Лекции

чески нулевое его сопротивление по переменному току. Возможно возникновение паразитных связей за счет емкостной (электростатической) связи между входом и выходом в связи с наличием паразитных емкостей.

2.7.УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Особенностью усилителей постоянного тока (УПТ) является их возможность усиливать медленно меняющиеся во времени сигналы, частота которых приближается к нулю. В связи с этим УПТ имеют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) (рис. 2.21). Для обеспечения такой АЧХ необходимым является наличие непосредственной связи между каскадами и источником сигнала, т.е. в цепях связи должны отсутствовать конденсаторы и трансформаторы. Или, иными словами, в них существует связь по постоянному току, а следовательно, изменение режима работы предыдущего каскада скажется на величине выходного сигнала, который теперь будет не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым изменением во времени параметров каскадов по постоянному току. Самопроизвольное изменение выходного сигнала УПТ вследствие указанных причин при неизменном входном сигнале называется «дрейфом нуля» усилителя.

K

Рис. 2.21

Непосредственная связь в УПТ приводит к тому, что параметры режима покоя каждого каскада рассчитывают с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и к входной цепи последующего каскада. При этом особое внимание уде-

153

пряжение коллектора UкП=Ек–IкПRк. Коль скоро Uвх=0, то и Uвых должно равняться нулю, а для этого ток, текущий через нагрузку Rн, должен равняться нулю, т.е. Iвых=0. Для обеспечения этого условия, т.е. чтобы Iвых=0 при UКП 0, вводят источник компенсирующего напряжения Екомп=UКП.

В динамическом режиме, т.е. при Uвх > 0, рабочая точка перемещается по передаточной характеристике в направлении, зависящем от знака Uвх. Пусть Uвх > 0, т.е. потенциал базы повышается, ток базы Iб растет, растет ток коллектора Iк и, как следствие, напряжение коллектора падает, т.е. становится меньше, чем в режиме

покоя. Так как Екомп=const, через нагрузку течет ток Iвых<0 и Uвых=IвыхRн < 0. При смене знака входного сигнала, т.е. Uвх < 0, картина меняется на противоположную, т.е. можно сказать, что дан-

ный каскад инвертирующий.

Значительное воздействие, как отмечалось ранее, на работу УПТ оказывает изменение температуры окружающей среды (см. рис. 2.23). Предположим, что температура увеличилась T , то-

гда ток коллектора Iк при неизменном UбэП тоже возрастет, следовательно, напряжение Uкэ уменьшится. То есть при новой температуре передаточная характеристика пойдет круче (как показано пунктиром) и на выходе появится Uвых 0 при Uвх=0, поскольку UКП Eкомп . Для предотвращения появления ложного сигнала на выходе УПТ вследствие изменения температуры, т.е. для стабилизации режима покоя, вводят отрицательную обратную связь (ООС) по току коллектора посредством включения сопротивления в цепь эмиттера Rэ. Напряжение эмиттера в режиме покоя определяется выражением UЭП=IЭПRэ IКПRэ, а напряжение на эмиттерном переходе UбЭП = Есм – UЭП теперь не постоянно, как ранее, а зависит от изменений UЭП.

Предположим, температура возросла T , тогда IКП , UЭП ,

а UбЭП , ток базы покоя IбП тоже уменьшится, следовательно, уменьшится и IКП. При равенстве положительных и отрицательных приращений ток коллектора практически останется неизменным IКП=const, напряжение UКЭП=const и точка покоя на передаточной характеристике (см. рис. 2.23) будет определяться П". То есть вы-

–Eк

Рис. 2.25

В режиме покоя необходимое смещение эмиттерного перехода (или напряжения база-эмиттер) определяется напряжением эмиттера относительно земли, взятым с противоположным знаком,

т.е. Uсм = UбП = –UэП, а UэП = –Ек + IэПRэ. Чтобы при Uвх = 0 выходное напряжение тоже равнялось нулю (Uвых = 0), необходимо, что-

бы потенциал точки А относительно земли равнялся нулю. А это возможно, если при протекании тока через R1 на нем падало бы напряжение, равное напряжению коллектора в режиме покоя, т.е. UКП. Тогда получаем

UВЫХ UКП UКП ЕК R1 0,

R1 R2

или UКПR1 UКПR2 UКПR1 EК R1.

То есть необходимо, чтобы выполнялось соотношение

Недостатком данного каскада является потеря на R1 части полезного сигнала, что приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Следует отметить, что, несмотря на использование во всех трех схемах Rэ в качестве сопротивления обратной связи, режим работы транзисторов все же зависит от изменений температуры. Поэтому минимальные изменения напряжения на коллекторах транзисторов первых каскадов за счет температурных воздействий или нестабильности источников питания усиливаются последую-

вательно, и UбэП. Пусть точка покоя соответствует середине передаточной характеристики (см. рис. 2.23) и симметрия плеч моста

обеспечена. Тогда IКП1 = IКП2, UКП1 = UКП2 и Uвых = UКП2 – UКП1 = = Uвых2 – Uвых1 = 0. Следует отметить, что для обеспечения режима

покоя здесь не требуется дополнительного источника компенсирующего напряжения, что, естественно, очень удобно.

Главным же достоинством такого каскада является сведение к минимуму дрейфа нуля при непостоянстве температуры окружающей среды и нестабильности источников питания. Действительно, допустим, что температура повысилась, т.е. T , тогда UКП1 и

UКП2 , но UКП1 UКП2 (т.к. плечи симметричны) и Uвых 0. Или предположим, что напряжение источника питания увеличи-

лось, т.е. ЕК , тогда UКП1 и UКП2 , но при равенстве их приращений Uвых 0, т.е. любые симметричные изменения не вызы-

вают дрейфа нуля.

Помимо сказанного следует отметить, что в параллельнобалансном каскаде обеспечивается в достаточно высокой степени и стабильность (неизменность) режима покоя за счет включения сопротивления обратной связи Rэ. Аналогично предыдущему случаю предположим, что выросла температура, т.е. T , тогдаIКП1 IКП2 0, приращение суммарного тока, протекающего через

Rэ, I0 0. Но при этом Uэ 0, а Uбэ<0, как следствие, эмиттерные переходы подзакрываются, т.е. IКП1 IКП2 0 и I0 = const. То есть в результате наличия отрицательной обратной связи по току обеспечивается постоянство тока I0. На практике для обеспечения более высокой степени постоянства этого тока резистор Rэ заменяют источником постоянного тока I0.

В динамическом режиме, т.е. при наличии входного сигнала, способы подачи самого входного сигнала могут быть различными. Остановимся на них.

Если на входы подаются сигналы, равные по величине, но противоположные по знаку, то они называются парафазными. Ра-

3. УСТРОЙСТВА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

3.1.ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Термин «операционный усилитель» (ОУ) относится к усилителям постоянного тока (УПТ) с весьма большим коэффициентом усиления (в идеале Ku Uвых Uвх ), большим входным сопро-

тивлением Rвх и малым выходным сопротивлением Rвых 0. Операционный усилитель имеет дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход (один вывод). Само название операционных усилителей обусловлено их первоначальным применением преимущественно для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и т.д.). Раньше ОУ создавались на дискретных компонентах и разработчики стремились к наиболее простому, экономичному их исполнению. Ныне, в связи с широким внедрением ИМС, задача перед разработчиком стоит иная, а именно – использовать готовые, серийно выпускаемые, наиболее совершенные и универсальные узлы, которые можно было бы применять в самых разнообразных устройствах. Применение таких ИМС оправдано даже в тех случаях, когда ряд их параметров или возможностей в конкретном устройстве будет недоиспользован.

В свете сказанного следует отметить, что на сегодняшний день наиболее распространенной усилительной ИМС является именно операционный усилитель (ОУ). Предназначен ОУ для использования в аппаратуре самых различных типов: в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, стабилизаторах напряжения, активных фильтрах, устройствах, реализующих математические операции над сигналами, и т.д. и т.п.

На рисунке 3.1 представлено условно-графическое изображение операционного усилителя.