КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

323

С помощью трансформатора на вход последующего каскада переда- ются переменные составляющие тока и напряжения.

Достоинства такого усилительного каскада – это возможность мас- штабирования тока и напряжения, которые поступают на вход последую- щего каскада. Как правило, для последующего каскада уменьшается ам- плитуда напряжения, но возрастает амплитуда тока, так как биполярные транзисторы управляются током.

Но у данного усилительного каскада есть и свои недостатки: слож- ность изготовления и сложность микроминиатюризации.

Последний вид соединения каскадов – непосредственное соединение (рисунок 8). Это так называемые усилители постоянного тока (УПТ).

а

б в г Рисунок 8 – Усилитель постоянного тока (с непосредственной связью) и

примеры УПТ в интегральном исполнении : а – принципиальная схема;

б– К140УД7А; в – К140УД20А; г – КР544УД2

Вусилителях с непосредственным соединением каскадов обеспечи- вается возможность усиления сигналов низких частот вплоть до постоян-

324

ного тока, поскольку отсутствуют разделительные конденсаторы. В таких усилителях появляется сложность в стабилизации положения рабочей точ- ки в последующих каскадах, поскольку уход рабочей точки предыдущим каскадом в режиме покоя влияет на положение точки последующего кас- када.

Современные УПТ изготавливаются полностью в интегральном ис- полнении, примеры приведены на рисунках 8,б, 8,в и 8,г.

4.5.2 Обратная связь в усилителях. Классификация видов обратной связи и ее влияние на характеристики усилителя

Обратная связь - это мощное схемотехническое средство, позволяю- щее изменять свойства усилителей в широком диапазоне в сторону необ- ходимых параметров.

На практике ни один усилитель не используется без обратной связи

(ОС).

Обратной связью называют передачу части энергии из выходной

цепи во входную цепь усилителя.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется на рисунке 9.

Рисунок 9 - Принцип организации отрицательной обратной связи

На рисунке 9 выходное напряжение Uвых поступает на вход цепи обратной связи (ЦОС) с коэффициентом передачи 0 < β <1. Сформиро- ванное на выходе ЦОС напряжение обратной связи величиной β Uвых

проступает на вход усилителя, где складывается (+) или вычитается (-) из входного напряжения Uвх.

Если, напряжение обратной связи вычитается из входного напряже- ния, обратная связь называется отрицательной.

Если, напряжение обратной связи складывается с входным напряже- нием, обратная связь называется положительной.

Если электрический сигнал после звена ЦОС пропорционален вы- ходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по на-

325

пряжению; если сигнал на выходе звена ЦОС пропорционален току в вы- ходной цепи, то используется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти все характеристики усилителей.

Различают ОС по принципу действия и способу подачи сигнала во входную цепь усилителя.

По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя разли- чают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается последовательно с напряжени- ем источника входного сигнала (рисунок 10,а), а во втором - параллельно (рисунок 10,б).

в г Рисунок 10 – Виды обратной связи: а – последовательная;

б - параллельная; в – по напряжению; г – по току

Резисторы R1 и Roc на рисунке 10,б позволяют просуммиро- вать токи от источника и цепи обратной связи. Непосредственное парал- лельное соединение входного источника и выхода ЦОС невозможно, так как равносильно подключению двух источников ЭДС параллельно.

327

В результате получим следующее выражение:

В формуле (12) знак «плюс» для отрицательной обратной связи, знак «минус» - для положительной обратной связи.

Выражение показывает, что введение ООС приводит к уменьшению результирующего коэффициента усиления. Практически это единственное негативное свойство ООС.

Приняв допущение, что коэффициент усиления Ku стремится к бес- конечно большой величине, исходя из формулы (12) получим следующее выражение:

Если β меньше единицы, то коэффициент усиления будет Koc >1.

При таком коэффициенте передачи ЦОС может быть реализован на пас- сивных элементах, например, резисторах.

Поскольку ЦОС может быть реализован на пассивных элементах, его коэффициент передачи может быть стабилен, и не зависим от температу- ры, времени и прочих дестабилизирующих факторах.

Кроме того, ООС расширяет полосу пропускания и линейный уча- сток амплитудной характеристики, что приводит к уменьшению искаже- ний как линейных, так и нелинейных.

Можно показать, что при ООС параметры усилителя будут следую-

328

4.5.3 Использования положительной обратной связи для создания автогенераторов и их разновидности

При построении любых генераторов сигналов необходима положи- тельная обратная связь. Любой усилитель, при охвате его ПОС определен- ной величины превращается в генератор незатухающих колебаний.

Условием генерации будет являться соотношение

На частоте генерации потери в цепи ОС должны восполняться уси- лителем. Кроме того, на частоте генерации сдвиг фаз по цепи усилитель- цепь ОС должен быть нулевым или сигнал ОС должен приходить в фазе с входным сигналом, а это и есть условие ПОС.

Если условие (14) выполняется для некоторого спектра частот, то на выходе генератора формируются сигнал по форме близкий к меандру. По- скольку такой сигнал состоит из множества синусоидальных гармоник, та- кие генераторы называют – мультивибраторы. Это генераторы многих (мульти) гармоник.

Для генерирования сигнала одной частоты условие генерации долж- но выполняться только для этой определенной частоты.

То есть, для того, чтобы генерация происходила на одной частоте, нужно, чтобы сам усилитель или ЦОС обладали частотно-избирательными свойствами. Чаще всего используется пассивная частотно-избирательная цепь, а усилитель обычный или частотно-независимый. В качестве частот- но-избирательных цепей используются LC – цепи, либо RC – цепи.

В высокочастотных генераторах обычно применяют параллельные и ли последовательные колебательные контура. Как известно LC контур об- ладает ярко выраженными частотно избирательными свойствами.

Полоса пропускания - f = foQ , где fo = 1L C , а Q – доброт-

ность контура, Высокочастотный контур имеет узкую полосу пропускания и ис-

пользуется в фильтрах, а также для организации частотно избирательной ОС в генераторе.

Генераторы с LC контуром, как правило, используются на частотах более 100 кГц.

LC генераторы обладают более высокой стабильностью частоты, чем генераторы с RC цепями.

На низких частотах, LC контура становятся более дорогими и гро- моздкими, поэтому здесь используют RC частотно-избирательные цепи

Для обеспечения сдвига фаз Δϕ = 2π на частоте генерации использу- ют либо совокупность дифференциальных цепей, либо интегрирующие цепи. Так строят генераторы на одну фиксированную частоту.

Мост Вина также широко используется для построения синусои- дальных генераторов низкой частоты.

Другим примером RC цепи, которая широко используется при по- строении генераторов сигналов, является двойной Т-мост. Его схема, АЧХ и ФЧХ показаны на рисунке 12,г, 12,д и 12,е, соответственно.

Контрольные вопросы

1.Основные характеристики и параметры усилителей.

2.Многокаскадные усилители. Коэффициент усиления и виды связей

вмногокаскадном усилителе.

3.Усилитель с непосредственной связью между каскадами. Частот- ная характеристика, свойства и области применения.

4.Усилитель с RC связью между каскадами. Частотная характери- стика, свойства и области применения.

5.Усилитель с индуктивной связью между каскадами. Частотная ха- рактеристика, свойства и области применения.

6.Обратная связь в усилителях. Классификация видов обратной свя- зи и ее влияние на характеристики усилителя.

7.Использования положительной обратной связи для создания авто- генераторов и их разновидности.

331

Лекция 4.6 Операционные усилители и их применение

План лекции

1)Дифференциальный усилитель. Основные параметры и реализация.

2)Операционный усилитель (ОУ). Основные параметры и классифи- кация ОУ. Идеальный ОУ Линейный усилитель на ОУ.

3)Сумматор, интегратор, логарифмирующий усилитель. Расчет ос- новных параметров.

4.6.1Дифференциальный усилитель. Основные параметры и реализация

Дифференциальный усилитель (ДУ) - это симметричный усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. Основная схема его приведена на рисунке 1, а. В общую эмиттерную цепь включен источник стабильных эмиттерных токов. При отсутствии сигнала Uвх1 =Uвх2 = 0 . В этом случае ток Io вследствие симметрии равномерно распределяется между транзисторами VT1 и VT2. Он обеспечивает посто- янство суммы Io обоими транзисторами VT1 и VT2.

Тогда получим:

Пренебрегая малыми токами баз транзисторов, можем считать, что

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель: а – принципиальная схема ДУ; б – передаточная характеристика ДУ

Эти соотношения не изменятся, если оба входных напряжения полу- чат одинаковые приращения (это называется - синфазный входной сигнал). Так как в этом режиме коллекторные токи равны друг другу, то постоянна

332

и разность выходных напряжений, то есть коэффициент усиления для син- фазного сигнала в идеальном дифференциальном усилителе равен нулю.

Если Uвх1 > Uвх2 , то изменяется распределение токов: ток Iк1 уве- личивается, а ток Iк2 уменьшается. Их сумма при этом остается постоян- ной. Поэтому Iк1 = − Iк2 . Таким образом, разность входных напряжений Uд = Uвх1 − Uвх2 в отличие от синфазного сигнала вызывает изменения выходного напряжения. Она называется – дифференциальным входным

сигналом.

Изменения напряжения база-эмиттер транзисторов, происходящие под воздействием температуры окружающей среды, действует как синфаз- ный сигнал и, следовательно, не влияют на работу схемы. Поэтому данный каскад хорошо приспособлен к работе в качестве усилителя постоянного тока.

Картину распределения тока в одном из коллекторов дифференци- ального усилителя можно увидеть на передаточной характеристике, пока- занной на рисунке 1,б. Видим, что линейный участок ее составляет около

±2 UT ≈ ±50 мВ, это примерно в 20 раз больше, чем в усилителе с общим

эмиттером. Для получения искажений усиливаемого сигнала не более 1% надо, чтобы входной сигнал не превышал ±0,7 UT ≈ ±18 , для сравнения в

схеме с общим эмиттером он не должен быть больше ± 1 мВ. Коэффициент усиления такого усилителя для синфазного сигнала

при несимметричном выходе (то есть относительно общего провода «зем- ли») будет равен:

Коэффициент усиления относительно другого выхода будет:

Для дифференциального выхода коэффициент усиления будет в два раза выше. Типовое значение коэффициентов усиления Kд =50 - 100.

В реальных усилителях, коэффициент усиления для синфазного сиг- нала отличен от нуля. Это происходит из-за конечного значения выходного сопротивления источника тока в эмиттерной цепи транзистора.

Коэффициент усиления для синфазного сигнала определяется так:

где Ro - выходное сопротивление источника тока. Типовое значение ко- эффициента усиления для синфазного сигнала - Kсф = 10−3 .

Параметром качества дифференциального усилителя является отно- шение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффици-