Электроника учебное пособие

летворять условию стабильности. Поэтому практический коэффициент усиления в рассматриваемом каскаде не превышает значений 4 – 5.

Входное сопротивление определяется выражением

Rвх = Uвх / Iвх ,

где Iвх – переменная составляющая базового тока, а напряжение Uвх считается приложенным непосредственно к базе. То есть при расчете входного сопротивления нужно полагать Rг = 0 .

По отношению к источнику сигнала входное сопротивление играет роль нагрузки. Поэтому чем оно больше, тем меньше нагружен источник сигнала и тем лучше передается его напряжение на вход каскада.

Rвх ≈ (β +1)Rэ .

Выходное сопротивление определяется выражением:

Rвых = (Uвых )хх / (Iвых )кз ,

где (Uвых )хх – выходное напряжение при холостом ходе каскада, т.е. в отсутствии внешней нагрузки, а (Iвых )кз – выходной ток при коротком замы-

кании выходных зажимов (короткое замыкание для переменных составляющих).

Выходное сопротивление характеризует нагрузочную способность каскада: чем оно больше, тем больший ток можно отбирать во внешнюю нагрузку и тем меньше может быть внешнее сопротивление.

Усилители с преобразованием сигнала. В усилителях рассматри-

ваемого типа входной медленно меняющийся во времени сигнал преобразуется в переменный сигнал повышенной частоты. Данная операция выполняется с помощью модулятора, т.е. устройства, обеспечивающего изменение характеристик сигнала (амплитуды, фазы, частоты и др.) по заданному закону. Полученный в результате модуляции сигнал усиливается усилителем переменного напряжения до требуемого уровня. На последней стадии обеспечивается преобразование усиленного переменного сигнала в постоянный, т.е. выполняется демодуляция. Демодулятор преобразует переменное напряжение в постоянное, т.е. производит возврат к частоте исходного сигнала, сохраняя пропорциональность между величиной постоянного напряжения и амплитудой переменного напряжения.

71

Структурная схема усилителя постоянного тока с преобразованием сигнала приведена на рис. 7.18. Временные диаграммы, поясняющие преобразования в рассматриваемом усилителе, представлены на рис. 7.19.

спреобразованием сигнала

§7.8. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД

Дифференциальный усилитель (ДУ) – это усилительный каскад,

используемый для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Если на оба входа поступает одинаковый по величине и фазе сигнал, то его называют син- фазным. Дифференциальный усилительный каскад не усиливает синфазный сигнал. Если фазы колебаний на входах ДУ отличаются на 180 0, то сигнал называется противофазным. Дифференциальный, или разностный входной сигнал называют еще нормальным, или полезным.

72

Дифференциальные усилители используются в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и др. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазные помехи не очень велики. Дифференциальные каскады широко используют при построении ОУ.

Дифференциальный каскад (рис 7.20) состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых соединены и подключены к общему резистору Rэ . Для

сигнала Uвх1 транзистор VT1 включен по схеме с ОЭ, а транзистор VT2 – по схеме с ОБ. Для сигнала Uвх2 транзистор VT1 включен по схеме с ОБ, а транзистор VT2 – по схеме с ОЭ.

Рис. 7.20. Базовая схема дифференциального усилительного каскада

Рассмотрим принцип работы дифференциального каскада (ДК), считая, что входные сигналы подаются на базы транзисторов VT1 и VT2 относительно общей точки (земли), а выходной сигнал снимается между коллекторами транзисторов VT1 и VT2. Предположим, что каскад абсолютно симметричен, т.е. сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов VT1 и VT2 одинаковы. В этом случае при равных сигналах Uвх1 и Uвх2 токи транзисторов равны между собой, а именно:

Iк1 = Iк2 ; Iэ1 = Iэ2 ; Iб1 = Iб2 .

Синфазный входной сигнал вызовет одинаковые по абсолютной величине и знаку приращения эмиттерных и коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2. В результате при строго симметричной схеме потенциалы

73

§ 7.9. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Если на вход усилителя помимо сигнала, подаваемого от внешнего источника, поступает также выходной сигнал рассматриваемого усилителя или его часть, то говорят, что в усилителе существует обратная связь (ОС). Другими словами, обратной связью в усилителях называют явление передачи сигнала из выходной цепи во входную. Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, носят название цепей обратной связи.

На рис. 7.21 изображена структурная схема усилителя с ОС. В нем выходной сигнал усилителя 1 (в виде напряжения Uвых или тока Iвых ) через цепь обратной связи 2 частично или полностью подается к схеме сравнения. В ней происходит вычитание (или сложение) входного сигнала Uвх или Iвх и сигнала ОС UОС или IОС. В результате этого на вход усилителя поступает сигнал, равный разности или сумме входного сигнала и сигнала обратной связи.

Обратную связь в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают за счет паразитных емкостей, внутренних сопротивлений источников питания и т.д. Такие обратные связи называют паразитными.

Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения.

Местной обратной связью (местной петлей ОС) принято называть обратную связь, охватывающую отдельные каскады или часть усилителя, а общей об- ратной связью – такую обратную связь, которая охватывает весь усилитель.

Для количественной оценки степени влияния цепи обратной связи используют коэффициент обратной связи βОС, показывающий, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя. В общем случае βOC = POC Pвых . Однако значительно чаще βОС определяют как отношение

75

В зависимости от способа получения сигнала различают ОС по на- пряжению (рис. 7.22), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален напряжению выходной цепи; обратную связь по току (рис. 7.23), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален току выходной цепи.

В первом случае сигнал ОС образуется непосредственно на сопротивлении нагрузки, и коэффициент передачи цепи ОС bOC = Um OC Um вых . Во втором случае последовательно с Zн включается сопротивление ZОС, на котором создается падение напряжения Im вых × ZOC , и тогда

bOC = Im выхZOC Um вых .

По способу введения во входную цепь сигнала обратной связи различают: последовательную схему введения ОС (рис. 7.24), когда напряжение сигнала ОС суммируется с входным напряжением; параллельную схему введения ОС (рис. 7.25), когда ток цепи ОС суммируется с током входного сигнала.

76

Коэффициент усиления усилителя охваченного ПОС (ОС по напряжению):

KOC = Uвых Uвх .

Из рис. 7.21 видно, что

U1 = Uвх + UOC ;

UOC = βUвых ;

Uвых = KU1,

где К – коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

KOC = KU1(U1 − UOC ) = KU1(U1 − KβU1) = K(1− Kβ).

Произведение Кβ называют петлевым усилением, а (1-Кβ ) – глуби-

ной обратной связи. Положительная ОС повышает коэффициент усиления усилителя в (1-Кβ ) раз.

Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью

KOC = KU1(U1 + UOC ) = KU1(U1 + KβU1) = K(1 + Kβ).

Из этой формулы видно, что ООС снижает коэффициент усиления усилителя в (1+Кβ ) раз.

Выходное сопротивление усилителя сильно зависит от того, каким образом снимается сигнал ОС. Если оно снимается по напряжению, то выходное сопротивление уменьшается, если по току – увеличивается.

ООС по напряжению: Zвых ОС = Zвых (1 + Kβ), т.е. выходное сопро-

тивление уменьшается в (1+Кβ ) раз.

ООС по току: Zвых ОС = Zвых + ZОС (1 + Kβ). Таким образом, выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС по току, повышается. Его приращение в основнем определяется сопротивлением ZОС, с которого снимается сигнал ОС, и петлевым усилением Кβ.

Входное сопротивление зависит от способа введения во входную цепь сигнала ОС.

При последовательной схеме:

ООС: Zвх OC = Uвх / I1 = U1(1 + Kβ) / I1 = Zвх (1 + Kβ);

ПОС: Zвх OC = Uвх / I1 = U1(1 − Kβ) / I1 = Zвх(1 − Kβ) ;

Итак, последовательная ООС увеличивает входное сопротивление в (1+Кβ ) раз, а положительная уменьшает его в (1-Кβ ) раз.

77

дует, что введение параллельной ОС эквивалентно включению параллельно входному сопротивлению усилителя дополнительного сопротивления

( ZОС ) . В результате при отрицательной ОС входное сопротивление

1+Kβ

уменьшается.

Положительная ОС повышает коэффициент усиления усилителя. Однако ПОС в усилительных устройствах практически не применяют, так как при этом значительно ухудшается стабильность коэффициента усиления.

Несмотря на снижение коэффициента усиления, ООС широко используют в усилителях. В результате введения ООС существенно улучшаются свойства усилителя, а именно:

а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов.

KOC = K/(1+Кβ ) ≈ 1/β при Кβ >> 1, что соответствует глубокой ООС;

б) снижается уровень нелинейных искажений.

ООС всегда уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом. В усилителе без ОС при высоком входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной появляются высшие гармоники, искажающие форму выходного напряжения. При введении ООС напряжения этих гармоник через цепь ОС подаются на вход усилителя и вычитаются из входного напряжения усилителя, так как благодаря ООС они будут поступать в противофазе с напряжением гармоник, появляющихся вследствие нелинейных искажений усилителя. Таким образом, величина гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а следовательно, искажения усиливаемого напряжения в усилителе с ООС будут меньше;

в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивление усилителя.

До сих пор рассматривались ОС, создаваемые в усилителях специально. Кроме того, имеются паразитные связи, существенно ухудшающие

78

работу усилителей. При слабой паразитной ПОС ухудшение работы усилителя выражается в увеличении частотных и нелинейных искажений. При сильной паразитной ПОС усилитель может самовозбудиться, т.е. в отсутствие входного напряжения на его выходе может появиться переменное выходное напряжение.

Существует несколько паразитных ОС:

1)Связь между каскадами через цепь питания. Такая связь обычно имеет место в многокаскадном усилителе, который питается от одного источника питания.

2)Емкостная связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя.

3)Индуктивная связь, возникающая при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

Емкостные и индуктивные обратные связи возникают из-за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выходные цепи расположены вблизи входных цепей, что приводит к возникновению емкости

ивзаимной индукции между элементами входной и выходной цепи. Такие обратные связи устраняются в основном рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя. Устранение паразитных емкостей затруднительно и требует большого практического опыта.

§ 7.10. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Развитие вычислительной техники потребовало создания электронных устройств, способных выполнять всевозможные математические операции с сигналами, циркулирующими по их цепям. К числу таких операций относятся:

∙масштабирование;

∙суммирование;

∙интегрирование;

∙дифференцирование;

∙логарифмирование;

∙умножение и т.д.

79

Все эти операции выполняют с использованием усилителей. Вводя обратную связь того или иного вида, им придают свойства, необходимые для выполнения над входным сигналом требуемой операции.

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с обратной связью.

Для успешного выполнения рассмотренных выше функций применяемый ОУ должен помимо требований к усилению и полосе пропускаемых частот, определяемых конкретной задачей, отвечать следующим условиям:

1)обладать возможно большим входным сопротивлением;

2)иметь очень малое выходное сопротивление;

3)усиливать сигнал в основной полосе частот как с инверсией фазы, так и без инверсии.

Первое требование позволяет подключать ОУ к зажимам любой цепи, не нарушая режима ее работы. При охвате усилителя ОС это одновременно обеспечивает эффективное действие обратной связи любого вида.

Второе требование гарантирует выполнение операционным усилителем его функций безотносительно к величине и характеру нагрузки, в которую нужно передать сигнал после выполнения над ним определенной операции. Последнее требование позволяет охватывать ОУ обратной связью любого знака (положительной или отрицательной).

В соответствии с этими требованиями наиболее подходящим входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель. В качестве выходного каскада обычно используют эмиттерный повторитель на мощном транзисторе. Такой каскад имеет малое выходное сопротивление Rвых .

Успехи интегральной технологии позволили выполнять ОУ с заданными техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рассматривать его как самостоятельный компонент с определенными параметрами.

Условные обозначения ОУ приведены на рис. 7.26: на рис. 7.26, а – часто применяемое изображение ОУ, а на рис. 7.26, б – изображение, рекомендуемое к использованию в технической документации. Знак или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на

80