Электроника

131

характеристикой (ЛАЧХ). Рассмотрим ЛАЧХ ОУ, которая в общем случае представляется характеристикой обычного УПТ. На рис. 2.47 приведена типовая ЛАЧХ для ОУ К140УД10, спад имеет место только в области высоких частот.

представляет собой прямую линию, параллельную оси частот. С повышением частоты Kи оу начнет уменьшаться за счет влияния второго члена в правой

части (2.46). С некоторым приближением можно считать, что на высоких

Таким образом, ЛАЧХ и ОВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20 дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых,

скорректированных ОУ.

Реальная ЛАЧХ ОУ несколько отличается от вида на рис. 2.49. Это отличие имеет максимальное значение в 3 дБ на частоте /д (пунктир на рис.

133

инвертирование сигнала. Таким образом, для идеального ОУ Kи инв

параметры те же) - менее 0,1% . Обычно допускается использование выражения (2.48) при 10Kи инв Kи оу (т.е. при глубине ООС F 10, что справедливо для большинства практических случаев) .

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ Rвх инв

имеет относительно небольшую величину, что определяется параллельной ООС. Rвх инв можно определить из выражения:

определяется внешним резистором R1. Рекомендуется, чтобы R1 10 кОм. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на реальном ОУ

подключенные ко входам ОУ, были равны. Так, для схемы (рис. 2.45) необходимо, чтобы

134

С целью снижения Uош можно осуществить установку нуля на выходе

усилителя с помощью специальной схемы смещения, которая задает на инвертирующий вход ОУ небольшое напряжение, компенсирующее на

выходе Uош . Отметим, что этот метод предполагает наличие

дополнительных элементов и не гарантирует постоянства нуля на выходе устройства.

Рассмотренный выше инвертирующий усилитель на ОУ является УПТ. В некоторых случаях (в частности, для уменьшения Uош ) возникает

необходимость в создании усилителей только переменного тока на ОУ. Для этого можно использовать усилитель (рис. 2.50), включив в него разделительный конденсатор (или конденсаторы на входе и выходе). На рис. 2.51 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя переменного тока на ОУ с разделительным конденсатором С во входной цепи. Здесь имеет место дозированная параллельная ООС по переменному

Для расчета основных параметров инвертирующего усилителя переменного тока в области средних частот можно использовать выражения (2.48)—(2.50). Все основные выводы, справедливые для инвертирующего УПТ на ОУ, справедливы и здесь.

Конденсатор С не позволяет пройти на вход ОУ сигналам постоянного тока (в том числе и паразитным), что приносит рассматриваемому усилителю уже преимущества, характерные для усилителей с разделительными элементами. Постоянная времени в ОНЧ равна н CR1 . Подставив н в

(2.9), нетрудно определить коэффициент частотных искажений M н . При использовании разделительного конденсатора на выходе рассматриваемого усилителя расчет коэффициента M н следует проводить как для входной, так

и для выходной цепей, а затем полученные значения сложить .

Другой широко распространенный вариант включения ОУ реализуется в виде неинвертирующего усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.52. Входной сигнал здесь поступает на

135

неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий подается сигнал обратной связи. Нетрудно показать, что в инвертирующем усилителе на ОУ имеет место последовательная ООС по напряжению.

Поскольку Uвх и сигнал ООС подаются на разные входы ОУ, то для

Сравнивая (2.53) с (2.48), можно записать: Kи неинв 1 | Kи инв |. Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ (2.53) справедливо при достаточной глубокой ООС (при F 10), что обычно и имеет место на практике. Отметим, что обычно значения суммы R1 Rос , лежат в пределах от 50 кОм до 1 МОм.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ Rвх неинв

всегда имеет большую величину. Этот факт определяется значительным Rвх оу и глубокой последовательной ООС. Для Rвх неинв формула (2.28)

имеет следующий вид:

составляет единицы или десятки ГОм.

Поскольку как в неинвертирующем, так и в инвертирующем усилителях на ОУ имеет место ООС по напряжению, то при одинаковой

глубине ООС Rвыхнеинв Rвыхинв . Для расчета Rвыхнеинв можно использовать формулу (2.50).

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе следует выполнять условие (2.51), где следует заменить R2 на RГ . Однако в реальных случаях неинвертирующий усилитель часто используется при весьма больших RГ 1МОм. Кроме того, входной сигнал на

неинвертирующем входе (без инвертирования) усиливается ОУ и затем в той же фазе поступает на инвертирующий вход. В результате на обоих входах

ОУ появляются синфазные сигналы. Все это приводит к повышению Uош и является недостатком рассматриваемого усилителя на ОУ.

При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе Kи неинв

будет уменьшаться и при 100%-ной ООС станет равным единице. Такой усилитель принято называть неинвертирующим повторителем или просто повторителем. На рис. 2.53 приведена принципиальная схема повторителя на ОУ. Здесь 100%-ная последовательная ООС по напряжению создана цепью

136

резистора Rос . В повторителе реализуется максимальное входное и

минимальное выходное сопротивления для RОС используемого типа ОУ. Рассчитать эти параметры можно с помощью (2.54),

компенсирующую роль и его вообще не ставят . В этом случае можно записать: Uош Uсм Iвх срRГ .

Неинвертирующий усилитель на ОУ может быть выполнен и как усилитель переменного тока. Для этого следует использовать разделительный конденсатор во входной (или выходной) цепи. Отметим, что для получения минимальных искажений в ОНЧ разделительный конденсатор следует включать не в выходную, а во входную цепь усилителя.

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются и другие варианты усилительных устройств.

Теперь рассмотрим коррекции частотных характеристик. Под коррекцией будем понимать изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ для получения от устройств на ОУ необходимых свойств и прежде всего обеспечение устойчивой работы. Напомним, что ОУ всегда используются с цепями глубокой ООС. Однако при некоторых условиях ООС может превратиться в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку обратная связь глубокая, то особенно важно обеспечить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, гарантирующий отсутствие возбуждения.

Для обеспечения устойчивой работы устройств на ОУ в нем используются внутренние или внешние цепи коррекции, с помощью которых добиваются общего фазового сдвига при разомкнутой цепи ООС менее 135° на максимальной частоте. При этом автоматически получается, что спад Kи оу 20 дБ/дек.

В качестве критерия устойчивости устройств на ОУ удобно использовать критерий Боде, который можно сформулировать следующим образом: «усилитель с цепью обратной связи устойчив, если прямая его коэффициента усиления в дБ пересекает ЛАЧХ на участке со спадом 20

137

дБ/дек». Таким образом, цепи частотной коррекции в ОУ должны обеспечивать спад Kи оу 20 дБ/дек в ОВЧ.

При последовательном включении нескольких ОУ иногда цепью общей ООС охватывает два каскада. В этом случае также следует вводить корректирующие цепи, обеспечивающие надлежащий запас устойчивости всего устройства. В справочниках на ОУ без внутренней коррекции иногда приводятся сведения по коррекции частотных характеристик, предлагаются наиболее подходящие схемы и номиналы элементов для конкретного типа ОУ и вида ЛАЧХ.

Вопросы для самопроверки

1.Какими основными параметрами характеризуется усилитель?

2.Назовите виды искажений в усилителях и объясните причины их возникновения.

3.Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОЭ и объясните функциональное назначение входящих в него элементов.

4.Объясните принцип работы усилительного каскада с ОЭ использованием входных и выходных характеристик транзистора.

5.Приведите эквивалентную схему каскада с ОЭ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.

6.Поясните влияние разделительных конденсаторов на работу каскада с ОЭ в области низких частот.

7.Какими причинами объясняется уменьшение коэффициента усиления каскада с ОЭ в области высоких частот?

8.Какие причины влияют на стабильность режима покоя в каскаде с ОЭ и как ее можно повысить?

9.Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОБ. Объясните принцип работы усилительного каскада с ОБ.

10.Приведите эквивалентную схему каскада с ОБ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада

11.Нарисуйте принципиальную схему каскада с ОК.

12.Составьте эквивалентную схему каскада с ОК и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.

13.Сделайте сравнительный анализ каскадов с ОЭ, ОБ и ОК по основным качественным показателям.

14.Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОИ на полевом транзисторе и объясните функциональное назначение входящих в него элементов.

138

15.Приведите эквивалентную схему каскада с ОИ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.

16.Что понимают под обратной связью в усилителях, и для каких целей ее вводят в усилители?

17.Какие виды обратных связей в усилителях Вы знаете?

18.Нарисуйте структурную схему усилителя с последовательной обратной связью по напряжению и выведите выражение для коэффициента усилителя с ООС по напряжению.

19.Поясните, как можно использовать метод короткого замыкания нагрузки для определения способа снятия сигнала обратной связи?

20.Каким образом меняется входное сопротивление усилителя при введении параллельной и последовательной ООС по напряжению?

21.Какие режимы усиления применяются в выходных усилителях мощности сигналов, и чем они характеризуются?

22.Нарисуйте принципиальную схему бестрансформаторного выходного каскада, работающего в режиме класса В или АВ.

23.Какие особенности и трудности возникают при построении усилителей постоянного тока? Как их удается избежать?

24.Приведите принципиальную схему дифференциального усилителя и объясните принцип его работы.

25.Что такое синфазная и дифференциальная составляющие входного сигнала дифференциального усилителя?

26.Какими качественными основными показателями оценивается работа дифференциального усилителя?

27.Приведите принципиальную схему отражателя тока и объясните

принцип его работы.

28.Какие функции может выполнять отражатель тока?

29.Какие усилители принято называть операционными?

30.Нарисуйте схему инвертирующего усилителя на ОУ и выведите формулы для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений такого усилителя.

31.Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя на ОУ и выведите

формулы для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений такого усилителя.

32. Приведите схему повторителя на ОУ и укажите возможные варианты его использования.

140

изменением напряжения относительно уровней 0,1 и 0,9 Um (см. рис. 3.2.).

Параметрами последовательности импульсов (см. рис. 3.1.) являются период повторения, частота повторения, скважность. Периодом повторения импульсов T называют интервал времени между соответствующими точками (например, между началами) двух соседних импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов:

скважности называют коэффициентом заполнения.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигнал в цифровой форме: уровню высокого напряжения приписывают символ <1>, а уровню низкого напряжения – символ <0>.На указанном виде сигнала основана работа цифровых вычислительных устройств, а также используемая в них двоичная система счисления.

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и разработке соответствующий математический аппарат – алгебру логики. Цифровые методы построения и проектирования импульсных систем занимают в современной электронике ведущее место. Целью настоящей главы является изучение наиболее характерных элементов импульсной и цифровой техники.

3.2. Ключи на биполярных транзисторах.

Ключом называют устройство, основное назначение которого состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки под действием управляющего сигнала. Транзисторный ключ подобен механическому выключателю или электромагнитному реле. Качество ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии и скоростью переходных процессов.

В импульсной технике используют в ключевом режиме все три схемы включения транзистора: c ОЭ, с ОБ и с ОК. Наибольшее распространение получил транзисторный ключ, собранный по схеме с общим эмиттером, дающей самое большое усиление по мощности. Практическая схема ключа на биполярном транзисторе типа p-n-p представлена на рис. 3.3.

Нагрузочный резистор Rк Rн включен в коллекторную цепь транзистора. Входной управляющий сигнал Uвх (рис. 3.4.) поступает на базу транзистора через резистор Rб , ограничивающий величину тока базы транзистора в открытом состоянии. Для обеспечения запертого состояния транзистора при Uвх 0 , через резистор Rсм на базу транзистора подается положительное напряжение от источника Eсм . Транзистор выполняет