книги / Физические основы электроники
..pdfотносятся: старение усилительных элементов и деталей схемы, изменения температуры, влажности и давления окружающей среды и др.
Способность усилителя изменять коэффициент усиления при воздействии дестабилизирующих факторов оценивают от носительным изменением коэффициента усиления при воздей ствии дестабилизирующих факторов бесконечно малой вели чины. Отрицательная обратная связь стабилизирует коэффи циент усиления усилителя, уменьшая его нестабильность.
Входное сопротивление. Обратная связь изменяет входное сопротивление цепи, в которую ее вводят. Изменение входно го сопротивления зависит от способа введения обратной свя зи во входную цепь, ее величины и фазы, но не зависит от способа снятия с выходной цепи. Последовательная отрица тельная обратная связь увеличивает входное сопротивление части усилителя, охваченной обратной связью. Этот вид связи используется во входных каскадах усилителей для обеспече ния при необходимости высокого входного сопротивления устройства. Положительная последовательная обратная связь при РК < 1 уменьшает входное сопротивление, а при рЛ" > 1 делает его отрицательным При параллельной отрицательной обратной связи входное сопротивление уменьшается незави симо от способа снятия обратной связи.
Выходное сопротивление. Его величина в усилителе со смешанной по выходу обратной связью зависит как от знака обратной связи, так и от того, какая связь преобладает — по току или по напряжению. Если в усилителе имеется только обратная связь по напряжению, то t/св.ю = 0 и получим
ZBUX.св —-----— . |
(5.84) |
1 _ ^св *Х
^вх.хх
Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление части схемы, охваченной обратной связью. Если в усилителе имеется только обратная связь по
току, ТО t/cB.хх — О И
|
|
f |
\ |
|
|
ZВЫХ. CB = zВЫХ 1Л CB.K3 |
(5.85) |
||
|
|
|
и вх.кз у |
|
Отрицательная обратная связь по току увеличивает вы |
||||
ходное сопротивление |
части усилителя, охваченного обрат- |
|||
( |
и |
) |
|
|
НОИ связью, в |
1 +-JZB- |
раз. |
|
|
|
и,ВХ.КЗ |
/ |
|
|
Частотная, фазовая и переходная характеристики. Обрат ная связь, изменяя коэффициент усиления усилителя, изменяет его частотную, фазовую и переходную характеристики. Опре делим из формулы (5.81) модуль коэффициента усиления уси лителя с обратной связью Ксв и вносимый им угол сдвига фа зы фев. Эти формулы позволяют рассчитать частотную и фа зовую характеристики усилителя с обратной связью по час тотной и фазовой характеристикам цепи обратной связи и частотной и фазовой характеристикам усилителя без обрат ной связи.
Для усилителя без обратной связи коэффициент частот ных искажений М = Кср/К равен отношению коэффициента усиления усилителя на средней частоте к коэффициенту уси ления усилителя на рассматриваемой частоте. Для усилителя с
обратной связью |
|
М = Кср. СВ /Ксв |
(5.86) |
Учитывая это, для частотно-независимой отрицательной обратной связи (|3 = ~Р) при малых фазовых сдвигах в усили
теле отрицательная обратная связь уменьшает частотные ис кажения и фазовые сдвиги усилителя примерно во столько же раз, во сколько и коэффициент усиления.
Если усилитель не вносит частотных искажений и фазо вых сдвигов, то частотно-зависимая отрицательная обратная связь при малых фазовых сдвигах (cos фР * -1) приведет к по явлению в усилителе с обратной связью частотных искажений и фазовых сдвигов. Этот вид связи вносит в усилитель час тотные искажения и фазовые сдвиги, противоположные имеющимся в цепи обратной связи.
5.9. Усилители постоянного тока
Усилителями п о с то я н н о го тока (УПТ) называют усилите ли, коэффициент усиления которых отличен от нуля при to = 0.
Усилители постоянного тока являются основными эле ментами электронных моделирующих машин (операционные усилители) и преобразователей напряжения в цифровой код. Широко используются в различных видах автоматических регуляторов и стабилизаторов напряжения и др. Для соедине ния каскадов усилителей широко используется непосредст венная связь. Такая связь вносит в усилитель постоянного тока ряд специфических особенностей, затрудняющих как построение усилителя, так и его эксплуатацию. Одной из трудностей, с которыми приходится сталкиваться при по строении усилителя постоянного тока, является задача согла сования потенциалов в точках подключения источника сигна ла ко входу усилителя, в точках соединения каскадов и в точ ках включения нагрузки к выходу усилителя.
Более сложной задачей является обеспечение высокой стабильности работы усилителя при изменении напряжений источников питания, режимов работы усилительных элемен тов и их параметров. Любые, даже очень медленные измене ния перечисленных величин вызывают медленные изменения токов, которые через цепи гальванической связи передаются на выход усилителя и приводят к изменениям выходного на пряжения. Эти изменения выходного сигнала неотличимы от изменений, вызванных воздействием полезного сигнала на входе усилителя. Изменения выходного напряжения, не свя занные с входным напряжением и обусловленные внутренни ми процессами в усилителе, называются дрейфом нуля усили теля.
Абсолютный дрейф нуля усилителя обычно определяется как максимальное изменение выходного напряжения при зам кнутом входе за определенный промежуток времени. Приве денный ко входу дрейф усилителя вычисляется путем деления абсолютного дрейфа на коэффициент усиления усилителя:
С/ар.вх = |
. |
(5.87) |
Ки
Величина UaР ограничивает минимальный различимый входной сигнал, т.е. по существу определяет чувствительность усилителя. Задача уменьшения дрейфа нуля особенно важна для многокаскадных усилителей постоянного тока на транзи сторах вследствие большой зависимости параметров транзи сторов от температуры.
УПТ могут быть однотактными и двухтактными, выпол ненными по балансовой схеме. Основными показателями усилителей постоянного тока являются: дрейф нулевого уров ня выходного напряжения, коэффициент усиления, диапазон изменений входного и выходного напряжений, величины входного и выходного сопротивлений и полоса пропускания.
Дрейф нуля усилителей постоянного тока. Причины неста бильности нулевого уровня усилителя постоянного тока весь ма разнообразны. К ним относятся:
1)колебание напряжений источников питания;
2)изменения во времени и с температурой номинальных значений сопротивлений схемы;
3)хаотическая ползучесть параметров транзистора во
времени и сильная зависимость их от температуры. Дрейф нуля вследствие двух первых причин можно свести
к минимуму, используя для питания стабильные источники (стабилизаторы напряжения), отрицательную обратную связь, включение в схему сопротивлений с малым температурным коэффициентом напряжения и др. Наибольшую нестабиль ность вносят изменения температуры, вызывающие темпера турный дрейф. Этот дрейф связан с изменением обратного тока коллектора /ко и коэффициентом передачи тока базы В с температурным смещением входной характеристики транзи стора (изменения t/бэ). Температурные изменения имеют за кономерный характер и в некоторой степени компенсированы схемным путем.
В УПТ можно применять лишь те германиевые транзи сторы, которые имеют малый обратный ток коллектора. У кремниевых транзисторов ток /ко на несколько порядков меньше, чем у германиевых, и с этой точки зрения кремние вые транзисторы предпочтительней. В УПТ на германиевых транзисторах с малыми токами /ко при комнатных температу рах в ряде случаев можно получить меньший дрейф, так как
при комнатной температуре изменение коэффициента пере дачи кремниевых транзисторов обычно в несколько раз боль ше, чем германиевых. Для работы при повышенных темпера турах наиболее пригодны кремниевые транзисторы.
Методы уменьшения дрейфа нуля. Для уменьшения дрей фа нуля УПТ могут быть приняты следующие меры.
1.Применение глубокой отрицательной обратной связи.
2.Компенсация температурного дрейфа элементами с не линейной зависимостью параметров от температуры.
3.Применение балансных (мостовых) схем.
4.Преобразование постоянного тока в переменный и уси ление переменного тока с последующим выпрямлением (Уси
ление с модуляцией и демодуляцией сигнала М—Д—М).
5. Применение дополнительного усилителя в цепи авто матической стабилизации нулевого уровня.
Балансные схемы усилителей. Применение балансных схем является надежным методом уменьшения дрейфа нуля. Балансные каскады в сочетании с взаимной компенсацией, глубокой отрицательной обратной связью и термокомпенса цией нелинейными элементами дают возможность существен но увеличить стабильность УПТ. Балансные схемы усилите лей в большинстве случаев являются двухтактными. В общем
случае для уменьшения дрейфа нуля могут применяться ба лансные схемы параллельного и последовательного типов. Наибольшее применение нашла схема параллельно-баланс ного типа, представленная на рис. 5.42. Коллекторные сопро тивления Лк1 и Ria и внутренние сопротивления транзисторов образуют четыре плеча моста (балансные схемы иногда назы ваются мостовыми). К одной диагонали моста подключается напряжение питания, а нагрузка включается между коллекто рами в другую диагональ моста. Входной усиливаемый сиг нал прикладывается к базам обоих транзисторов. При полной симметрии плеч схемы, когда RKi = RKI, транзисторы идентич ны и входной сигнал равен нулю, разность потенциалов меж ду коллекторами Т\ и Тг также равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то потенциалы коллекторов получают одинаковые по абсолютной величине, но разные по знаку приращения, и через нагрузку течет ток.
Параллельно-балансные схемы очень удобны в качестве выходных каскадов, если необходимо иметь симметрично из меняющееся напряжение или симметрично изменяющийся ток (например, для отключающих катушек электронно-лучевой трубки, обмоток реле и других устройств). Такие каскады иногда используют в качестве первых высокостабильных кас кадов многокаскадных усилителей. Их высокая стабильность обусловлена следующим. При изменениях напряжения пита ния Ек потенциалы коллекторов в симметричной схеме изме няются одинаково, а выходное напряжение и ток в нагрузке остаются неизменными. То же самое происходит и при темпе ратурных изменениях обратного тока коллектора, коэффици ента передачи тока базы и смещениях входной характеристи ки. В реальной схеме всегда имеется некоторая асимметрия, поэтому изменения токов в обоих плечах моста будут различ ными и некоторая нестабильность нуля сохранится.
Для повышения стабильности в цепь эмиттеров включа ется большое сопротивление R3. В симметричной схеме на сопротивлении R3 не возникает обратная связь, так как про ходящий через него ток можно считать неизменным (ДД| =
=- Д /э 2). При больших коэффициентах усиления изменения
коллекторных токов каждого транзистора могут составлять
значительную величину. Уменьшить колебания токов коллек торов можно регулировкой сопротивления связи Ri. Являясь сопротивлением обратной связи, оно снижает усиление, но предотвращает запирание одного из транзисторов при малей шем разбалансе базовых потенциалов и расширяет динами ческий диапазон входных сигналов. Часто в качестве сопро тивления связи используется потенциометр с отводом от сред ней точки, что позволяет производить установку нуля выход ного напряжения. Иногда параллельно-балансные каскады имеют эмиттерный выход (рис. 5.43); нагрузка в этих каскадах включается между эмиттерами, а сопротивление RKотсутству ет. Такие схемы имеют коэффициент усиления по напряжению меньше единицы и малое выходное сопротивление.
5.10. Нифференциальные
усилители
В ряде случаев выходной сигнал в балансном каскаде па раллельного типа снимается с одного из коллекторов. Фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала UB*.i и проти воположна по фазе сигналу UB%.2. Схему можно построить так, что выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений, прикладываемых к базам первого и второго транзисторов, и в идеальном случае не будет изме няться, если входные напряжения получают равные прираще ния одного знака. Такой усилительный каскад постоянного тока называют дифференциальным каскадом (или вычитателем)
(рис. 5.44). Дифференциальный усилитель характеризуется ко эффициентом усиления разности входных напряжений
/Граз = — — '*-w— при E r l + Е г2 = const (5.88)
АЕ т1 - & Е Г2
икоэффициентом усиления среднего уровня входных напря жений
/Граз = |
при Eri - Eri - const. |
(5.89) |
Ддг| + А£Г2
2
Выходной сигнал при произвольных значениях входных сигналов равен
1 / » ы * = (£н - En)Km + £rl ^ |
r2 |
. |
(5.90) |
||
Обозначив коэффициент усиления по первому и второму |
|||||
входам, имеем: |
|
|
|
|
|
К\ = ЛГ/вых/АБг1 |
при Eri = const, |
|
(5.91) |
||
Ki = Д[/вых/Д£г2 |
при £ri = const |
|
(5.92) |
||
(ZT2 имеет знак «минус»), или |
|
|
|
|
|
J/.H* = /Г, |
+ /Г2 £ г2 = Ki Ел - |
|/Г2| Eri |
(5.93) |
||
или |
{/вы* = (Ел - Ел) |
Ку 2 К- + £ г |
| |
(К + Кг) |
|
|
Из равенств (5.90) и (5.94) имеем: |
|
|
(5.94) |
|
|
|
|
|
||
|
к |
_ к , - к , |
* ,+ N . |
(5.95) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Кср = Ki + Кг = К\ - |
\Кг\. |
(5.96) |
||
Для того чтобы усилитель реагировал только на разность входных напряжений, необходимо выполнить неравенство Кср « КРзз. Для этого в первую очередь необходимо увели чить сопротивление R3. Дифференциальный каскад обладает большой стабильностью. Дрейф каскада определяется неста бильностью коллекторного тока одного из транзисторов (второго).
Высокими качественными показателями обладают диф ференциальные усилители в интегральном исполнении. При этом вместо сопротивления К целесообразно ставить транзи стор, обладающий небольшим сопротивлением постоянному току (требуется источник +Е малой величины) и очень боль шим сопротивлением переменному току.
5.11. Операционные усилители
Условное обозначение операционного усилителя (ОУ) по казано на рис. 5.45. ОУ играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры любого назначения. Один из вхо дов усилителя ({/в*н «+») называется неинвертирующим, а второй (Uвхи «-») — инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала сов падает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал
I49
подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Этот вход часто используют для введения в
ОУ внешних отрицательных обратных связей.
Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, при меняемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, необходимое значение Ки оу операционного усилителя достигается с помо щью дополнительных усилительных каскадов, используемых для получения требуемого значения Киоу. ОУ подразделяют на двух- и трехкаскадные. В двухкаскадном ОУ в усилении вход ного сигнала участвуют входной дифференциальный каскад и один дополнительный каскад; в трехкаскадном ОУ — вход ной дифференциальный усилитель и два дополнительных каскада. ОУ могут содержать вспомогательные транзистор ные каскады и элементы, предназначенные для сдвига уров ней напряжения в тракте усилителя, создания источников ста бильного тока, отрицательных обратных связей по синфаз ным ошибкам усиления и т.д.
5.12. Избирательные RC-ycunumenu
Избирательные RC-схемы представляют собой обычные усилители, например на транзисторах, охваченные частотно зависимой обратной связью, состоящей из резисторов и кон денсаторов (RC-цепи). При частотно-зависимой отрицатель ной обратной связи эти схемы способны усиливать перемен ные напряжения только в очень узком диапазоне частот и называются избирательными RC-усилителями.
Избирательные RC-схемы работают в диапазоне дозвуко вых, звуковых и ультразвуковых частот. На этих частотах они по габаритам, массе и стоимости значительно выгоднее изби рательных LC-схем.
Избирательные усилители предназначаются для выделе ния сигналов определенной частоты (или узкой полосы час-