Нагрузочная характеристика по постоянному току определяется уравнением цепи, по которой проходит постоянная составляющая выходного тока.
Для построения нагрузочной прямой по постоянному току используют систему уравнений:
В рабочей точке iВЫХ = i0, UВЫХ = U0. Система уравнений (*) решается графически. На семействе выходных характеристик строим уравнения прямой по двум точкам, рис. 6.2.:
1)iВЫХ1 = 0, тогда UВЫХ1 = ЕП; .
2)UВЫХ2 = 0, тогда ;
Положение РТ на нагрузочной прямой определяется напряжением смещения (током смещения). В практических расчетах для выбранной РТ выбирают либо ЕП:
ЕП = U0 + i0∙RH
Либо рассчитывают :
например, в резистивных предварительных каскадах усиления с эмиттерной стабилизацией:
RH= = RЭ + RK;
Динамическая характеристика по переменному току связывает мгновенные значения тока и напряжения при усилении сигнала.
Уравнение нагрузочной прямой по переменному току можно записать:
UВЫХ – U0 = – (iВЫХ– i0)∙RH~.
Строится нагрузочная прямая по двум точкам:
1)iВЫХ3 = 0, тогда UВЫХ3 = U0 + i0∙RH~
2)Положение рабочей точки.
Угол наклона нагрузочной примой равен:
Чем больше величина RH~, тем положе идѐт нагрузочная прямая. Следует иметь ввиду, что в резистивных каскадах динамическая характеристика всегда круче, чем нагрузочная прямая по постоянному току, т.к.RH= = RK + RЭ.
Всегда больше Динамическая характеристика позволяет произвести расчет усилительного каскада по переменному току (определить
уровень входного и выходного каскадов, отдаваемую УЭ мощность, КПД и др).
25. Определение нелинейных искажений. Методика расчета коэффициентов нелинейных искажений в усилителях.
26. Двухтактные оконечные каскады. Их особенности работы и свойства. Режимы работы транзисторов и нелинейные искажения выходного сигнала.
Двухтактный трансформаторный каскад
Назначение оконечных каскадов – обеспечение требуемого уровня сигнала. Если нагрузка активная, то оконечный каскад должен обеспечивать заданную мощность, а если нагрузка активная , то заданный уровень напряжения .
К достоинствам двухтактных усилителей относится то, что в них возможно применение экономичных режимов работы, таких как А и АВ . СПХ усилителей этого типа имеет симметричный характер
(график СПХ - статическая переходная характеристика имеет центральную симметрию относительно ИРТ - исходная рабочая точка), в результате чего в усилителях этого типа коэффициент гармоник имеет пониженный уровень из-за низкого уровня четных гармоник.
Двухтактные оконечные, транзисторные каскады строятся по схеме с ОЭ, ОБ Двухтактные оконечные каскады без трансформаторные строятся по схеме с ОК
Выходной ток содержит только нечетные гармоники, происходит компенсация четных гармоник из-за того, что они синфазны в плечах, а ток в нагрузке равен разности токов плеч. Благодаря этому уровень нелинейных искажений сигнала в двухтактных схемах существенно уменьшается.
Компенсация четных гармоник дает возможность использовать экономичный режим В.
На выходе каскада буду компенсироваться помехи, наводимые в синфазных плечах, что снижает чувствительность 2х тактного каскада к пульсациям падающего напряжения , что позволяет упростить сглаживающие фильтры выпрямителей, питающих усилительный каскад.
Кроме того несколько увеличивается динамический диапазон усилителя.
Нелинейные искажения возникают, в следствии наличия НЭ, параметра зависящего от значений тока и напряжения. Нелинейные искажения – изменение формы сигнал, обусловленное нелинейностью характеристик элементов усилителя. Нелинейные искажения вызваны тем, что в спектре сигнала появляются частоты , которых до того ( на входе) не было.
Нелинейные искажения связаны с нелинейностью ВАХ элементов усилителя, диодов, особенно в оконечных каскадах. Так же могут сказываться нелинейности характеристик намагничивания (сердечники в катушках, дроссели ,конденсаторы и ИМС)
Нелинейные искажения вызваны нелинейностью системы обработки и передачи сигнала. Эти искажения вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник.
Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 3.22). При изменении
величины входного сигнала будет изменяться ток базы 
. Ток коллектора 
изменяется пропорционально току базы:
. |
(3.40) |
|
Рис. 3.22. Схема усилительного каскада
Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 3.23). На оси
абсцисс отложим отрезок, равный 
– напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:
(3.41)
.
Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:
(3.42)
,
где 
– напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; 
– сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.
Рис. 3.23. Режимы работы биполярного транзистора Из (3.42) следует, что
(3.43)
.
И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением 
. Из рис. 3.23 следует, что в зависимости от тока базы 
, протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный
ток и напряжение 
, будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1,
определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при 
), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.
Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей 
, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора – эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного
перехода - 
, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания 
падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:
.
А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:
(3.44)
.
Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.
Если теперь увеличивать базовый ток 
, то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы
насыщения 
. Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не
приведет к увеличению коллекторного тока 
. Зона между осью ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называетсязоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:
(3.45)
,
а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа.
Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;
Инверсный активный режим Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и UКБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).
Режим отсечки
Вданном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).
Барьерный режим
Вданном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.
27. Двухтактный бестрансформаторный выходной каскад Бестрансформаторные двухтактные каскады усиления мощности в настоящее время получили самое широкое
распространение. Непосредственное включение нагрузки в выходную цепь позволяет устранить вносимые выходным трансформатором частотные, переходные и нелинейные искажения, а также избавиться от потерь мощности в трансформаторе. В схемах бестрансформаторных двухтактных усилителей мощности можно использовать в плечах транзисторы с проводимостью одного или разного типа.
На рис. 4.8,а,б приведены варианты схем бестрансформаторных усилителей мощности (без цепей смещения), в которых применены транзисторы с проводимостью одного типа.
Для нормальной работы каскадов необходимо подавать на их входы два равных напряжения UBX1 и UВХ2г находящихся в противофазе.
Поэтому на входе каждой из схем должен быть включен специальный фазоинверсный усилительный каскад. В схеме рис. 4.8,а необходимо применить двуполярный источник питания (два одинаковых источника коллекторного питания или один источник со средней точкой). В этой схеме переменные составляющие выходные токи плеч протекают через нагрузку в противоположных направлениях, формируя на ней разнополярное выходное напряжение. Постоянная составляющая выходного напряжения при отсутствии входного сигнала равна нулю, так как при полной симметрии схемы постоянные токи через нагрузку равны и противоположны по знаку.
Схема рис. 4.8,б позволяет обойтись одним источником питания. Постоянная составляющая выходного тока в этой схеме через нагрузку также не протекает из-за разделительного конденсатора. Когда при подаче UВХ1 и UВХ2 верхний транзистор VT1 открывается, а нижний VT2 запирается, проходящий через VT1 и Rн ток заряжает конденсатор С. При изменении полярности UВХ1 и UBX2 происходит запирание VT1 и отпирание VT2 и ранее заряженный конденсатор С разряжается через VТ2 и R, являясь своеобразным источником питания для нижнего плеча схемы. Емкость этого конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы на самой нижней частоте fН усиливаемого сигнала он не разряжался полностью.
Постоянная времени разряда конденсатора в самом худшем случае (при полностью открытом транзисторе VT2) t=RH*C. Эта величина должна быть гораздо больше половины периода входного сигнала tразр= Т/2 = 1 //(2-fн) « t. Отсюда легко определить емкость разделительного конденсатора С » 1 /(2fн RH). Величина емкости этого конденсатора обыч-но довольно большая (сотни-тысячи мкФ), поэтому здесь используют электролитический полярный конденсатор, полярность включения которого показана на рис. 4.8,6.
Если в плечи бестрансформаторного двухтактного каскада включить транзисторы с различным характером проводимости, то входные цепи плеч можно объединить (рис. 4.8,в,г) и при подаче на вход напряжения Uвх схема будет работать как двухтактная, т. е. сигнал, открывающий транзистор типа p-n-р. будет соответственно запирать транзистор типа n-p-п и наоборот. Принцип действия этих схем аналогичен принципу действия схем рис. 4.8,а.б.
Рассмотренные простейшие схемы двухтактных бестрансформаторных усилителей мощности могут работать как в режиме В. так н в режиме АВ.
Зная напряжение смещения Um =Ic*RH. Зная необходимый ток генератора тока Ic, можно определить по выходным или переходным характеристикам необходимое смещение UЗИ и затем рассчитать требуемое значение сопротивления Rи. Следует отметить, что источники тока на полевых транзисторах имеют по сравнению с генераторами тока на биполярных транзисторах или операционных усилителях существенно худшие параметры (прежде всего низкую точность формирования выходного тока и стабильность). Поэтому их применение оправдано в тех случаях, когда эти величины не являются критическими и предопределяющим фактором является простота реализации устройства. Кроме того, источники тока на полевых транзисторах могут быть включены в разрыв любой цепи и не требуют, по сравнению с другими источниками тока, "привязки" к потенциалу общего провода или источников питания
28. Основные свойства ОУ. Типовые структуры и каскады ОУ. Применение глубокой отрицательной обратной связи в ОУ для создания устройств аналоговой обработки сигналов.
Операционный усилитель — 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.
Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.
ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется
свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.
На рис.1 приведена схема ОУ. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:
Uвых = U1 - U2
Очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.
Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 2, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной. Коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.
Блок-схема операционного усилителя, в большой мере удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к ОУ, приведена на рис.
Первый каскад определяет важнейшие точностные параметры ОУ, такие, как напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазной составляющей, входные токи и входное сопротивление, поэтому он выполняется по схеме дифференциального усилителя.
Рис. 8. Схема простейшего дифференциального усилительного каскада
Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению каскада определяется выражением:
где rэ - динамическое сопротивление эмиттера транзистора. Дифференциальное напряжение обычно усиливается таким каскадом не более, чем в 100 раз.
29. Применения глубокой ООС в ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители и повторители напряжения входного сигнала.
ООСотрицательная обратная связь ОУоперационный усилитель
Глубокая оос- охватывающая большинство цепей, возможно имеющая несколько контуров, быстродействующая и по этому - эффективная.
В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала. Отрицательная обратная связь - это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.
Повторитель На рис. 7 представлен повторитель, подобный эммитерному, на основе операционного усилителя. Он представляет собой
не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1 равно бесконечности, а сопротивление резистора R2 - нулю (коэффициент усиления = 1). Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя является схема типа LM310 или OPA633, а также схемы упрощенного типа, например схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).
Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).