания и избирательность. Основным требованием, предъявляемым к избирательным усилителям, является получение высокой избирательности, которая определяется крутизной склонов его амплитудно-частотной характеристики. Чем круче спады частотной характеристики и чем меньше коэффициент усиления усилителя за пределами полосы пропускания, тем выше его избирательность. 

Избирательные усилители применяются в основном для усиления сигналов высокой частоты и разделяются на два вида: резонансные усилители и полосовые усилители. В резонансных усилителях нагрузкой обычно является одиночный параллельный колебательный контур. Перестраивая контур, можно изменять резонансную частоту в некоторых пределах.

Полосовые усилители обеспечивают амплитудно-частотную характеристику по форме близкую к прямоугольной. Полосовые усилители не перестраиваются и работают на фиксированных частотах. В качестве нагрузки они имеют один или два колебательных контура в каждом каскаде. В усилителях промежуточной частоты радиоприемников применяются также фильтры сосредоточенной селекции, состоящие из трех-четырех связанных колебательных контуров. В качестве фильтров сосредоточенной селекции также широко применяются пьезоэлектрические фильтры. В них благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту амплитудно-частотная характеристика формируется в системе из нескольких механических резонаторов.

На рис.5.32 показана схема избирательного усилителя на биполярном транзисторе с неполным включением контура. Для каскада

На биполярном транзисторе при неполном включении контура в цепь нагрузки необходимо учитывать коэффициенты подключения контура и модуль коэффициента усиления будет определяться следующим выражением:

, (5.88)

Где:   и  - коэффициенты включения контура; - полная индуктивность катушки; Индуктивность части катушки, к которой подключен коллектор транзистора; - индуктивность части катушки, с которой усиленный сигнал снимается на вход следующего каскада.

Рис.5.32. Избирательный усилитель на биполярном транзисторе

Проверим возможность использования усилительного каскада с параллельным LC- контуром . На резонансной частоте справедливо соотношение:

 , (3)

40. Основные свойства усилительного каскада (КПД, нелинейные искажения, мощность сигнала на выходе каскада и т.д.) определяются положением начальной рабочей точки, которое задает ток покоя выходной цепи  . Поэтому при изменении температуры, замене активного элемента и т.д. положение начальной рабочей точки не должно изменяться (сверх допустимых значений).

Если же активным элементом является биполярный транзистор, то изменение температуры или замена активного элемента могут повлиять на значение коэффициента усиления по току и значение теплового тока (обратного тока коллекторного перехода); поэтому схема подачи смещения фиксированным током нецелесообразна.

При подаче смещения фиксированным напряжением изменение температуры и замена транзистора в меньшей степени влияют на ток покоя коллектора (при использовании в качестве активного элемента биполярного или полевого транзисторов), поэтому такие схемы находят применение в промышленности.

Для того чтобы обеспечить работоспособность усилительного каскада при изменении температурных условий в режиме А, используют схемы стабилизации положения начальной рабочей точки

Эмиттерная стабилизация - стабилизация осуществляется введением в схему последовательной отрицательной ОС (рис. 2.16) по постоянному току. Напряжение обратной связи снимается с резистора RЭ, который включен в цепь эмиттера.

Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу,

 (2.28)

Коллекторная стабилизация - стабилизация осуществляется введением параллельной отрицательной ОС (рис. 2.17, а) по напряжению. Напряжение подается через резистор RБ, который включают между коллектором и базой. При этом напряжение на коллекторе  . Поскольку напряжение U0Б ничтожно мало по сравнению с напряжением на резисторе RБ, им можно пренебречь. Тогда:

 (2.29)

откуда следует, что, например, при увеличении температуры и, следовательно, тока   напряже-ние на резисторе, равное  , уменьшается, т.е. уменьшается ток  , а это вызывает уменьшение тока  .

41. двухтактный усилитель мощности на биполярных транзисторах

В современной электронике наиболее широко применяются бестрансформаторные двухтактные УМ. Такие УМ имеют хорошие массогабаритные показатели и просто реализуются в виде ИМС.

Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения u_вх транзистор Т₁ работает в режиме усиления, а транзистор Т₂ – в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями.

Несмотря на такие достоинства, как простота и малые частотные и нелинейные искажения, каскад с разделенной нагрузкой находит ограниченное применение из-за малого K₀ и разных R_вых, что приводит к несимметричности АЧХ выходов в областях ВЧ и НЧ.

Рис. 11.9. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности

Для уменьшения нелинейных искажений обеспечивают некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 11.10). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.

Рис. 11.10. Двухтактный усилитель АВ-класса