podyak

4.4.ЗАДАЧИ К РАЗДЕЛУ 4

1.На рис. 4.10 показана схема ДУ, в которой в качестве источника стабильного тока используется или резистивный стабилизатор тока (положение 1), или транзисторный стабилизатор (положение 2). В схе-

ме используются однотипные транзисторы с параметрами: 0 = 40, UБЭ = 0.6 В, rк = 500 кОм, rб = 200 Ом, IК0 = 0. Значения элементов схемы:

Еп1 = –Еп2 = 12 В, RГ1 = RГ2 = 2 кОм, RК1 = RК2 = 5 кОм, RЭ = 10 кОм,

R1 = 2 кОм, R2 = 10 кОм, R3 = 1.5 кОм, Rн = .

Рассчитать: 1) параметры статического режима, значение Kд, KС для двух положений переключателя; 2) то же самое при Rн = 10 кОм.

VT3

R 1

R 3

ЕП2

Рис. 4.10

2. В схеме рис. 4.11 используются однотипные транзисторы с пара-

метрами: 0 = 50, UБЭ = 0.6 В, Еп = 12 В, R1 = 10 кОм, R2 = 5 кОм. Рассчитать ток IК2.

3. В схеме рис. 4.12 параметры транзистора: 0 = 60, UБЭ = 0.6 В,

Еп = 12 В, R1 = 8 кОм, R2 = 4 кОм, R3 = 1 кОм, R4 = 500 Ом. Падение напряжения на диоде Uд = 0.4 В. Определить ток IК2. Как изменится

ток IК2 при изменении температуры от +20 ºС до +80 ºС при отсутствии и наличии диода? Температурные коэффициенты изменения напряжений на переходах для диода и транзистора принять равными –2 мВ/град, IК0 = 0.

100

Рис. 4.13 Рис. 4.14

101

Параметры транзисторов: 0 = 40, UБЭ = 0.6 В, Еп1 = –Еп2 = 12 В, UЭТ = –5 В. Значения элементов схемы: R1 = 2 кОм, R3 = 500 Ом. Рассчитать значение R2, обеспечивающее получение нулевого выходного уровня при начальном уровне входного напряжения равным 3 В. Определить коэффициент передачи входного сигнала на выход. Определить диапазон входных сигналов, в котором не будет нарушена линейность коэффициента передачи.

4.5. ПРИМЕР РАСЧЕТА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Рассчитать и выбрать значения элементов схемы дифференциального усилителя постоянного тока (рис. 4.16) при следующих исходных данных. Все транзисторы VT1…VT4 одинаковы и характеризуются значениями 0 = 50, UБЭ = 0.6 В, rк = 500 кОм. Значения источников питания: Еп1 = 12 В, Еп2 = –12 В. Сопротивление нагрузки Rн = 40 кОм, а максимальное выделяемое на нем выходное напряжение, зависящее от ЕГ, достигает уровня 4 В. Входное сопротивление усилителя должно составлять не менее 10 кОм.

ЕГ

VТ3 VТ4

R3 R5

ЕП2

Рис. 4.16

102

Максимальный уровень синфазного входного сигнала Uссм = 4 В. Внутреннее сопротивление источника входного сигнала RГ = 1 кОм. Рассчитать также коэффициенты усиления Kд, Kсинф. Работа усилителя предполагается при температуре 25 ºС..

1. Входное сопротивление схемы определяется величиной

Rвх = 2Rвх(ОЭ) 2rэ(1 + 0) = (2 25/IЭ) 51 10 кОм.

Отсюда находим токи IЭ1 = IЭ2 < 5 0 51/10000 = 0.25 мА и близкий к ним ток покоя IКA. Выбираем значение IЭ1 = 0.2 мА.

2.Находим ток коллектора транзистора VT3: IК3 = 2IЭ1 = 0.4 мА.

3.Рассчитываем сопротивление Rк, исходя из условия получения

выходного напряжения 4 В при токе IК1 = 0.2 мА, Rк Rн = 20 кОм,

Rк = 40 кОм.

4.Исходя из максимального значения синфазного входного сигнала 4 В, выбираем потенциал базы транзистора VT3: UБ3 = –4 – UБЭ =

=–4 – 0.6= –4.6 В.

5.Находим сопротивление R3 = ( Eп2 – UБ3 – UБЭ3 )/IЭ3 = 6.8/0.4 =

=17 кОм.

6.Находим ток IБ3 = 0.4/ 50 = 8 мкА и выбираем ток делителя R4, R5

много большим тока базы IБ3: Iдел = 100 мкА.

7. Находим сумму сопротивлений: R4 + R5 = (12 – 0.6)/0/1 =

=114 кОм.

8.Находим сопротивление R4 = 4.6/0.1 = 46 кОм.

9.Находим сопротивление R5 = 68 кОм.

10.Определяем дифференциальный коэффициент усиления:

11. Находим коэффициент усиления синфазного сигнала:

Примечание. Полученные значения величин элементов схем уточняются в соответствии с приведенными в справочных материалах.

103

5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

[1, 6, 7, 8, 11, 12]

Операционный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и, как правило, один выход. Название «операционный» тесно связано с выполнением целого ряда функций, возлагаемых на ОУ в ходе обработки входных сигналов. В числе их такие распространенные операции, как сложение, вычитание, умножение, интегрирование и ряд других. Эффективно используется ОУ в задачах нелинейного преобразования сигналов, генерирования электрических колебаний, компарирования и прочих. Это дает право считать ОУ универсальным элементом аналоговой техники.

5.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционный усилитель, условное обозначение которого показано на рис. 5.1, является достаточно сложным схемотехническим устройством, выполненным в виде интегральной микросхемы. С левой стороны показаны входные зажимы (кружком обозначен инвертирующий вход), а с правой – выходной зажим. В правом нижнем углу обозначены шины питания, обычно опускаемые на принципиальных схемах.

Как и в ранее рассмотренном однокаскадном ДУ, выходное напряжение ОУ определяется уравнением

UВЫХ

UВХ

+ЕП

-ЕП

Рис. 5.1

104

Зависимость выходного напряжения от разности входных сигналов называется амплитудной характеристикой ОУ, которая в идеальном случае имеет вид рис. 5.2, соответствующему KС = 0. Эта амплитудная характеристика проходит через начало координат, а ее наклон определяется дифференциальным коэффициентом усиления. В точках Uвх(+), Uвх(–) наступает резкое ограничение в ходе АХ, обусловленное нелинейными зависимостями в активных элементах ОУ. При этом на выходе ОУ формируются максимально достижимые уровни выходного напряжения ЕМ(+), ЕМ(–), близкие друг другу и напряжениям источников питания усилителя.

В реальных ОУ присутствуют факторы, вызывающие изменение в ходе амплитудной характеристики. На рис. 5.3 отражена роль напряжения смещения нулевого уровня Uсм0, представляющего собой приведенное ко входу выходное напряжение ОУ, возникающее на выходе усилителя, главным образом из-за разницы в падениях на управляющих переходах транзисторах входного каскада. Его можно трактовать как некоторое внешнее напряжение, которое необходимо приложить между входами усилителя, чтобы установить на выходе нулевой уровень.

К аналогичному эффекту приводит и присутствие синфазного сигнала, смещающего АХ на величину UС, приведенную ко входу и зависящую от коэффициента усиления синфазного сигнала (в паспортных данных ОУ роль синфазного сигнала оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала :

105

К другим паспортным параметрам ОУ относятся: Kд – дифференциальный коэффициент усиления; +Еп, –Еп – напряжения питания;

Iп мА – потребляемый ток;

Iвх нА – среднее значение входных токов; Iвх нА– разность входных токов;

Uдф, Uс В – максимально допустимые значения дифференциального и синфазного сигналов;

Uвых М В– максимальные значения выходного напряжения. Частотные и временные зависимости в ОУ характеризуются двумя

параметрами:

f1 мГц– частота единичного усиления, частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

V В/мкс– максимальная скорость нарастания выходного напряжения, определяемая при воздействии скачка напряжения, достаточного для достижения максимального уровня выходного напряжения. С этим параметром связано условие неискаженной передачи синусоидального сигнала, устанавливающее связь между амплитудой выходного напря-

5.2. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Избыточность коэффициента усиления ОУ, наличие двух входов являются широкой основой для применения его во многих схемотехнических задачах. Эффективность здесь достигается использованием отрицательной обратной связи по выходному параметру в усилителях, положительной – в генераторах, комбинацией обеих связей в схемах активных фильтров и генераторах импульсных сигналов. Здесь мы ознакомимся с рядом распространенных базовых схем на ОУ, анализ которых проводится на основе идеализированных представлений о свойствах различных видов обратных связей, изложенных ранее.

106

5.2.1. ИНВЕРТИРУЮЩЕЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Схема инвертирующего усилителя на ОУ (рис. 5.4) основана на свойствах параллельной отрицательной обратной связи по напряжению, полученных ранее.

1. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью:

2. Входное сопротивление:

ОС R1

Выражение (5.5) позволяет рассматривать ОУ с резистивными элементами параллельной обратной связи как масштабирующий, в котором масштабирующий коэффициент практически не зависит от свойств собственно усилителя, а зависит только от точности и стабильности внешних сопротивлений R1 и R2.

б) Суммирующий усилитель

Операция суммирования электрических сигналов является весьма распространенной в аналоговой технике и реализуется с помощью схемы рис. 5.5. Здесь сигналы, подлежащие суммированию, подаются на инвертирующий вход ОУ. Поскольку входное сопротивление в точке инвертирующего входа достаточно мало (5.4), то взаимное влияние

107

источников входных сигналов практически отсутствует, а отбираемые

ный ток от источников входных сигналов замыкается через резистор R0, создавая выходное напряжение:

Рис. 5.5

Таким образом, суммирующий усилитель можно рассматривать как устройство с несколькими входами, коэффициент по каждому из которых определяется только отношением соответствующих резисторов.

в) Интегрирующий усилитель

Функцию интегрирования при определенных значениях элементов выполняет схема рис. 5.6.

С1

R2

UВХ R1

К

UВЫХ

Рис. 5.6

108

Из формулы (5.3) имеем

передаточная функция схемы приобретает свойственный интегрирующему вид:

Кажущееся на первый взгляд излишним сопротивление R2 выполняет, однако, важную роль в работе схемы, обеспечивая стабилизацию режима ОУ по постоянному току.

5.2.2. НЕИНВЕРТИРУЮЩЕЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Схема неинвертирующего усилителя (рис. 5.7) – это пример усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, свойства которой были отмечены ранее. Функцию четырехполюсника обратной связи здесь выполняет делитель напряжения R1, R2, с помощью которого формируется сигнал обратной связи на инвертирующем входе ОУ. Из формулы для коэффициента усиления усилителя с обратной связью получим

К

UВЫХ

UВХ

Рис. 5.7

109