1605

Из последнего выражения определим:

Знак минус указывает на противофазность Uвх и Uвых . Используя выражение Uвх KocUвх , получим формулу для коэффициента усиления операционного усилителя с отрицательной обратной связью:

Из последнего выражения видно, что целесообразно увеличивать параметры K и Zвх , так как при этом уменьшается погрешность операционного

усилителя (в виде второго члена в знаменателе), связанная с влиянием температуры, нестабильности источников питания, параметров транзисторов и т.д.

Для идеального операционного усилителя, у которого К = ∞ и Zвх = ∞, имеем

Таким образом, операционный усилитель выполняет математическую операцию умножение входного сигнала на отношение сопротивлений цепи обратной связи. Используя различные сочетания величин и характеров сопротивлений Ż1 и Ż2, с помощью операционного усилителя можно осуществлять различные математические операции.

Рассмотрим суммирующий усилитель. В нем цепи обратной связи реализуются на резисторах. В общем случае на вход суммирующего усилителя может быть подано n суммируемых сигналов (см. рис. 2.32, б). Выходное напряжение суммирующего усилителя зависит от каждого входного напряжения, поэтому для идеального операционного усилителя, у

которого K Uвых , выходное напряжение

U0

где

i n R

Mi i 1 R2

1i

91

есть масштабный коэффициент по i-му входу. Таким образом, суммирующийусилительвыполняетоперациюсложениявходныхсигналовсучетом их «веса». Главным достоинством суммирующего усилителя является то, что суммирование производится без взаимных помех источников входных сигналов, так как эти сигналы суммируются в точке А с почти нулевым потенциалом. Действительно, для идеального операционного усилителя

K = ∞ и U0 = 0.

Если на вход суммирующего усилителя подается только один сигнал (n = 1), то в этом случае осуществляются перемена знака и умножение на постоянную величину. Такой усилитель называется масштабным усилителем.

Uвых R2 Uвх ; K R2 .

R1 R1

Рассмотрим дифференцирующий усилитель. Он осуществляет дифференцирование входного сигнала по времени. Для этого во входную цепь в качестве элемента цепи обратной связи включается конденсатор, а вторым элементом цепи обратной связи является резистор (рис. 2.33, а).

Рис. 2.33. Дифференцирующий усилитель (а); дифференцирующая цепь RC (б); эквивалентная схема дифференцирующего усилителя (в)

Будемсчитать, чтооперационныйусилительявляетсяидеальным. Тогда коэффициент усиления K=Uвых/U0=∞ и входное сопротивление Zвх=∞. Поэтому u0 = 0, iвх =0. Для идеального операционного усилителя имеем следующие выражения:

где τ = R2C1 – постоянная времени цепи обратной связи.

Таким образом, напряжение на выходе дифференциального усилителя пропорционально производной по времени от входного напряжения.

ОперациюдифференцированияможетосуществлятьцепьRC, состоящаяиз последовательно включенных резистора и конденсатора (см. рис. 2.33, б).

92

Можно показать, что реальный дифференцирующий усилитель, обладающий конечным коэффициентом усиления K, эквивалентен цепи RC с конденсаторомСирезисторомR' = R/K, напряжениескоторогоусиливается в K раз (см. рис. 2.33, в).

Рассмотрим интегрирующий усилитель. Он осуществляет интегрирование входного сигнала во времени. Для этого между входом и выходом в качестве элемента цепи обратной связи включается конденсатор, а вторым элементом цепи обратной связи является резистор (рис. 2.34, а).

Рис. 2.34. Интегрирующий усилитель (а); интегрирующая цепь RC (б); эквивалентная схема интегрирующего усилителя (в)

Будем считать, что операционный усилитель является идеальным. Тогда

K uвых ; Zвх ; u0 0 ; iвх 0 . u0

Дляидеальногооперационногоусилителяимеемследующиевыражения:

где τ = R2C1.

Таким образом, напряжение на выходе интегрирующего усилителя пропорционально интегралу по времени от входного напряжения.

Операцию интегрирования может осуществлять цепь RC, состоящая из последовательно включенных резистора и конденсатора (см. рис. 2.34, б). Можно показать, что реальный интегрирующий усилитель, обладающий конечным коэффициентом усиления K, эквивалентен цепи RC с резистором R и конденсатором с емкостью С' = KС, напряжение с которого усиливается в K раз (см. рис. 2.34, в).

Наосновеоперационногоусилителяможетвыполнятьсяизбирательный усилитель. Дляпостроенияизбирательногоусилителявцепьобратнойсвязи

93

включается специальный фильтр, например Т-образный RC-фильтр (рис. 2.35, а). Параметры этого фильтра выбираются из следующих условий:

Тогда резонансная частота такого избирательного усилителя

fрез 2 1 C .

R

Рис. 2.35. Избирательный усилитель с Т-образным RC-фильтром (а); зависимость коэффициента передачи Т-образного RC-фильтра (б) и коэффициента усиления избирательного усилителя (в) от частоты

Избирательные свойства усилителя объясняются тем, что на резонансной частоте сопротивление Т-образного RC-фильтра максимально и, следовательно, напряжение обратной связи uос, действующее на резисторе R1, минимально. При этом uвых максимально. При частотной расстройке со- противлениеТ-образногоRC-фильтрауменьшается, вследствиечеговозрастает напряжение обратной связи и уменьшается uвых. Зависимости коэффициента передачи Т-образного RC-фильтра β = Uос/Uвых и коэффициента усиления Kос = Uвых/Uвх избирательного усилителя от частоты входного сигнала приведены на рис. 2.35, б, в.

Вопросы для самоконтроля

1.Каковы основные характеристики и параметры электронных усилителей?

2.Охарактеризуйте режим работы усилителя класса А.

3.Каково назначение элементов схемы резисторного усилителя напряжения с фиксированным напряжением базы?

4.Каков принцип действия резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе с учетом временных графиков напряжений и тока

вусилителе?

94

5.Каким образом можно расширить АЧХ резисторного усилителя напряжения?

6.Укажите назначение цепей коррекции в широкополосном усилителе напряжения.

7.При каком условии усилитель с положительной обратной связью превращается в автогенератор?

8.Перечислите свойства усилителя с отрицательной обратной связью.

9.Как работает цепь обратной связи в резисторном усилителе с эмиттерной стабилизацией рабочей точки?

10.Каков принцип действия и основные параметры эмиттерного повторителя?

11.Какпостроенасхемафазоинверсногокаскадасразделеннойнагрузкой?

12.Каков принцип действия парафазного усилительного каскада?

13.КаковопостроениесхемыиАЧХрезонансногоусилителянапряжения?

14.Каковы особенности схемы и достоинства резонансного каскадного усилителя?

15.Что такое дрейф нуля в УПТ?

16.Каковпринципдействияидостоинстводифференциальногоусилителя?

17.Объясните условное обозначение операционного усилителя.

18.Какова типовая схема включения операционного усилителя?

19.Объясните состав элементов цепи отрицательной обратной связи суммирующего, дифференцирующего, интегрирующего и избирательного операционных усилителей.

Контрольный тест

1.Какую функцию выполняет цепь Rэ, Сэ в резисторном усилителе на биполярном транзисторе с фиксированным напряжением базы?

а) Стабилизирует величину переменного тока коллектора.

б) Стабилизирует величину постоянного напряжения коллектора. в) Стабилизирует величину переменного тока базы.

г) Стабилизирует величину постоянного тока коллектора.

д) Стабилизирует величину переменного напряжения коллектора.

2.Как изменится амплитудно-частотная характеристика резисторного усилительного каскада на биполярном транзисторе, если емкость

разделительного конденсатора С2 увеличилась, а выходная емкость каскада С0 уменьшилась?

а) Характеристика станет шире в области низких и в области высоких частот.

б) Характеристика станет уже в области низких и в области высоких частот.

в) Характеристика станет шире в области низких частот и уже в области высоких частот.

95

г) Характеристика станет уже в области низких частот и шире в области высоких частот.

д) Характеристика не изменится в области низких частот и в области высоких частот.

3. Каковы особенности параметров эмиттерного повторителя?

а) Низкое входное сопротивление, высокое выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, коэффициент усиления по мощности больше единицы.

б) Большое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, коэффициент усиления по мощности больше единицы.

в) Низкое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению больше единицы, коэффициент усиления по мощности меньше единицы.

г) Низкое входное сопротивление, высокое выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению больше единицы, коэффициент усиления по мощности меньше единицы.

д) Большое входное сопротивление, большое выходное сопротивление, коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, коэффициент усиления по мощности больше единицы.

4.На вход однокаскадного резисторного усилителя, выполненного на биполярном транзисторе типа p – n – p подается отрицательная часть

синусоидального напряжения. Как при этом изменяются ток коллектора Iк, напряжение на резисторе Rк URк?

а) Ток Iк уменьшается, напряжение Uк уменьшается по модулю, напряжение URк увеличивается по модулю.

б) Ток Iк уменьшается, напряжение Uк увеличивается по модулю, напряжение URк уменьшается по модулю.

в) Ток Iк увеличивается, напряжение Uк уменьшается по модулю, напряжение URк увеличивается по модулю.

г) Ток Iк увеличивается, напряжение Uк увеличивается по модулю, напряжение URк уменьшается по модулю.

д) Ток Iк уменьшается, напряжение Uк уменьшается по модулю, напряжение URк уменьшается по модулю.

5.Какую операцию, кроме усиления, осуществляет избирательный операционный усилитель над электрическими сигналами?

а) Операцию суммирования сигналов. б) Операцию дифференцирования. в) Операцию интегрирования.

г) Операции суммирования и дифференцирования.

д) Операцию выделения электрического сигнала определенной частоты относительно других сигналов.

96

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

3.1. Общие сведения о генераторах гармонических высокочастотных колебаний

Генераторами гармонических высокочастотных колебаний называют устройства, которые преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию гармонических колебаний высокой частоты.

Различают два вида генераторов гармонических высокочастотных колебаний: генераторы с внешним, или независимым, возбуждением и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы).

Генератор с внешним возбуждением представляет собой резонансный усилитель мощности высокочастотных колебаний. На вход такого генератора подаются возбуждающие гармонические колебания малой мощности, полученные в другом устройстве. Генераторы с внешним возбуждением широкоприменяютсяврадиопередающихустройствахвкачествебуферных и выходных каскадов, умножителей частоты.

Генератор с самовозбуждением не требует для работы внешнего возбуждающего напряжения. В этих устройствах при выполнении определенных условий гармонические высокочастотные колебания возбуждаются автоматически. Автогенераторы используются в радиопередающих устройствах в качестве задающих автогенераторов, в радиоприемных устройствах

вкачестве гетеродинов.

Вгенераторах гармонических высокочастотных колебаний применяются мощные высокочастотные транзисторы. Большинство таких транзисторов – биполярные кремниевые типа n–p–n и полевые. Следует отметить, что напряжения источников питания для транзистора типа n–p–n по сравнению с соответствующими напряжениями для транзистора типа p–n–p имеют другую полярность.

Автогенераторы в зависимости от вида элементов, входящих в звенья обратнойсвязи подразделяются на LC-автогенераторы (высокочастотные) и RC-автогенераторы (низкочастотные).

3.2.Генератор гармонических высокочастотных колебаний

снезависимым возбуждением

(резонансный усилитель мощности высокой частоты)

Генератор гармонических высокочастотных колебаний с независимым возбуждением представляет собой каскад, у которого в качестве

97

коллекторной нагрузки включен параллельный колебательный контур, что позволяет назвать его резонансным усилителем мощности.

На рис. 3.1, а изображена простейшая схема этого генератора. ИсточникиЭДСЕб иЕк обеспечиваютвыборрежимапокоятранзистора. Как будет видно далее, рабочая точка в генераторах гармонических высокочастотных колебаний выбирается вблизи начала динамической входной характеристики, и генератор работает в режиме с отсечкой коллекторного тока.

Пустьрабочаяточкасоответствуетрежиму классаВ(точка Анарис. 3.1, б). Тогда при подаче на вход схемы гармонического высокочастотного напряжения uвх = Uвх mcоsω0t коллекторный ток приобретает форму периодической последовательности косинусоидальных импульсов с углом отсечки Θ = 90о (см. рис. 3.1, в). При этом током I'к0 пренебрегаем. Такая последовательность импульсов может быть представлена рядом Фурье:

Iк (t) = Iк.ср + Iк m1cosω0t + Iк m2cos2ω0t + Iк m3cos3ω0t + · · ·

Постояннаясоставляющаятокаколлектораиамплитудыгармонических составляющих пропорциональны амплитуде импульсов тока коллектора Iк

m:

Iк.ср = α0 Iк m; Iк m1 = α1 Iк m; Iк m2 = α2 Iк m · · · Iк mn = αn Iк m,

где α0, α1, α2, … αn – коэффициенты разложения ряда Фурье. Величины этих коэффициентов зависят от угла отсечки Θ и могут быть вычислены по следующим формулам:

Рис. 3.1. Генератор гармонических высокочастотных колебаний с независимым возбуждением:

а – простейшая схема; б – положение рабочей точки; в – коллекторный ток

98

На рис. 3.2, а приведены зависимости α0, α1, α2, а также отношения α1/α0 от угла отсечки Θ.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициентов разложения ряда Фурье от угла отсечки (а); временные графики токов и напряжения

в цепях генератора с внешним возбуждением (током коллектора I'к0 пренебрегаем) (б)

Если параллельный контур настроен на частоту возбуждающего напряжения (ω0 = ωрез), то на нем создается практически только падение напряжения от первой гармоники коллекторного тока

uкон = Iк1 Rк.рез = Iк m1cos ω0t · Rк.рез = Uкон mcos ω0t.

Для постоянной составляющей и остальных гармоник контур обладает очень малым сопротивлением. Напряжение на коллекторе транзистора

uк = Eк – Uкон mcos ω0t. На рис. 3.2, б изображены токи и напряжения в цепях генератора с внешним возбуждением. В контуре, являющемся нагрузкой

генератора, выделяется колебательная (генерируемая) мощность

P1 = 0,5Iк m1Uкон m = 0,5α1Iк mUкон m. Мощность, отдаваемая источником коллекторного напряжения, P0 = Iк. срЕк. Тогда кпд η = P1/P0 = 0,5ξα1/α0,

где ξ = Uконm/срЕк – коэффициент использования коллекторного напряжения. Как видно из рис. 3.2, а, для повышения кпд генератора необходимо уменьшить угол отсечки. Однако при очень малых Θ снижается величина коэффициента α1 и, следовательно, величина колебательной мощности P1. Угол отсечки выбирают в пределах от 60 до 90о, чтобы получить высокий

99

кпд при достаточно большой колебательной мощности. Углу Θ < 90о соответствует режим С.

В случае удвоения частоты контур настраивается на вторую гармонику тока коллектора и максимальная мощность (см. рис. 3.2, а) получается при угле отсечки Θ = 60о.

Рассмотрим схемы питания цепей генератора гармонических высокочастотных колебаний.

Различают две схемы питания коллекторной цепи – последовательную (рис. 3.3, а) и параллельную (см. рис. 3.3, б).

Рис. 3.3. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы питания коллекторной цепи генератора гармонических высокочастотных колебаний

При последовательном питании источник ЭДС Ек, транзистор и контур включены последовательно, а при параллельном питании – параллельно. В схемах предусмотрены элементы блокировки: дроссель Iбл, обладающий большим сопротивлением для переменного тока коллектора Iк ~, и конденсатор Сбл, обладающий малым сопротивлением для тока Iк ~. Эти элементы блокируют источник ЭДС Ек от протекания по нему переменного коллекторноготока. Впротивномслучаеток Iк~ будетсоздаватьна сопротивлении источника переменное напряжение, что нежелательно, так как может привести к неустойчивой работе других устройств, питаемых от этого же источника. Как видно из рис. 3.3, а, б, переменный коллекторный ток проходит через транзистор, контур и блокировочный конденсатор, минуя источник ЭДС Ек.

Последовательная схема питания коллекторной цепи имеет следующие недостатки:

1) контур находится под постоянным напряжением относительно земли (или корпуса), и напряжение Ек опасно для человека, настраивающего контур;

100