Лекции по электронике1. Курс лекций угату 2008 удк ббк ш21 Шаньгин Е. С
 Скачать 6.22 Mb.
|
|
Обратная связь в усилителях Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС). При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала. При этом уменьшаются искажения сигнала, расширяется частотный диапазон и т. д. Классификация обратных связей в усилителях представлена на рис. 9.8. В соответствии с рисунком 9.8 обратные связи подразделяются на:
 Рис. 9.8. Классификация обратных связей усилителя: К – коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи; β – коэффициент передачи цепи обратной связи Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль – то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала. УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В усилителе в качестве активного элемента использован биполярный транзистор. Перед тем, как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Для характеристики проблемы обеспечения начального режима рассматривают следующие три схемы:
Схема с фиксированным током базы (рис. 9.9).  Рис. 9.9. Схема включения транзистора с фиксированным током базы В соответствии со вторым законом Кирхгофа  .Отсюда находим ток коллектора iK:  ,что соответствует линейной зависимости вида  .Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 9.10). В соответствии со вторым законом Кирхгофа  .Отсюда находим ток базы iб:  .Учитывая, что uбэ<<Ек, пренебрежем напряжением uбэ. Тогда  . Рис. 9.10. Выходные характеристики транзистора с линией нагрузки Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задается величинами Eки Rб (ток «фиксирован»). При этом  .Пусть iб=iб2. Тогда начальная рабочая точка (НРТ) займет то положение, которое указано на рис. 9.10. Видно, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб=0), а самое верхнее положение – точке Z (режим насыщения, iб ≥ iб4). Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:
Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 9.11). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима.  Рис. 9.11. Схема включения транзистора с коллекторной стабилизацией В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора с помощью резистора Rб). При увеличении тока iк (например, из-за повышения температуры) начинает увеличиваться напряжение uRк. Это приведет к уменьшению напряжения uкэ и тока iб (  ), что будет препятствовать значительному увеличению тока iк, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.Схема с эмиттерной стабилизацией (рис. 9.12). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток iэ и через это – ток iк  . С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение uRэ. При этом оказывается, что: .Для создания требуемого напряжения uRэ используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2.  Рис. 9.12. Схема включения транзистора с эмиттерной стабилизацией Резисторы R1 и R2выбирают насколько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом  .В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ = uR2 – uбэ . При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэсоставляет небольшую долю напряжения Ек. Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АБ, В, С и D. Рассматриваемые RC – усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (iк > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала. В режиме В ток Iкн=0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени, меньшего чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки). Усилители на полевых транзисторах В качестве примера рассмотрим RC–усилитель на полевом транзисторе с p-n–переходом, включенным с общим истоком (рис. 9.13). Используем транзистор с каналом n-типа. Для используемого транзистора начальное напряжение uиз должно быть положительным (p-n-переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью получения этого напряжения в цепь истока включают резистор Rи, на котором возникает падение напряжения uRи от протекания по нему начального тока истока Iин.  Рис. 9.13. Усилитель на полевом транзисторе Напряжение uRи через резистор Rз передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежительно мал, падение напряжения на резисторе Rз практически равно нулю, поэтому uиз=uRи. Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением. Пусть задан начальный ток стока (ICH= IИН) и начальное напряжение UИЗН между истоком и затвором. Тогда резистор RИ следует выбрать из соотношения  .Резистор RЗ обычно выбирают порядка 1 МОм. Рассматриваемая схема обеспечения начального режима работы характеризуется повышенной стабильностью. Если по каким-либо причинам начальный ток стока IСН начнет увеличиваться, то это приведет к увеличению напряжений URИ и UИЗ, что будет препятствовать значительному увеличению тока ICН. Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством  ,где S – статическая крутизна характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам. Назначение конденсаторов С1, С2 и С4 аналогично назначению соответствующих конденсаторов RC–усилителя на биполярном транзисторе. Частотные характеристики рассматриваемого усилителя подобны частотным характеристикам RC–усилителя на биполярном транзисторе. 10. Линейные схемы на основе операционных усилителей Операционные усилители (ОУ) в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. При создании схем с операционными усилителями используется ряд допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Примем следующие допущения:
Инвертирующий усилитель на основе ОУ Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 10.1), из которого видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.  Рис. 10.1. Инвертирующий усилитель с параллельной обратной связью по напряжению Так как i= 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 = i2. Если ОУ работает в режиме усиления, то uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим  ,  .Учитывая, что i1 = i2, получаем  .Например, если R1=1 кОм, R2=10 кОм, тогда uвых = –10 · uвх. Для уменьшения влияния входных токов ОУ на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор R3 (рис. 10.2), которое определяется из выражения  .Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления ОУ. Это подтверждает вывод о том, что параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное сопротивление.  Рис. 10.2. Операционный усилитель с обратной связью Учитывая, что  , входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R1.Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах Rвых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах Rвых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению. Можно показать, что  ,где К – коэффициент усиления по напряжению ОУ. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис. 10.3), где имеет место последовательная связь по напряжению. В соответствии с ранее принятыми допущениями входные токи ОУ равны нулю, т. е. i– = i+ = 0 и, следовательно, i1 = i2. Если ОУ работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0.  Рис. 10.3. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью На основании второго закона Кирхгофа получаем  ,  .Неинвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению  .Коэффициент усиления усилителя, охваченный обратной связью, определяется выражением  .При   .Коэффициент β определяется выражением  .Таким образом, при  .Пусть, например, R1=2 кОм, R2=4 кОм и uвх=2 В. Тогда  .Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью  ,причем при К→  Rвх.ос→.На входах операционного усилителя, использующегося в неинвертирующем усилителе, имеется синфазный сигнал, равный напряжению uвх. Это недостаток такого усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сигнал отсутствует. Повторитель напряжения на основе ОУ Схема повторителя (рис. 10.4) легко может быть получена из схемы неинвертирующего усилителя при R1→ , R2→ 0. Здесь предполагается, что операционный усилитель работает в режиме усиления (uдиф 0). Используя второй закон Кирхгофа, получаем uвых = uвх. Рис. 10.4. Повторитель напряжения на основе ОУ Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор) Рассмотрим схему сумматора, приведенную на рис. 10.5.  Рис. 10.5. Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор) Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф 0. Учитывая, что i–= i+= 0, получим  . При uдиф 0 получим uRj= uвхj, j= 1,…,n; uRос = uвых. На основании этих выражений после несложных преобразований получаем .Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением Rэ = R1 // R2 //… // Rn// Rос . Вычитающий усилитель (усилитель с дифференциальным входом) В вычитающем усилителе (рис. 10.6) один входной сигнал подается на инвертирующий вход, а второй – на неинвертирующий.  Рис. 10.6. Вычислительный усилитель с дифференциальным входом Предположим, что ОУ работает в линейном режиме. Тогда все устройство можно считать линейным и для анализа принцип суперпозиции (наложения). Если uвх2 = 0, тогда соответствующее выходное напряжение u'вых будет определяться выражением, соответствующим инвертирующему усилителю:  .Если uвх1 = 0, определим напряжение на выходе u''вых. Для оценки воздействия напряжения uвх2 целесообразно на основе теоремы об эквивалентном генераторе преобразование цепи, подключенной к неинвертирующему входу (рис. 10.7). Как следует из теоремы,  ,  . Рис. 10.7 В соответствии с принципом суперпозиции, общее напряжение на выходе uвыхопределяется из выражения  ,при R1=R2=R3=R4  .Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы – диоды и стабилитроны. Однако такие схемы часто рассматривают как линейные, считая диоды и стабилитроны идеальными и заменяя открытые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны – разрывами, а стабилитроны, работающие в режиме пробоя, - источниками напряжения. При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, чтобы определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент. Для примера выполним анализ схемы на рис. 10.8, предполагая, что диоды – идеальные. Пусть вначале uвх = 1 В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 – закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.9.  Рис. 10.8. Схема усилителя на ОУ с диодами  Рис. 10.9. Эквивалентная схема усилителя на ОУ Из схемы на рис. 10.9 следует, что  .Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток iD1 диода D1 и напряжение uD2 диода D2. Используя допущение о том, что uдиф = 0, получаем uD2 = –2 В и iD1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D2 отрицательное, а ток через диод D1 положителен, можно утверждать, что предположение было правильным. Пусть теперь uвх = –1 В. Предположим, что диод D1 закрыт, а диод D2 открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.10, из которой получаем  . Рис. 10.10. Эквивалентная схема усилителя с обратной связью Для проверки правильности сделанного предположения определим iD2:  .Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным. 11. Усилители постоянного тока Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители. Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся. Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов). Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры. Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 11.1.  Рис. 11.1. Дифференциальный усилитель Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение uвых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только uвх.диф. Дифференциальное входное напряжение определяется выражением  .Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф описывается выражением  .Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина rэ уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i0 коэффициент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя. Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией (усилитель типа МДМ) В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный повышенный частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц. Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 11.2.   |
и 
, что изменяет ток Iкни положение начальной рабочей точки;
.