Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель повторяет форму входного сигнала в отличие от каскада с общим эмиттером, который инвертирует переворачивает) фазу входного сигнала. В каскаде с общим коллектором действует последовательная ООС по напряжению (рис. 2.11). Поэтому k u <1; k i = β +1. Рис. 2.10. АЧХ усилительного каскада с ОЭ 72 Преимущества этого усилительного каскада большое входное и очень маленькое выходное сопротивления на входе 10...100 кОм, на выходе 100 Ом. малые искажения. Повторяет форму входного сигнала. Недостаток Малое усиление по напряжению (усиливается только ток. Преимущества и недостатки определяются тем, что в усилительном каскаде применена глубокая отрицательная обратная связь по напряжению. Каскад с общим коллектором применяется в качестве согласующего. 2.4.2. Многокаскадные усилители Двухкаскадный усилитель переменного напряжения с емкостной связью приведен на рис. 2.12. Он представляет собой два каскада с общим эмиттером, соединенных через конденсатор. Включение конденсатора позволяет устанавливать режим покоя в каждом каскаде независимо. Расчет двухкаскадного усилителя можно свести к расчету однокаскадного. В качестве сопротивления нагрузки каждого каскада при этом принимается входное сопротивление последующего каскада. Многокаскадные усилители переменного напряжения строятся аналогично. Они могут содержать, как каскады усиления напряжения, таки другие, например, каскады усиления мощности. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Рис. 2.11. Усилительный каскад с ОК 73 2.4.3. Паразитные обратные связи и развязывающие фильтры Паразитные обратные связи возникают благодаря передаче энергии электромагнитного поля с выхода на вход, в частности через паразитные емкости и взаимоиндуктивности, которые не указаны на схеме, но возникают из-за того, что, например, между любыми проводами имеется емкость. Если при этом один провод идет ко входу, а второй к выходу, то через эту емкость возникает паразитная обратная связь. Методы борьбы с такими паразитными обратными связями 1. Правильное взаимное расположение элементов (например, входные и выходные провода должны проходить перпендикулярно друг другу. 2. Экранирование (излучающие и воспринимающие элементы окружаются проводящим или ферромагнитным экраном. Экранирование позволяет устранить взаимное влияние источников сигнала, но применяя экранирование мы ухудшаем частотную характеристику, поэтому, по возможности, следует применять первый способ. Паразитные обратные связи возникают и через внутреннее сопротивление источника питания. За счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания появляются переменные составляющие, передаваемые по цепям питания на вход (см. рис. 2.12). Для борьбы сними непосредственно вместе подвода питания к каскаду Рис. 2.12. Двухкаскадный усилитель переменного тока с емкостной связью 74 подключается конденсатор. Он служит развязывающим фильтром. Переменные составляющие, приходящие от источника питания, замыкаются через него и не проходят на вход. Контрольные вопросы Как стабилизировать рабочую точку покоя Как определить коэффициент усиления каскада с ОЭ? Как определить АЧХ каскада с ОЭ? Как можно влиять на нее В чем состоят преимущества каскада с ОК? 2.5. Усилители постоянного тока (УПТ) 2.5.1 Особенности УПТ. Дрейф нуля УПТ − это усилитель с полосой пропускания, включающей нулевую частоту. На рис. 2.13 приведена его АЧХ. УПТ очень широко применяются в системах автоматического регулирования. В УПТ применяется только гальваническая связь каскадов. Из-за этого возникает ряд проблема) трудность согласования потенциалов соседних каскадов, трудность независимого выбора рабочей точки покоя б) нестабильность выходного сигнала при изменении напряжения питания, температуры, параметров элементов, получившая название дрейф нуля. Дрейф нуля − это изменение выходного напряжения при неизменном входном. Абсолютный дрейф − это максимальное изменение выходного напряжения за определенный промежуток времени при закороченном входе. Дрейф, приведенный ко входу u вых др вх др k U U = Он определяет чувствительность усилителя. Причины дрейфа Рис. 2.13. АЧХ УПТ 75 1. Колебания напряжения питания. 2. Изменение параметров транзисторов и резисторов при изменении температуры. 3. Изменение параметров транзисторов и резисторов во времени старение. Пути уменьшения дрейфа нуля 1. Стабилизация напряжения источника питания. 2. Применение термостабильных элементов и применение температурной компенсации. 3. Применение элементов стабильных во времени. 4. Применение глубоких отрицательных обратных связей. 5. Применение мостовых (балансных) схем. 6. Применение усилителей с промежуточным преобразованием. Очевидно, что первые три метода являются прямым ответом на причины. Применение глубоких отрицательных обратных связей является общим методом борьбы со всякой нестабильностью. Применение специальных балансных схем будет рассмотрено ниже. В усилителях с промежуточным преобразованием входное постоянное напряжение вначале преобразовывается в переменное, затем усиливается без дрейфа нуля и вновь превращается в постоянное. В соответствии с этим УПТ по построению делятся на 1. Усилители прямого усиления. 2. Усилители с промежуточным преобразованием. В усилителях прямого усиления входной сигнал усиливается без преобразований. Усилители постоянного тока прямого усиления На рис. 2.14 приведена упрощенная схема трехкаскадного усилителя постоянного тока прямого усиления. Первый каскад - дифференциальный (балансный) усилительный каскад (ДУ) представляет собой мост, выполненный на резисторах к , к и транзисторах VT1, VT2. Если мост сбалансирован, то напряжение на его выходе U вых диф равно нулю независимо от изменения напряжения питания и других факторов одновременно действующих на оба плеча (например, изменения температуры. Для дальнейшего уменьшения дрейфа нуля в цепь эмиттеров включен, стабилизатор тока, выполненный на транзисторе VT3. Для температурной компенсации в стабилизаторе тока включен диод, выполненный на транзисторе VT4. На рис. 2.15 приведена схема замещения дифференциального усилительного каскада, в котором стабилизатор тока заменен на источник тока. Рассмотрим режим покоя в этом каскаде, когда e вх1 =0, e вх2 =0. За счет одинакового напряжения на базах через транзисторы протекают равные токи, создающие равные падения напряжения на резисторах к , R к2 Поэтому напряжение на выходе U вых диф , равное разности этих падений, равно нулю. Нетрудно увидеть, что любые симметричные воздействия в схеме не изменят выходной сигнал, если плечи совершено одинаковы. Если подать входной сигнал e вх1 >0, то ток к увеличивается, атак как это к уменьшается, и выходное напряжение имеет полярность слева «–», справа «+». Рис. 2.14. Трехкаскадный УПТ 77 Выходное напряжение в схеме (см. рис. 2.15) снимается между коллекторами и не связано с землей. Это является недостатком данного каскада. Дифференциальный усилительный каскад в котором выходное напряжение снимается между коллекторами, называется сим- метричным В несимметричном дифференциальном усилительном каскаде выходной сигнал U вых1 снимается с одного коллектора относительно земли (см. рис. 2.14). Несимметричный ДУ имеет два входа. Если на вход транзистора VT1 подать сигнал e вх1 >0, то ток к увеличивается, атак как это I к2 уменьшается, и выходное напряжение накол- лекторе VT2 увеличивается, то есть направление изменения выходного сигнала соответствует входному. Поэтому этот вход называется неинвертирующим (прямым, повторяющим. Если на вход транзистора VT2 подать сигнал e вх2 >0, то ток к увеличивается, а выходное напряжение на коллекторе VT2 уменьшается, то есть направление изменения выходного сигнала противоположно входному. Поэтому этот вход называется инвертирующим. Если положительные сигналы поданы на оба входа, то сигнал на выходе пропорционален их разности (дифференциалу. Отсюда и название усилителя - дифференциальный. Разность входных сигналов называется дифференциальным сигналом. Коэффициент усиления дифференциального сигнала вх к uд R R k ⋅ = β , (2.28) Рис. 2.15. Схема замещения дифференциального усилительного каскада 78 где R вх – входное сопротивление каскада, определяемое по формуле (2.21). На рис. 2.16 показаны временные диаграммы, при усилении дифференциального сигнала. При отсутствии входных сигналов выходное напряжение неравно нулю U вых1 =U бал При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход на выходе появляется напряжение u вых1 Два одинаковых сигнала, подаваемых на оба входа называются син- фазными (см. рис. 2.16). За счет неполной симметриив реальном каскаде на выходе появляется ненулевой сигнал (бал. Коэффициент передачи синфазного сигнала синф бал синф E U k ∆ = , (2.29) где E синф =e вх1 =e вх2 Качество ослабления синфазного сигнала характеризует коэффициент ослабления синфазного сигнала uд синф осл k k k lg 20 ==== (2.30) Рис. 2.16. Временные диаграммы при усилении дифференциальных и синфазных сигналов 79 В усилителях на интегральных схемах синфазный сигнал ослабляется на 80...100 дБ, те. враз. Преимущества дифференциального усилительного каскада 1. Входной сигнал подается относительно земли. 2. Малый дрейф нуля. 3. Ослабляется синфазный сигнал, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, так как помехи одновременно поступают на оба входа. Недостаток В выходном сигнале присутствует постоянная составляющая при отсутствии входного сигнала. Каскад сдвига уровня сигнала (КСУ на рис. позволяет устранить эту постоянную составляющую. На транзисторе VT5 выполнен стабилизатор тока, создающий на резисторе R 1 падение напряжения, равное бал. Это напряжение вычитается из выходного напряжения ДУ U вых1 . Поэтому выходное напряжение КСУ U вых2 при отсутствии входных сигналов равно нулю. Выходной каскад усиления мощности с заземленной нагрузкой УМ на рис. 2.14) обеспечивает усиление мощности. При этом выходной сигнал снимается относительно земли. УМ представляет собой двухтактный эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторах VT6; VT7. Если, поступающее на его вход напряжение U вых2 положительно, то открывается транзистор VT6 и на нагрузку подается положительное напряжение, если U вых2 отрицательно, то открывается VT7 и на нагрузку подается отрицательное напряжение. Структура УПТ, приведенная на рис. 2.14, является основой создания операционных усилителей. Контрольные вопросы В чем состоят особенности УПТ? Что такое дрейф нуля и как с ним бороться Как в дифференциальном усилительном каскаде уменьшается дрейф нуля без уменьшения коэффициента усиления Что такое коэффициент передачи дифференциального и синфазного сигнала Каков недостаток дифференциального усилительного каскада и как с ним борются 80 Как работает усилитель мощности с заземленной нагрузкой 2.6. Аналоговые интегральные микросхемы (АИМС) 2.6.1. Классификация АИМС По решаемым задачам АИМС делятся на а) операционные усилители (ОУ); б) инструментальные схемы (ИС); в) силовые схемы (СС); г) радиочастотные схемы (РС). ОУ − это многоцелевой усилитель, предназначенный для выполнения математических операций. ИС − это многоцелевые устройства, осуществляющие высокоточные преобразования аналоговых сигналов. От операционных усилителей отличаются наличием цифровых цепей и большей стабильностью. СС − применяют для блоков питания ив каскадах усиления мощности. РС − служат для усиления и преобразования радиосигналов. 2.6.2. Операционные усилители Операционный усилитель (ОУ) − это усилитель постоянного тока прямого усиления с дифференциальным входом. На рис. 2.17 приведена функциональная схема операционного усилителя. На схеме ДУ − дифференциальный усилительный каскад КСУ − каскад сдвига уровня УМ − усилитель мощности. Из рис. 2.17 видно, что структура ОУ соответствует структуре, рассмотренного ранее УПТ (рис. 2.14), однако, современные ОУ имеют гораздо более сложные схемы. На риса приведены передаточные характеристики ОУ по инвертирующему) и неинвертирующему (2) входам ) ( вх вых U f U ==== Характеристики, приведенные на риса, справедливы для идеального ОУ. Передаточные характеристики реального ОУ, показанные на рис. 2.18, б штрихами (два варианта) не проходят через нуль. Из-за малости смещения нуля, его можно определить только косвенно Для устранения смещения нуля применяют схемы балансировки. В лучших образцах ОУ балансировка не требуется. 81 Современные ОУ характеризуются очень высоким коэффициентом усиления (k u =10 3 ...10 7 ) и очень большим входным сопротивлением ( R вх = до 10 7 Ом. На рис. 2.19 приведена схема включения операционного усилителя и его условное обозначение. Через резисторы R 1 и R 2 на входы подаются входные сигналы, а выходной сигнал появляется на нагрузке н. Цепи питания и присоединения к земле обычно на схемах не изображают. При анализе схем с ОУ обычно применяют допущения, существенно упрощающие расчеты 1) входное сопротивление ∞ = оу вх R , оно действительно велико, см. выше напряжение непосредственно на входе в точке суммирования 0 ==== Σ U . Оно мало по сравнению с выходными с входным напряжениями, т.к. k u очень велико. а) б) Рис. 2.18. Передаточные характеристики идеального (аи реального (б) ОУ Рис . 2.17. Функциональная схема ОУ 82 Чтобы ОУ выполнял различные операции, его по- разному включают, охватывают различными обратными связями. Глубокие обратные связи позволяют обеспечить малый дрейф нуля. 2.6.3. Инвертирующий усилитель На рис. 2.20 приведена схема инвертирующего усилителя на базе ОУ. Усилитель охвачен отрицательной параллельной обратной связью по напряжению, так как выходное напряжение подается на инвертирующий вход параллельно входному сигналу. Определим коэффициент усиления для этой схемы. Входной ток (с учетом допущения 0 ==== Σ U ) 1 1 R U R U U i вх вх вх ==== −−−− ==== Σ (2.31) Ток вцепи обратной связи Рис. 2.19. Схема включения ОУ Рис. 2.20. Схема инвертирующего усилителя 83 ос вых ос вых ос R U R U U i ==== −−−− ==== Σ (2.32) С учетом допущения, ∞ = оу вх R очевидно, что ос вх i i −−−− ==== , тогда коэффициент усиления 1 R R U U k ос вх вых u − = = (2.33) Таким образом, коэффициент усиления определяется отношением резисторов и не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя. Так как ∞ = оу вх R , то сопротивление можно закоротить. Неинвертирующий усилитель На риса приведена схема неинвертирующего усилителя на базе ОУ. В этой схеме действует отрицательная последовательная обратная связь по напряжению. Поэтому можно воспользоваться формулой (2.19) 1 1 1 1 1 ++++ ⋅⋅⋅⋅ ==== ++++ ==== k k k k uоос γ γ γ , (где γ − коэффициент передачи цепи обратной связи. ос 1 γ (2.35) Пусть k u =10 4 , γ =0.01, тогда 100 ==== ⋅⋅⋅⋅ u k γ и второй сомножитель в выражении) близок к единице. а) б) Рис. 2.21. Схемы неинвертирующего усилителя (аи повторителя (б 84 1 1 1 R R R k oc uоос ++++ ≈≈≈≈ ≈≈≈≈ γ (2.36) Этот усилитель позволяет с высокой степенью точности усиливать сигнал без изменения знака. 2.6.5. Повторитель на ОУ Повторитель (рис. 2.21, б) − это неинвертирующий усилитель, у которого коэффициент передачи цепи обратной связи γ равен единице. Определим коэффициент усиления повторителя u u u uooc k k k k 1 1 1 1 ++++ ==== ++++ ==== (2.37) Если k u =10 3 ...10 7 то, очевидно, что повторитель воспроизводит входной сигнал сочень большой точностью. Он применяется для согласования, так как имеет очень большое входное сопротивление и достаточную выходную мощность. 2.6.6. Интегратор На риса приведена схема интегратора, выполненная на базе ОУ. В цепь обратной связи включен конденсатор C. Пусть в момент (рис. 2.22, б) на вход подается скачок напряжения. Входной ток с учетом допущения 0 1 1 R U R U U i вх = − = Σ . (2.38) а) б) Рис. 2.22. Интегратора) и его временные диаграммы (б) 85 С учетом допущения iоуiiвхiiRi, ток через конденсатор вх oc c i i i − = = . (2.39) Напряжение на конденсаторе с учетом первого допущения вых вых c u U u u = − = Σ .(2.40) С учетом формул (2.38 – 2.39) 1 1 1 1 0 1 0 1 0 t C R U Udt C R dt R U C dt i C u u t t t c c вых ⋅ − = = ⋅ − = − = = = = ∫ ∫ ∫ (2.41) Таким образом, напряжение на выходе равно интегралу входного сигнала. |