КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника
.pdf
313
кие повторители широко применяются в измерительной и медицинской ап- паратуре, например в качестве входных каскадов усилителей вертикального отклонения осциллографа.
+Uп
VT1
Uвх
R1
VT2 |
Uвых |
|
R2 |
|
-Uп |
+Uп |
Iн |
VT |
Rи |
_ |
а б в Рисунок 14 – Схемы на ПТ: а – повторитель на согласованных ПТ;
б – генератор тока на ПТ; в – стабилизатор тока на ПТ
Источник тока на ПТ
Схема, представленная на рисунке 14,б, является генератором тока. Известно, что в n-канальном ПТ с управляющим затвором ток стока
течет и тогда, когда вспомогательной напряжение Uзи равно нулю. Это по- зволяет выполнить источник тока в виде двухполюсника. Благодаря этому схема может включаться вместо любого омического сопротивления. Такая схема позволяет стабилизировать ток в заданной ветви.
Для определения величины резистора обратной связи Rи можно вос- пользоваться формулой вытекающей из передаточной характеристики тран- зистора:
Uзи + |
|
(1 − |
|
) |
|
|
|
Uomc |
Ica Icн |
|
|||||
Rи = |
|
|
|
|
, |
(13) |
|
|
|
|
|
||||
Ica
где: Uзи - напряжение подаваемое на затвор ПТ с резистивного делителя (для схемы на рисунке 14,в - Uзи = 0);
Iса - требуемое значение выходного тока источника.
Внутреннее сопротивление такого источника тока составляет величи- ну порядка сотен кОм. Данная схема позволяет получать токи величиной от десятков мА до единиц мкА. Последняя особенность, особенно ценна для измерительной техники, так как создание на биполярных транзисторах ис- точников малых токов весьма затруднено из-за большой температурной не- стабильности теплового тока коллектора в данном режиме.
314
Полевой транзистор в качестве управляемого сопротивления
Из рассмотрения характеристик полевого транзистора следует, что вольтамперная характеристика ПТ при малых величинах напряжения сток- исток почти такая же, как у омического сопротивления. Величину сопро- тивления канала ПТ можно менять в широких пределах путем изменения напряжения затвор-исток Uзи.
Для того, чтобы можно было отчетливее наблюдать этот эффект, на рисунке 15,а представлено семейство выходных характеристик ПТ вблизи нулевой точки. Для определения величины эквивалентного сопротивления канала Rcи пользуются выражением:
Rси ≈ |
1 |
. |
|
(14) |
|
|
|||||
|
S |
|
|||
Минимальное значение сопротивление канала будет при Uзи=0, |
|
||||
Rсимин ≈ |
1 |
. |
(15) |
||
|
|||||
|
|
|
Sн |
|
|
Для маломощного ПТ эта величина колеблется от 50 до 500 Ом. Специальные ПТ предназначенные для работы в качестве управляе-
мых сопротивлений и в аналоговых коммутаторах имеют сопротивление канала около 10 Ом.
а б Рисунок 15 - Выходные характеристики ПТ: а – без линеаризации;
б – для линеаризованного ПТ
Схема регулятора напряжения на ПТ показана на рисунке 18,а. Он по- зволяет передавать цифровые сигналы величиной в несколько вольт, анало- говые сигналы могут иметь величину до десятых долей вольта. При боль- ших амплитудах возникают существенные искажения. При больших напря- жениях между стоком и истоком характеристики ПТ становятся нелиней- ными, как. это видно из рисунка 15,а.
315
R1 |
|
|
VT |
Uвх |
Uвых |
Uзи |
|
а |
б |
Рисунок 16 – Делители напряжения на ПТ: а – простая схема делителя напряжения; б – линеаризованная схема делителя напряжения
При передаче через такие устройства аналоговых сигналов необходи- мо линеаризовать их характеристики. Такая схема приведена на рисунке 16,б. Для этого часть напряжения сток-исток добавляется к напряжению за- твор-исток с помощью резисторов R1 и R2 и компенсирует нелинейность. Оптимальная линеаризация характеристик достигается при выборе
R1 ≈ R2 Rси .
Линеаризованное семейство характеристик ПТ приведено на рисунке 15,б. Отклонение от линейной зависимости при значении Uзи <1В состав- ляет для них не более 1%.
Контрольные вопросы
1.Полевые транзисторы и их разновидности.
2.Принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п пере-
ходом.
3.Принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором.
4.Основные характеристики полевых транзисторов (понятия началь- ного тока стока, крутизны).
5.Схемы включения полевых транзисторов (с ОИ, ОС и ОЗ).
6.Свойства и области применения усилительных каскадов на поле- вых транзисторах.
7.Источник тока на полевом транзисторе.
8.Применение полевого транзистора в качестве управляемого сопро- тивления.
316
Лекция 4.5 Электронные усилители. Обратные связи в усилителях
План лекции
1)Основные характеристики и параметры усилителей. Многокаскад- ные усилители.
2)Обратная связь в усилителях. Классификация видов обратной свя- зи и ее влияние на характеристики усилителя.
3)Использования положительной обратной связи для создания авто- генераторов и их разновидности.
4.5.1Многокаскадные усилители. Виды связей между каскадами
Усилители – это электронные устройства, предназначенные для по- вышения (усиления) мощности входного сигнала за счет энергии источни- ка питания.
С точки зрения электрических свойств любой усилитель можно рас- сматривать как четырехполюсник. На два входных зажима поступает вход- ной сигнал, а с двух выходных зажимов снимается выходной сигнал.
Рисунок 1 – Общая структура усилителя
На рисунке 1: Eг и Rг - ЭДС и внутреннее сопротивление источни- ка сигнала, соответственно; Zн - полное сопротивление нагрузки. Эквива- лентная электрическая схема усилителя показана на рисунке 2.
Любой усилитель со стороны входа может быть представлен некото- рым входным сопротивлением Rвх.
Со стороны выхода усилитель может быть представлен в виде управляемого источника напряжения Ku Uвх (либо управляемого источ- ника тока ) и некоторым выходным сопротивлением Rвых .
Как правило, в усилителях вход и выход связаны общей шиной (за- земление корпуса).
317 |
Рисунок 2 – эквивалентная схема усилителя |
Иногда используются усилители, не имеющие гальванической связи между входом и выходом – изолирующие УЭ.
Основные характеристики и параметры усилителей
Основные параметры – коэффициенты усиления. По напряжению
Ku = |
Uвых |
≈ |
dUвых |
= |
U ~вых |
|
||
|
|
|
|
, |
(1) |
|||
|
|
|
||||||
|
Uвх |
|
dUвх |
|
|
U ~вх |
|
|
где Uвых и Uвх - изменение выходного напряжения усилителя и вы- звавшее его изменение входного напряжения, соответственно;
U ~вых и U ~вх - действующие значения входного и выходного переменно- го напряжения соответственно.
По току
Ki = |
I ~вых |
|
|
|
, |
(2) |
|
|
|||
|
I ~вх |
|
|
где I ~вых и I ~вх - действующие значения выходного и входного перемен- ного тока, соответственно.
По мощности
Kp = |
Pвых |
, |
|
|
(3) |
||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Pвх |
|
|
|
||||
где Pвых и Pвх - выходная и входная мощность, соответственно. |
|
||||||||
Другими важными параметрами усилителя являются его входное |
|||||||||
Rвх и выходное Rвых сопротивления. |
|
||||||||
Входное сопротивление усилителя по переменному току равно |
|
||||||||
Rвх = |
U ~вх |
. |
|
(4) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
I ~вх |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Выходное сопротивление усилителя определяется так |
|
||||||||
Rвых = |
U ХХ |
вых |
|
||||||
|
|
|
|
, |
(5) |
||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
I КЗвых |
|
|||
318 |
где U ХХ вых - выходное напряжение усилителя в режиме холостого хода |
(при отсутствии нагрузки Zн ); |
I КЗвых - выходной ток усилителя в режиме короткого замыкания (при |
Zн = 0 ). |
Поскольку усилители содержат реактивные элементы и усилитель- |
ные свойства транзисторов зависят от частоты, то, следовательно, и коэф- |
фициент усиления зависит от частоты входного сигнала. |
Зависимость коэффициента усиления от частоты называется ампли- |
тудно-частотной характеристикой усилителя (АЧХ). Она показана на |
рисунке 3. |
Рисунок 3 – АЧХ электронного усилителя |
У идеального усилителя коэффициент усиления Ku не зависит от частоты, но у реального усилителя это не так.
Область частот входного сигнала в пределах, которых коэффициент усиления Ku = const = Ko - называется областью средних частот. Это рабо- чая полоса частот усилителя.
Со стороны низких частот она ограничена ωн - нижней частотой полосы пропускания. Со стороны верхних частот она ограничивается ωв -
верхней частотой полосы пропускания.
Границами полосы пропускания усилителя служат частоты, на кото-
|
|
|
|
|
|
|
рых коэффициент усиления падает в 2 |
раз. |
|||||
K (ωн) = K (ωв) = |
Ko |
|
= 0,707 Ko . |
(6) |
||
|
|
|
||||
|
||||||
2 |
|
|
|
|
||
Таким образом, полоса пропускания усилителя равна ω = ωв − ωн . В зависимости от вида АЧХ усилители делятся на:
- узкополосные усилители, если ω ωо, где ωо - центральная час- тота усиления;
319
- широкополосный усилитель, если ω ωо - широкополосный усилитель;
- полосовой усилитель, если ω ≈ ωо.
По частоте усиливаемых сигналов усилители делятся на следующие
типы:
-УПТ – усилители постоянного тока (0 – и выше);
-УНЧ – усилители низких частот (10 – 40 кГц);
-УПЧ – усилители промежуточных частот (≤1 МГц);
-УВЧ – усилители высоких частот (1 - 100 МГц);
-СВЧ – сверхвысокочастотные усилители (<1 ГГц);
-ОВЧ – особо высокочастотные усилители (>1 ГГц до 20 ГГц). Важной характеристикой усилителя является амплитудная характе-
ристика. Это зависимость выходного напряжения усилителя от входного Uвых = f (Uвх) при ω = const . Она показана на рисунке 4.
Рисунок 4 – Амплитудная характеристика усилителя 
Рассмотрим подробнее амплитудную характеристику. На графике:
1 – область внутренних шумов усилителя. Даже при отсутствии входного сигнала на выходе присутствует хаотический шумовой сигнал. Шумы обусловлены температурными шумами элементов (тепловой шум), дискретной природой электричества (квантовый), избыточными шумами транзисторов. Внутренние шумы ограничивают возможность усиления слабых сигналов снизу. Для уменьшения тепловых шумов активные эле- менты иногда охлаждают (жидким гелием, азотом).
2 – область линейного усиления. Здесь Uвых = Ku Uвх . Это рабочая часть характеристики.
3 – область ограничения выходного сигнала значением Uвых.max (нелинейных искажений выходного сигнала). Ограничение обусловлено
320
либо мощностью источника питания, либо нелинейностью ВАХ активного элемента.
Динамический диапазон усилителя, то есть, возможность усилителя усиливать как слабые, так и сильные сигналы определяется таким образом
D = |
Uвых. max |
. |
(7) |
|
|||
|
Uвых.ш |
|
|
Важным параметром усилителя является уровень нелинейных иска-
жений, который измеряется величиной коэффициента нелинейных иска-
жений.
Нелинейные искажения - это искажения формы входного сигнала, вызванные изменением спектрального состава сигнала в процессе усиле- ния (появление дополнительных гармоник, отсутствующих на входе).
Коэффициент нелинейных искажений определяется по выражению
∞
∑(UiВЫХ )
Kни = |
i=2 |
|
(U1ВЫХ )2 |
||
|
2
, |
(8) |
где UiВЫХ - i-я гармоника выходного напряжения; U1ВЫХ - первая гармоника выходного напряжения.
Нелинейные искажения в усилителе уменьшаются выбором рабочего режима с наибольшим линейным усилением, использованием высококаче- ственных элементов, использованием обратных связей.
Многокаскадные усилители
При усилении малых входных сигналов может оказаться, что коэф- фициент усиления одного каскада недостаточен для получения требуемой амплитуды сигнала на нагрузке.
С целью увеличения коэффициента усиления применяют последова- тельное включение усилительных каскадов. При этом входное сопротив- ление последующего каскада является нагрузкой для предыдущего.
Рисунок 5 - Структурная схема многокаскадного усилителя
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произве- дению коэффициентов усиления каскадов.
321
Ku = |
Uвых |
= |
Uвых1 |
|
Uвых2 |
... |
UвыхN |
= Ku1 Ku2... KuN . |
(9) |
|
|
|
|
||||||
|
Uвх Uвх1 Uвх2 |
UвхN |
|
||||||
Связь каскадов в многокаскадном усилителе может осуществляться с помощью разделительного конденсатора, трансформатора или непосредст- венно. В соответствии с этим различают усилители с конденсаторной, трансформаторной или с непосредственной связью.
Многокаскадный усилитель с конденсаторной связью приведен на рисунке 6,а. Общий вид такого усилителя показан на рисунке 6,б.
а
б
Рисунок 6 - Многокаскадный усилитель с конденсаторной связью: а - принципиальная схема; б – общий вид двухканального усилителя с
конденсаторной связью
Разделительный конденсатор Cp для предшествующего каскада вы-
полняет функцию выходного конденсатора, а для последующего – входно- го конденсатора. Для исключения частотных искажений усиленного сиг- нала и снижения коэффициента усиления многокаскадного усилителя ем- кость разделительного конденсатора выбирают такой, что бы на низшей усиливаемой частоте модуль емкостного сопротивления разделительного
322
конденсатора Xcp( n−1) предыдущего каскада был много меньше входного сопротивления последующего каскада Rвхn .
Достоинства усилителя с конденсаторной связью; стабильность ха- рактеристик; отсутствие температурного и временного дрейфа.
Недостатками являются: плохое согласование между каскадами, приводящее к увеличению числа каскадов для получения заданного коэф- фициента усиления; повышенные шумы; невозможность его полного ис- полнения в виде интегральной микросхемы (из-за наличия межкаскадных конденсаторов, которые выполняются навесными).
На рисунке 7, а представлен многокаскадный усилитель с трансфор- маторной связью. На рисунках 7,б и 7,в показан общий вид усилителя мощности, выполненного по данному принципу.
а
б в Рисунок 7 - Многокаскадный усилитель с трансформаторной связью:
а – принципиальная схема; б – усилитель мощности низкой частоты с выходным трансформатором; в – усилитель мощности высокой частоты
с трансформаторной связью