ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

ные колебания приобретают дополнительную амплитудную модуляцию, причем закон изменения амплитуды полностью повторяет закон изменения частоты ω. Пусть

Uвх (t) Uвх sin[0t (t)].

Тогда на выходе дифференциальной цепочки:

U вых KдифU вх .

Подав это напряжение на амплитудный детектор, получают изменение частоты.

2.4.2 Частотные детекторы с амплитудным преобразованием частотной модуляции

Принцип действия основан на том, что при прохождении колебаний с частотной модуляцией через резонансную цепь выходные колебания приобретают дополнительную амплитудную модуляцию, причем закон изменения амплитуды полностью повторяет закон изменения частоты ω. Схема такого детектора представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Схема частотного детектора с преобразованием на резонансном контуре

На транзисторе VT собран резонансный усилитель, контур которого расстроен относительно несущей частоты сигнала, т.е. резонансная частота контура LкCк выбирается так, чтобы область изменения частоты входного сигнала приходилась на скат резонансной характеристики контура (рисунок 2.6а).

На рисунке 2.6б получено изменение напряжения Um во времени. На рисунке 2.6в получено мгновенное значение напряжения U на

контуре. Это напряжение наряду с частотной модуляцией имеет и амплитудную модуляцию. Причем напряжение Um (см. рисунок 2.6а) меняется по закону изменения частоты входного сигнала.

21

Рисунок 2.6 – Резонансная характеристика контура и процесс детектирования сигнала с частотной модуляцией

Нелинейность склонов АЧХ приводит к искажениям. По этой причине обычно используют не детектор с одиночным колебательным контуром, а более сложные схемы с двумя контурами (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 – Схема частотного детектора с преобразованием на двух резонансных контурах

22

ЛЕКЦИЯ 3. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1 Усилители с непосредственной связью

Резистивно-емкостная (RC) связь позволяет наиболее просто осуществить независимость режимов работы каскадов по постоянному току, однако из-за больших значений электрической емкости разделительных конденсаторов вызывает существенные затруднения реализация RC-усилителей в виде интегральных микросхем.

Развитие современной микроэлектроники выдвинуло необходимость использования непосредственной связи между каскадами усилителя, когда коллектор транзистора предыдущего каскада гальванически связан с базой последующего. Однако в этом случае при заземленном эмиттере транзисторы, как правило, оказываются насыщенными, так как коллекторные резисторы определяют режим по постоянному току, как основного, так и последующего каскадов.

Для обеспечения работы транзистора в режиме класса А в эмиттерные цепи транзисторов включают резисторы RЭ.

Рисунок 3.1 – Схема многокаскадного усилителя

На рисунке 3.1 приведена схема n-каскадного усилителя с непосредственной связью между каскадами. Предположим, что транзисторы всех п каскадов усилителя на рисунке 3.1 работают в одинаковом режиме, т.е. их коллекторные токи покоя IK01, IK02,…, IK0n, определяющие режим класса А, равны между собой. Запишем выражения для напряжений на электродах соответствующих транзисторов относительно «земли»:

UK1 UБ 2 UЭ2 UK 2 ... UKn;

23

UЭ1 UK1 UЭ2 UЭn.

Учтем, что IK0 IБ0, а IK0 IЭ0:

UК1=EК IK01RК1;

…

UКn=EК IK0nRКn;

UЭ1≈IЭ01RЭ1;

…

UЭn=IЭ0nRЭn.

Из этих выражений следует, что

RK1 RK2 …RKn; (3.1)

RЭ1 RЭ2 … RЭn.

При уменьшении сопротивления резистора RK падает коэффициент усиления по напряжению каскада. При увеличении сопротивления RЭ возрастает глубина отрицательной обратной связи, что также приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Следовательно, получить большой коэффициент усиления в схеме усилителя (см. рисунок 3.1) путем введения дополнительных каскадов затруднительно, так как коэффициент усиления каждого последующего каскада уменьшается по сравнению с коэффициентом усиления предыдущего.

Не удается существенно увеличить коэффициент усиления, изменяя режим работы транзисторов каждого последующего каскада усилителя. Действительно, если увеличивать ток в каждом последующем каскаде, то, во-первых, число каскадов ограничивается допустимым током, протекающим через транзистор последнего каскада, во-вторых, при равенстве сопротивлений резисторы RЭ и RK различаются между собой сильнее, чем при одинаковых токах транзисторов.

При уменьшении тока в каждом последующем каскаде и равенстве резисторов RK сильнее проявляется неравенство (3.1), а число каскадов ограничивается минимальным током транзистора последнего каскада.

Для уменьшения глубины отрицательной обратной связи и увеличения таким образом коэффициента усиления в эмиттерные цепи каскадов следует включить элемент, сопротивление которого по постоянному току велико, а по переменному – мало. Таким элементом является стабилитрон, при включении которого необходимо, чтобы эмиттерный ток транзистора изменялся в пределах рабочего диапазона токов стабилитрона.

Схема двухкаскадного усилителя с использованием стабилитрона показана на рисунке 3.2. Хотя коэффициенты усиления отдельных кас-

24

кадов по-прежнему неодинаковы (коллекторные резисторы не равны), их различие меньше, чем в усилителе, изображенном на рисунке 3.1.

Рисунок 3.2 – Применение стабилитрона

Для получения большого коэффициента усиления в многокаскадном усилителе с непосредственной связью используют чередующиеся от каскада к каскаду транзисторы разного типа электропроводности (рисунок 3.3). Такой усилитель называется усилителем с дополнительной симметрией или комплементарным усилителем.

Рисунок 3.3 – Схема усилителя с чередованием транзисторов от каскада к каскаду

Схемы с непосредственной связью на полевых транзисторах строят по такому же принципу, что и схемы на биполярных транзисторах. Согласование каскадов получают, исходя из требуемой амплитуды

25

рабочего напряжения, вида характеристик полевого транзистора и напряжения питания.

При усилении переменного сигнала для отделения постоянной составляющей выходного напряжения от переменной составляющей (полезного сигнала) между заземленной нагрузкой Rn и выходной шиной усилителя включают разделительный конденсатор, емкость которого определяется низшей частотой усиливаемого переменного сигнала.

Непосредственная связь между каскадами усилителя позволяет также усиливать сигналы, медленно изменяющиеся во времени. Следовательно, усилитель с непосредственной связью можно использовать в качестве усилителя постоянного тока.

При усилении медленно изменяющегося сигнала применение разделительного конденсатора для отделения постоянной и переменной составляющих выходного сигнала невозможно, так как емкость конденсатора в этом случае должна быть бесконечно большой. Поэтому в схеме усилителя постоянного тока (рисунок 3.4) резистор Rn включен между выходной шиной усилителя и средней точкой делителя напряжения из резисторов R5–R6–R7, а входное напряжение определяется разностью потенциалов между базой транзистора входного каскада усилителя и средней точкой делителя из резисторов R1–R2. Тогда напряжению Uвх=0 будет соответствовать нулевое выходное напряжение.

Рисунок 3.4 – Схема усилителя постоянного тока

Для подстройки нуля на выходе усилителя служит переменный резистор R6.

Недостатком описанного способа включения нагрузки и источника входного сигнала в схему усилителя постоянного тока является от-

26

сутствие общей точки, т. е. нагрузочный резистор и источник входного сигнала оказываются не «заземленными».

Для устранения указанного недостатка применяют усилители постоянного тока с двумя источниками питания (рисунок 3.5). Элементы усилителя рассчитаны таким образом, чтобы в отсутствии входного сигнала, т.е. при Uвх=0, напряжение на выходе усилителя также было бы равно нулю.

Рисунок 3.5 – Схема усилителя с двумя источниками питания

Для этого необходимо сопротивления резисторов делителя напряжения R1 и R2 выбрать такими, чтобы падение напряжения на них в отсутствии входного сигнала было одинаковым

U R1 U K 0 ,

U R1 E2 .

Цепь делителя не должна влиять на режим работы транзистора. Поэтому ток Iдел выбирают из условия Iдел=(0,05 0,1)IК0. Тогда сопротивления R1 и R2 можно определить из формул

Свойство схемы усиливать сигналы сколь угодно малой частоты приводит к возникновению так называемого дрейфа напряжения на выходе усилителя. Абсолютный дрейф усилителя Uвыхдр – это максимальное отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения за определенный промежуток времени при замкнутом входе.

27

Дрейф выходного напряжения обусловлен самопроизвольным изменением во времени напряжения источников питания и смещения (временной дрейф), а также нестабильностью параметров усилительных элементов при изменении температуры окружающей среды (температурный дрейф).

Значение U выхдр (дрейф, приведенный к входу усилителя) огра-

Ku

ничивает минимальный входной сигнал и определяет чувствительность усилителя.

В транзисторных усилителях постоянного тока основное влияние оказывает температурный дрейф. Используя коэффициент температурной нестабильности, температурный дрейф одного каскада можно за-

писать как Uвыхдр(t)=ΔIК0RК. Следовательно, для уменьшения абсолютного дрейфа усилителя Uвыхдр(t) следует воспользоваться метода-

ми термостабилизации рабочей точки.

Следует понимать, что приведенный дрейф снижается при уменьшении сопротивлений в цепи эмиттера и базы.

Оценим влияние дрейфа отдельных каскадов на результирующую величину дрейфа многокаскадного усилителя постоянного тока.

Рисунок 3.6 – Влияние дрейфа отдельных каскадов в трехкаскадном усилителе

Пусть, например, на входе каждого каскада трехкаскадного усилителя (рисунок 3.6) действует источник дрейфа Uдр1, Uдр2, …, Uдрn. Тогда абсолютный дрейф усилителя, каждый каскад которого инвертирует фазу входного сигнала, определяет приведенный дрейф усилителя, равный

Из приведенного выражения можно сделать следующие выводы: а) при проектировании многокаскадных усилителей постоянного

тока для уменьшения дрейфа целесообразно использовать четное число

28

каскадов, так как при этом происходит частичная компенсация составляющих дрейфа;

б) наибольшее влияние на величину дрейфа всего усилителя оказывает дрейф первого (входного) каскада, к которому предъявляются наиболее высокие требования по его стабильности. При проектировании усилителей постоянного тока с малым уровнем дрейфа часто в качестве входного используют дифференциальный каскад, свойства которого подробно рассматриваются в следующем разделе.

В настоящее время на базе усилителей с непосредственной связью выпускаются дешевые универсальные линейные интегральные микросхемы (ИМС), позволяющие проектировать различные маломощные усилители низкой частоты.

Полупроводниковая ИМС типа К122УС1 (серия К122) включает в себя двухкаскадный усилитель с непосредственной связью, охваченный общей параллельной и местной последовательной отрицательной обратной связью по току. Обратную связь по переменному току можно исключить, подключив внешний блокировочный конденсатор. При наличии блокировочного конденсатора и большом сопротивлении нагрузки (Rn→0) в схеме К122УС1Б коэффициент усиления по напряжению будет составлять от 600 до 1200, входное сопротивление 2 кОм, верхняя граничная частота 200 кГц.

Если блокировочный конденсатор отсутствует, то схема К122УС1Б имеет следующие параметры: коэффициент усиления по напряжению от 140 до 190; входное сопротивление от 30 до 60 Ом; верхняя граничная частота 500 кГц.

Гибридно-пленочная ИМС типа К237УС1 (серия К237) представляет собой четырехкаскадный усилитель с непосредственной связью, охваченный параллельной обратной связью по постоянному напряжению. Выходной каскад имеет среднюю точку. Схема предназначена для работы в устройстве бестрансформаторного усилителя мощности класса В. Коэффициент усиления по напряжению в такой схеме составляет от 8000 до 15000.

29

ЛЕКЦИЯ 4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Дифференциальный усилитель (ДУ) (рисунок 4.1) имеет две входные и две выходные шины. Он предназначен для усиления переменного и постоянного сигнала на фоне большого уровня помех.

Различают симметричный выход дифференциального усилителя, когда выходное напряжение снимают между выходными шинами (рисунок 4.1а), и несимметричный выход, когда выходное напряжение снимают между одной из выходных шин и «землей» (рисунок 4.1б).

Рисунок 4.1 – Схема дифференциального усилителя

При подаче на входы усилителя напряжений Uвх1 и Uвх2 выходное напряжение в общем случае определяется выражением

сигнала, определяемая как разность потенциалов между входами усилителя;

жения, определяемая как полусумма входных напряжений;

Kид – коэффициент усиления дифференциального сигнала, определяемый при условии Uвхсф=0 (для обеспечения этого условия на входы усилителя подаются одинаковые по величине, но разные по полярности напряжения);

Kисф – коэффициент усиления синфазного сигнала, определяемый при условии Uвхд=0, для чего на входы усилителя подаются одинаковые по величине и полярности напряжения.

Синфазный сигнал представляет собой различные помехи и наводки, действующие одновременно на обоих входах усилителя. Поэто-

30