Усилитель постоянного тока на транзисторе схема: Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы

Усилители постоянного тока: схемы, принцип действия, формулы

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

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.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются:

• изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды;
• изменение питающих напряжений;
• постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением.

Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля.

Основными мерами 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 компенсации температурного дрейфа;
• применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю.

Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления R_K1 и R_K2, транзисторы Т₁ и Т₂, резистор R_э образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания Е_K, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (RK1 = RК2, T1 и Т2 одинаковы) потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и uвых, равное u К1—uК2, равно нулю.

Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, следовательно, выходное напряжение остается равным нулю.

В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и значительно меньше, чем в других схемах.

Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Представив Rэ в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 2.35), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизацией, объединенных соответствующим образом (см. вертикальные разделительные линии).

Включив последовательно с R_э дополнительный источник Е_э, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возможно убрать из схемы сопротивления делителей R₁, R₂, R₃, R₄. В результате получится схема дифференциального усилителя.

Усилитель постоянного тока (УПТ).

Во многих случаях частота аналогового сигнала первичного преобразователя весьма мала (сотые доли герца). АЧХ усилителей для таких сигналов должна иметь нижнюю граничную частоту, равную нулю. В этом случае нельзя использовать усилители с конденсаторами связи, включенными между источником сигнала, транзисторами и нагрузкой.

Исключение конденсаторов приводит к проблеме задания и стабилизации состояния нелинейных элементов по постоянному току.

На рис.6.13 приведен пример простой схемы, в которой частично решены эти проблемы. В цепь базы транзистора VT₂ включен источник ЭДС (–E₂), который позволяет уменьшить постоянный ток базы, создаваемый коллекторной цепью транзистора VT₁ через резистор связи R₁. Нагрузка R_н подключена к коллектору VT₂ и к средней точке делителя напряжения из резисторов R₃ и R₄. Сопротивления последних резисторов подобраны таким образом, чтобы при отсутствии тока i_ВХ напряжение u_ВЫХ =0.

Рис. 6.13. Схема усилителя постоянного тока.

Основной недостаток схемы, приведенной на рис.6.9, заключается в том, с течением времени проявляется «дрейф нуля». Это явление состоит в изменении напряжения u_ВЫХ при постоянном входном сигнале и вызывается изменениями параметров элементов схемы — сопротивлений резисторов и свойств транзисторов.

Для борьбы с «дрейфом нуля» в схемы встраивают средства температурной стабилизации, стабилизации напряжений и токов источников.

Принципиально другой способ усиления медленно-изменяющихся сигналов- метод импульсной модуляции-демодуляции. В этом методе усилению подвергается переменный сигнал, который формируется из исходного сигнала модуляцией. Усиленный переменный сигнал преобразуется в медленно изменяющийся путем демодуляции.

Кардинально проблема «дрейф нуля» решается в дифференциальных усилительных каскадах (рис.6.14)

Рис. 6.14. Схема дифференциального усилителя постоянного тока.

Этот усилитель имеет два входа. Напряжение на выходе равно

u_ВЫХ=K_U(u_ВХ1— u_ВХ2)

Симметричные элементы схемы выбираются идентичными. Особенно это удается в микросхемах, в которых элементы создаются в едином технологическом цикле. Поэтому одинаковые температурные изменения их параметров приводят к одинаковым изменениям напряжений на коллекторах транзисторов и не сказываются на изменении выходного напряжения u_Н.

Дифференциальные усилители стали основой для конструирования интегральных операционных усилителей. На рис.6.15а приведена схема дифференциального усилителя (demo6_4.ewb).

Рис.6.15а. demo6_4. Схема опыта для получения передаточной характеристики U_вых(U_вх) дифференциального усилителя на биполярном транзисторе.

На рис.6.15б приведена передаточная характеристика дифференциального усилительного каскада на биполярном транзисторе . Линейный участок ее выделен вертикальными визирными линиями. На этом участке коэффициент усиления по напряжению составляет |dy/dx|=16.27В/67мВ≈243. За пределами линейного участка коэффициент усиления уменьшается.

Рис.6.15б. demo6_4. Передаточная характеристика U_вых(U_вх) дифференциального усилителя на биполярном транзисторе.

Задание студенту: Изобразить АЧХ УПТ.

Узнать еще:

5.8. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА | Политех в Сети

Усилителями постоянного тока (УПТ) или медленно меняющихся во времени сигналов называются усилители низкой частоты, коэффициент усиления которых не равен нулю на частоте

. УПТ способны усиливать постоянные и переменные напряжения. Амплитудно-частотная характеристика УПТ приведена на рис.5.35.

Рис.5.35. Амплитудно-частотная характеристика УПТ.

Усилители постоянного тока широко используются в технике физического эксперимента и радиоизмерительных устройствах – электронных вольтметрах, высокочувствительных гальванометрах, осциллографах, в схемах различных стабилизаторов. В усилителях постоянного тока применяется непосредственная связь между каскадами, так как связь через разделительные конденсаторы и трансформаторы не обеспечивает передачи постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Поэтому база транзистора каждого последующего каскада непосредственно соединяется с коллектором транзистора предыдущего каскада. Гальваническое соединение связано с необходимостью согласования режимов соседних транзисторов по постоянному току.

При создании многокаскадных УПТ с большими коэффициентами усиления возникают определенные трудности, вызванные нестабильностью усилителей постоянного тока. Отличие коэффициента усиления от нуля при нулевой частоте приводит к тому, что медленные процессы, связанные с колебаниями напряжения источников питания, изменениями сопротивлений резисторов и параметров активных элементов, вызывают появление внутри усилителя небольшого напряжения, которое усиливается последующими каскадами. В результате при отсутствии входного сигнала выходное напряжение УПТ медленно флуктуирует около некоторого среднего значения. Это вредное явление называется дрейфом нуля. Дрейф нуля, вызываемый перечисленными причинами, можно минимизировать, используя высокостабильные элементы схемы и стабилизаторы напряжений источников питания. Однако основной причиной дрейфа нуля являются температурные изменения входной характеристики и параметров транзисторов. Температурное смещение входных характеристик кремниевых транзисторов составляет, примерно, -2,5мВ на один градус Цельсия. Чтобы оценить порядок величины температурного дрейфа нуля на выходе усилителя, рассмотрим двухкаскадный усилитель постоянного тока на кремниевых транзисторах, схема которого представлена на рис. 5.36.

Рис.5.36. Двухкаскадный УПТ с непосредственной связью между каскадами

Предположим, что окружающая температура увеличилась на + 40

. При этом произойдет смещение входной характеристики каждого транзистора на — 0,1В, что эквивалентно появлению дополнительного напряжения на базах транзисторов. Приращение напряжения на коллекторе первого транзистора, коэффициент усиления которого = 6,8, будет равно 0,68В. Это напряжение суммируется с напряжением, вызванным температурным смещением входной характеристики второго транзистора. В результате общее приращение напряжения на базе второго транзистора составит -0,58В. Умноженное на коэффициент усиления второго транзистора , результирующее смещение на выходе усилителя составит:

-1,75*(-0,58В)=0,987В.

Из-за большого температурного дрейфа нуля многокаскадные УПТ с непосредственной связью между каскадами не находят применения.

Дрейф нуля почти полностью отсутствует в усилителях с преобразованием сигнала. В них усиливаемое постоянное напряжение на входе усилителя преобразуется в переменное, которое усиливается усилителем переменного напряжения, на выходе которого обратно преобразуется в постоянное напряжение. Преобразование осуществляется по принципу модуляции-демодуляции сигнала (М-Д-М усилители) с помощью электронных коммутаторов, синхронно коммутирующих входное и выходное напряжения. Входное напряжение при этом преобразуется в короткие прямоугольные импульсы, амплитуда которых соответствует мгновенным значениям напряжения входного сигнала в моменты коммутации. Частота коммутации должна не менее чем в два раза превышать максимальную частоту в спектре входного сигнала. Недостатком таких усилителей являются наводки при коммутации малых входных напряжений. Примером такого усилителя является усилитель в интегральном исполнении 140 УД13. Структурная схема М-Д-М усилителя приведена на рис. 4.37.

Рис.5.37. Структурная схема М-Д-М усилителя

5.8.1. Дифференциальный усилитель

Значительно минимизировать температурный дрейф нуля можно, используя параллельно-балансные каскады усилителя, построенные на двух идентичных по своим параметрам и характеристикам транзисторах. Такие усилители называются дифференциальными.

Дифференциальные усилители (ДУ) представляют широкий класс усилителей, основным назначением которых является усиление разности между двумя сигналами. По этой причине их также называют разностными усилителями. Свойства ДУ зависят от симметрии между двумя плечами схемы. Балансная природа ДУ делает его идеальным усилителем в интегральном исполнении. Так как практически невозможно получить два абсолютно идентичных по своим параметрам и характеристикам транзистора на дискретных элементах, дифференциальные усилители изготавливают по интегральной технологии, поскольку такой технологии свойственно хорошее согласование элементов усилителя. Принципиальным достижением планарной технологии явилось создание на одной подложке пары строго согласованных по своим параметрам и характеристикам транзисторов. Степень согласования параметров определяется качеством технологического процесса. Для транзисторов, расположенных на одном кристалле, эквивалентная разность температур переходов может быть доведена до нескольких десятых долей градуса. Столь малая разность температур позволяет серийным интегральным дифференциальным структурам иметь разрешающую способность по постоянной составляющей порядка десятых долей милливольта. Температурный дрейф постоянной составляющей при этом имеет порядок единиц микровольт на

изменения окружающей температуры. Такие характеристики обусловили ключевую роль дифференциального усилителя в схемотехнике линейных интегральных схем. Принципиальная схема дифференциального усилителя приведена на рис.5.38. У дифференциального усилителя два входа и два выхода. Можно подавать разные сигналы на оба входа. Можно подавать сигнал на один из входов, второй вход при этом заземляется. Выходной усиленный сигнал можно снимать между выходами усилителя, либо с каждого из выходов относительно земли.

Рис.5.38. Дифференциальный усилитель

При полной симметрии схемы, когда напряжения на входах равны нулю, коллекторные токи транзисторов одинаковы, потенциалы коллекторов левого и правого транзисторов также одинаковы и выходное напряжение между коллекторами транзисторов равно нулю. Любые изменения температуры окружающей среды или флуктуации напряжения питания вызовут одинаковые изменения коллекторных токов и коллекторных напряжений транзисторов. Выходное напряжение между коллекторами при этом останется равным нулю.

Дифференциальный усилитель усиливает разность входных сигналов. У высококачественных дифференциальных усилителей сопротивление резистора

Должно быть неограниченно велико. Совместно с источником питания этот резистор образует генератор стабильного тока . Поэтому необходимо обеспечить высокую стабильность источника питания усилителя, так как качество усилителя зависит от стабильности тока . У дифференциального усилителя ток практически не зависит от наличия сигналов на входах.

Если напряжения генераторов

и Одинаковы, ток Делится пополам между транзисторами усилителя. Напряжения на выходах усилителя при этом равны напряжению баланса:. (5.90)

Если в момент

На вход подать положительный сигнал, а на вход напряжение UС2=0, то на выходе транзистора появится усиленный проинвертированный импульс, так как этот транзистор включен по схеме с ОЭ. Транзистор усиливает и не инвертирует входной импульс, так как по отношению к входному сигналу представляет схему с ОБ. На выходах ДУ появятся одинаковые импульсы разной полярности. При этом ток левого транзистора во время действия входного импульса будет увеличиваться, а ток правого транзистора будет уменьшаться. Таким образом, на время действия импульса происходит перераспределение тока I0 между левым и правым транзисторами. Суммарный же ток остается равным I0. Изменение напряжений на выходах транзисторов усилителя для этого случая показано на рис.5.39.

Рис.5.39. Изменение напряжений на выходах ДУ

Если подать положительный импульс на базу правого транзистора, то правый транзистор будет представлять собой схему с ОЭ, а левый транзистор по отношению к входному сигналу – схему с ОБ. Ток правого транзистора будет увеличиваться, а ток левого транзистора – уменьшаться. При этом также происходит перераспределение тока между транзисторами усилителя.

Сигнал управления, прикладываемый между входами усилителя, называется дифференциальным. Если на входы поданы одинаковые сигналы, то такой сигнал называется синфазным. Идеальный дифференциальный усилитель не дает отклика на синфазный сигнал. Реальный дифференциальный усилитель откликается на синфазный сигнал из-за неидеальности генератора тока и неидеальной симметрии схемы. При этом незначительно изменяется уровень тока

и напряжение баланса изменяется на величину =.

Обычно под синфазным сигналом понимают сигнал помехи, действующей одновременно на оба входа. Синфазный сигнал может появляться также за счет наводок на оба входа усилителя, за счет нестабильности источников питания, за счет неидеальности генератора тока и неидеальной симметрии схемы усилителя, за счет изменения температуры и других воздействий на усилитель. Синфазный сигнал может присутствовать автоматически в некоторых схемах подачи дифференциального сигнала. В этом случае на входах усилителя происходит суммирование полезного сигнала и синфазного мешающего сигнала. Если сигналы на входах ДУ

и неодинаковы, их можно представить в виде комбинации синфазной и дифференциальной составляющих:, (5.91). (5.92)

Решая систему этих уравнений, получим:

, (5.93). (5.94)

Различают коэффициент усиления разностного сигнала и коэффициент передачи синфазного сигнала. Коэффициент усиления разностного сигнала равен:

. (5.95)

С учетом крутизны транзистора коэффициент усиления дифференциального сигнала равен, как и у одиночного

— каскада по схеме с ОЭ:. (5.96)

Коэффициент передачи синфазного сигнала равен:

. (5.97)

Коэффициент передачи синфазного сигнала можно выразить через отношение коллекторного и эмиттерного резисторов:

. (5.98)

Поскольку

дифференциальный усилитель значительно ослабляет синфазные сигналы. Качество дифференциального усилителя оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала, который равен отношению . (5.99)

Величина относительного ослабления синфазного сигнала может быть выражена в логарифмических единицах через коэффициент ослабления синфазного сигнала

(дБ). (5.100)

Коэффициент усиления дифференциального сигнала для одного каскада дифференциального усилителя составляет

= 50 100 , а коэффициент передачи синфазного сигнала . Коэффициент ослабления синфазного сигнала для этого случая равен Раз или (-100дБ). для современных дифференциальных усилителей составляет величину () дБ.

Способность дифференциального усилителя различать по входу малые дифференциальные сигналы на фоне больших синфазных помех является одним из его важнейших достоинств.

Для реального ДУ выходное напряжение равно:

. .101)

Оценим уровень синфазного сигнала на выходе ДУ следующим примером.

Пример.

, , , .

Выходное напряжение ДУ будет равно:

Таким образом, погрешность воспроизведения дифференциального сигнала составляет 0,5

Или 0,05%.

Другой характерной особенностью ДУ является низкое значение температурного дрейфа напряжения на выходе. Это обусловлено тем, что температурные изменения напряжений база-эмиттер левого и правого транзисторов воспринимаются усилителем как синфазный сигнал и значительно ослабляются на выходе. Типовая величина температурного дрейфа разности напряжений база-эмиттер для современных ДУ составляет единицы микровольт на градус Цельсия.

Из выражения для коэффициента передачи синфазного сигнала следует, что чем больше

, тем сильнее ослабляется синфазный сигнал. Для увеличения в цепь эмиттера включают генератор стабильного тока на транзисторах (рис.5.40), эквивалентное выходное сопротивление которого по переменному току составляет десятки – сотни килоом.

Рис.5.40. Генератор стабильного тока

Выходное сопротивление такого генератора тока велико, так как через резистор

Осуществляется последовательная отрицательная обратная связь по току. Поэтому ток стабилен даже при воздействии синфазного сигнала. Для типичного транзистора интегральной схемы разность напряжений база-эмиттер дифференциальной пары Δ. Если пренебречь током базы транзистора генератора стабильного тока, то значение тока можно определить из выражения:, (5.102). (5.103)

Температурные зависимости токов

и Будут одинаковыми.

С повышением температуры напряжение

уменьшается на 2,5 мВ/1оС, при этом падение напряжения на резисторе будет увеличиваться, и ток будет увеличиваться. Но на переходе диода падение напряжения также уменьшается на 2,5 мВ/1оС. В результате ток увеличивается, а ток базы транзистора уменьшается, препятствуя увеличению тока . Таким образом, ток следит за током. В интегральном исполнении вместо диода ставят транзистор в диодном включении.

Дифференциальный усилительный каскад используется в качестве основного блока в схеме операционного усилителя.

5.8.2. Операционные усилители

Наиболее распространенным классом аналоговых интегральных схем являются монолитные операционные усилители (ОУ). Дифференциальные усилители являются основой схемотехники операционных усилителей. Операционным усилителем называется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления постоянного напряжения и с большим входным сопротивлением. Обычно ОУ питается от двухполярного источника питания и имеет два входа и один выход. Один вход называется неинвертирующим, так как фаза сигнала на выходе усилителя совпадает с фазой сигнала, поданного на этот вход. Второй вход называется инвертирующим, так как фаза сигнала на выходе усилителя противоположна фазе сигнала на этом входе.

Термин операционный усилитель, возникший впервые в вычислительной технике, в настоящее время существенно изменил свое первоначальное значение. Если ранее с ним отождествляли понятие «решающий усилитель» и неизменно связывали выполнение математических операций – сложения, интегрирования, вычитания, то сейчас эти функции ОУ, хотя и не утратили своего значения, занимают рядовое место в длиннейшем списке возможных применений ОУ в радиоэлектронике, автоматике, измерительной и вычислительной технике. Широкие возможности производства качественных ОУ открылись с внедрением интегральной технологии, позволяющей в одном кристалле создать множество транзисторов с идентичными характеристиками. По своим свойствам ОУ близок к идеальному усилителю напряжения. Идеальный ОУ должен обладать следующими свойствами:

1. Бесконечно большим входным и нулевым выходным сопротивлением.
2. Бесконечно большим коэффициентом усиления в бесконечно широкой полосе частот.
3. У идеального ОУ не должно быть дрейфовых ошибок (дрейф нуля равен 0).

Эти свойства полностью не могут быть реализованы в реальном ОУ. Однако отсюда можно сделать 2 вывода:

1. Входы идеального ОУ не потребляют ток от источника сигнала, так как входное сопротивление равно бесконечности.

2. Между входами идеального ОУ напряжение управления равно нулю, так как коэффициент усиления равен бесконечности.

Эти два вывода можно сформулировать как принцип виртуального замыкания, который поясняется на рис.5.41. При виртуальном замыкании, как и при обычном, напряжение между замкнутыми зажимами равно нулю. Однако в отличие от обычного замыкания, ток источника сигналов в виртуальное замыкание не ответвляется, а течет через резистор обратной связи. Для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи. При этом инвертирующий вход (обозначен кружком) можно считать потенциально заземленным.

Рис5.41. Принцип виртуального замыкания

Достоинством ОУ с характеристиками, близкими к идеальным, является то, что он может выполнять большое количество математических операций путем применения пассивных цепей обратной связи, охватывающих усилитель. Если входное и выходное сопротивления усилителя являются соответственно очень высоким и очень низким по отношению к величине сопротивления цепи обратной связи, и если коэффициент усиления достаточно велик, то результирующие характеристики усилителя определяются только параметрами элементов цепи внешней обратной связи.

Структурная схема ОУ показана на рисунке 5.42.

Рис.5.42. Структурная схема ОУ

В ходным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель (ДУ), который для уменьшения статических и дрейфовых ошибок и повышения входного сопротивления работает в режиме микроамперных токов и имеет обычно небольшой коэффициент усиления по напряжению (К = 10). Работа в режиме микроамперных токов позволяет обеспечить не только высокое значение входного сопротивления, но и хорошие шумовые параметры, и низкий уровень дрейфа. Для обеспечения высокой стабильности, хорошего подавления синфазной помехи, малого дрейфа нуля в цепи эмиттеров первого ДУ включен генератор стабильного тока. За входным ДУ включается следующий дифференциальный усилитель – усилитель напряжения (УН), который обычно работает с токами эмиттеров транзисторов, имеющих уровень 1 –2 мА, поэтому его коэффициент усиления всегда превышает 100.

Наиболее широкое распространение получили трех — и двухкаскадные ОУ. В ОУ применяют покаскадное соединение дифференциальных усилителей, поэтому из-за отсутствия разделительных конденсаторов на базах второго каскада ДУ будут значительные постоянные составляющие коллекторного напряжения предыдущего каскада. Чтобы предотвратить насыщение транзисторов второго ДУ, потенциалы их эмиттеров должны быть выше потенциала «земли» примерно на ту же величину, что и потенциалы на их базах. Необходимый сдвиг уровня обеспечивает УН. Выходной каскад ОУ представляет собой усилитель мощности, позволяющий получить необходимое усиление по мощности и малое значение выходного сопротивления.

Обычно в ОУ применяют двухполярное питающее напряжение, чтобы обеспечить возможность работы, как с положительными, так и отрицательными входными сигналами. Двухполярное питание облегчает получение на выходе ОУ нулевого потенциала при отсутствии напряжения на входе. Как правило, ОУ работают с напряжениями питания

.

Амплитудная характеристика ОУ для инвертирующего и неинвертирующего входов имеет вид, показанный на рисунке 5.43.

Рис.5.43. Амплитудная характеристика ОУ

(1- для инвертирующего входа, 2 – для неинвертирующего входа)

Из амплитудной характеристики видно, что напряжение на выходе ОУ равно нулю, когда входное напряжение равно нулю. В реальном ОУ наблюдается разбаланс, т. е.

при Напряжение, которое надо подать на вход ОУ для устранения разбаланса, называется напряжением смещения.

Современные ОУ являются двухкаскадными. Они состоят из сложного входного каскада с повышенным коэффициентом усиления и выходного каскада. АЧХ ОУ аппроксимируют прямыми линиями, изломы которых соответствуют полюсам АЧХ. Такая идеализированная АЧХ называется диаграммой Боде. Двухкаскадный ОУ имеет 2 излома идеализированной амплитудно-частотной характеристики. Чтобы усилитель работал устойчиво, его АЧХ должна быть такой, как у фильтра нижних частот первого порядка, то есть скорость спада АЧХ не должна превышать 20дБ/декаду изменения частоты. Фазовый сдвиг выходного сигнала ОУ должен быть меньше

, когда коэффициент усиления . При этом для любого коэффициента обратной связи запас по фазе будет составлять не менее . Это требование выполняется коррекцией частотной характеристики ОУ, причем коррекция производится так, чтобы при АЧХ была аналогична характеристике фильтра нижних частот первого порядка. Корректирующие цепи обеспечивают устойчивость схемы ОУ к самовозбуждению.

На рисунке 5.44 показаны амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики ОУ с частотной коррекцией и без коррекции.

Рис.5.44. АЧХ и ФЧХ операционного усилителя с частотной коррекцией и без коррекции.

Граничной частотой или частотой единичного усиления ОУ называется частота, при которой коэффициент усиления ОУ без обратной связи становится равным 1(0дБ). Для обеспечения стабильности работы ОУ, расширения его динамического диапазона и получения необходимой рабочей полосы частот в ОУ вводят отрицательную обратную связь.

Широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре ОУ общего применения К140УД6, К140УД7, К544УД1, К140УД17, К1409УД1, К140УД20, К1401УД1 и другие. Микросхема ОУ К140УД20 содержит в корпусе два ОУ, а микросхема К1401УД1 – четыре ОУ. Набор параметров ОУ содержит около 20 наименований. Эти параметры, приводимые в справочниках, позволяют оценить качество ОУ без его испытания.

Коэффициент усиления современных ОУ составляет сотни тысяч. Так ОУ К140УД17 имеет коэффициент усиления порядка

. Коэффициент ослабления синфазного сигнала достигает значений —ДБ. Частота единичного усиления ОУ может составлять 100МГц. Величина дифференциального входного сопротивления ОУ на полевых транзисторах составляет величину Ом, а величина выходного сопротивления – десятки Ом.

5.8.2.1. Схемы включения операционных усилителей

Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя показана на рисунке 5.45.

Рис.5.45. Инвертирующий ОУ

Входной сигнал подается на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземляется. Фаза усиленного сигнала на выходе ОУ противоположна фазе входного сигнала. Исходя из принципа виртуального замыкания, можно записать:

. (5.104)

Напряжение на выходе равно:

(5.105)

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен:

(5.106)

Последнее выражение является достаточно точным, если собственный коэффициент усиления самого ОУ намного больше требуемого коэффициента усиления ОУ с обратной связью. Например, для получения усилителя с коэффициентом усиления 100, коэффициент усиления ОУ без обратной связи должен составлять

и выше. Это условие легко обеспечивают современные ОУ.

Неинвертирующий усилитель

Если источник сигналов подключить к неинвертирующему входу, то получим неинвертирующий усилитель, схема которого приведена на рисунке 5.46.

Рис5.46. Неинвертирующий ОУ

Напряжение обратной связи на инвертирующем входе равно:

. (5.107)

Коэффициент обратной связи равен:

(5.108)

Напряжение на выходе ОУ будет равно:

. (5.109)

Откуда:

. (5.110)

Из этого выражения найдем коэффициент усиления неинвертирующего ОУ:

(5.111)

При

коэффициент усиления будет равен (5.112)

Повторитель напряжения

На рисунке 5.47 показана схема повторителя напряжения на ОУ.

Рис.5.47. Повторитель напряжения

Положив в (5.112)

, а , получим коэффициент усиления

Напряжение на выходе повторяет входное напряжение.

Интегратор

Если в цепь отрицательной обратной связи включить конденсатор, как показано на рисунке 5.48, то получим схему инвертирующего интегрирующего усилителя, у которого выходное напряжение пропорционально интегралу от входного напряжения.

Рис.5.48. Интегрирующий усилитель

На основании принципа виртуального замыкания можно записать:

. (5.113)

Ток

, протекая через резистор, заряжает конденсатор и создает на нем напряжение, которое является выходным: (5.114)

Подставив значение тока из выражения (5.113) получим:

(5.115)

В отличие от интегрирующей цепочки происходит линейный заряд конденсатора входным током, величина которого определяется резистором R. Если входной сигнал представляет собой переменное напряжение, изменяющееся по косинусоидальному закону, то есть

, то формула напряжения на выходе будет иметь следующий вид: (5.116)

Как видно из этого выражения, амплитуда выходного сигнала обратно пропорциональна круговой частоте

. Амплитудно-частотная характеристика интегратора в логарифмическом масштабе имеет вид прямой с наклоном -6дБ на октаву изменения частоты.

Если входное напряжение постоянно, то напряжение на выходе будет равно

, (5.117)

То есть выходной сигнал возрастает со временем. Поэтому эта схема пригодна для формирования пилообразного напряжения.

Дифференциатор

Если в схеме интегратора поменять местами резистор и конденсатор, то получим инвертирующий дифференцирующий ОУ, схема которого приведена на рисунке 4.49.

Рис.5.49. Дифференцирующий усилитель

Напряжение на входе дифференцирующего усилителя равно:

. (5.118)

Ток из этого выражения равен

. (5.119)

Подставив значение тока в выражение (5.118), получим напряжение на выходе дифференцирующего усилителя

(5.120)

Если к входу подключить генератор синусоидального напряжения

, то напряжение на выходе будет равно: (5.121)

Отсюда видно, что амплитудно-частотная характеристика схемы дифференциатора в логарифмическом масштабе представляет собой прямую с наклоном +6дБ на октаву изменения частоты.

Следует отметить, что данная схема становится неустойчивой на больших частотах из-за дополнительного фазового сдвига в цепи обратной связи. Для уменьшения фазового сдвига в цепи обратной связи последовательно с конденсатором включают резистор

. Постоянную времени и, следовательно, граничную частоту выбирают так, чтобы на этой частоте усиление цепи обратной связи составляло 1.

Суммирующий ОУ

Ниже на рисунке 5.50 приведена схема суммирующего инвертирующего усилителя.

Рис5.50. Суммирующий усилитель

Этот усилитель суммирует входные токи на резисторе обратной связи. Напряжение на выходе усилителя пропорционально сумме входных токов и равно:

. (5.122)

Такая схема широко применяется в цифро-аналоговых преобразователях для суммирования весовых токов.

Логарифматор

Если в цепь обратной связи включить нелинейный элемент, то получим схему логарифмирующего усилителя, показанную на рисунке 5.51.

Рис.5.51. Логарифмирующий усилитель

В качестве нелинейного элемента используется полупроводниковый диод. Для положительных входных сигналов ток, протекающий через диод, соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики диода и равен:

(5.123)

Это равенство достаточно точное при напряжении на диоде

.

Из выражения (5.123) напряжение на диоде равно

(5.124)

Поскольку ток, протекающий через диод, равен

, (5.125)

То напряжение на выходе усилителя будет равно:

(5.126)

Из этого выражения видно, что напряжение на выходе операционного усилителя пропорционально логарифму входного напряжения.

Для отрицательных входных сигналов необходимо включить диод в обратной полярности. Вместо диода можно использовать биполярный транзистор в диодном включении.

Антилогарифматор

Если нелинейный элемент включить на входе ОУ, то получим антилогарифмирующий усилитель.

Рис.5.52. Антилогарифмирующий усилитель

Для этой схемы справедливы следующие соотношения:

, (5.127) , (5.128). (5.129)

Подставляя значение тока из (5.129) в (5.128), получим:

. (5.130)

Напряжение на выходе усилителя пропорционально антилогарифму входного напряжения.

Активные фильтры

Реализация фильтров с индуктивностями в области низких частот затруднительна, так как для низкочастотного диапазона необходимы большие катушки, которые сложны в изготовлении и обладают плохими электрическими характеристиками. Применения катушек индуктивностей для фильтров в области низких частот можно избежать, используя

-фильтры совместно с операционными усилителями. Такие фильтры называются активными. Высокое значение входного сопротивления ОУ не нагружает -цепь. Необходимо, чтобы ОУ обеспечивал заданный коэффициент усиления как в полосе пропускания, так и за ее пределами для того, чтобы затухание фильтра за пределами полосы пропускания было не меньше заданного.

На рис.5.53 показаны фильтры первого порядка нижних и верхних частот.

а б

Рис.5.53. Активные фильтры первого порядка нижних (а) и верхних (б) частот

АЧХ фильтра нижних частот определяется интегрирующей цепью на входе и описывается выражением

. (5.131)

Фильтр верхних частот является инвертирующим. Его АЧХ определяется дифференцирующей цепью и описывается выражением

. (5.132)

Активные фильтры более высоких порядков можно построить из последовательно соединенных фильтров первого, второго, третьего порядков.

2.3 Усилители постоянного тока

2.3 Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т.д. Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабиль­ности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и не­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями I _кбо , U _бэ0 и B .Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо умень­шать коэффициент нестабильности S _нс .

Абсолютным дрейфом нуля  , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: е _др = . Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е _др ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях (рассмотренных в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R _Э большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит K_U для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь K_U пропорционален S _нс , то величина е _др оказывается независимой от S _нс . Минимального значения е _др можно достичь за счет снижения величин R э, R _б и R_r . При этом для кремниевых УПТ можно получить  Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использова­ны следующие способы: применение глубоких ООС, использование термокомпенсирующих элементов, преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением, построение усилителя по балансной схеме и др.

Однотактные УПТ прямого усиления по сути своей являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью. В таком усилителе резисторы R _э 1 и R _э 2 не только создают местную последователь­ную ООС по току, но и обеспечивают необходимое напряжение   в своих каскадах. В многокаскадном усилителе наблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзистора каждого

При разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания E_K . Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R ₁ и R ₂ . На рисунке 2.3.1 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТ прямого усиле­ния. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Рисунок 2.3.1 схема входного каскада УПТ

Нагрузка усилителя обычно включается в диагональ моста, образованного элементами выходной, цепи УПТ. Рассматриваемый здесь способ включения нагрузки используется для получения U _н =0 при Е _r =0. Номиналы резисторов R₃ и R₄ выбираются таким образом, чтобы напряжение средней точки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора в режиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока. В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления K_u oc каскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами    и K_u ОС = — R _кн / R _э соответственно. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R _к имеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где R _к меньше, все равно его номинал должен быть больше номинала R _э . В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада может оказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада в идеальном случае и сведен к нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь при специальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры. Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее в УПТ с четным числом усилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

Способ построения УПТ на основе непосредственной связи в усилительных каскадах с глубокой ООС может быть использован для получения сравнительно небольшого коэффициента усиления (в несколько десятков) при достаточно большом . Если в таких УПТ попытаться повысить К_u , то неизбежно получим резкое возрастание дрейфа нуля, вызванного не только температурной нестабильностью, но и нестабильностью источников питания. Отметим, что применение традиционных методов уменьшения влияния нестабильностей Е_к с помощью фильтрующих конденсаторов здесь не дает желаемого результата (слишком низкие частоты). Для снижения температурного дрейфа в УПТ прямого усиления иногда применяют температурную компенсацию. В настоящее время в качестве термокомпенсирующего элемента обычно используется диод в прямом смешении, включенный в цепь базы транзистора. Принцип построения таких устройств практически одинаков для усилителей постоянного и переменного тока. Все рассмотренные выше УПТ имеют большой температурный дрейф (e _дрсоставляет единицы милливольт на градус). Кроме того, в них отсутствует зримая компенсация временного дрейфа и влияния низкочастотных шумов. Эти факторы могут оказаться даже более существенными, чем температурный дрейф нуля. Отмеченные недостатки усилителей прямого усиления в значительной степени преодолеваются в УПТ с преобразованием (модуляцией) сигнала.

2.3.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью: К118УД, КР198УТ1 и др. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рисунке 2.3.1.1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R _к1 и R _к1 , а два других — транзисторами Т1 и Т2. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R ₀₁ и R ₀₂ имеют небольшие величины, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R _Э подключен к эмиттерам транзисторов. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

Рисунок 2.3.1.1 Схема дифференциального усилителя

Использование второго источника (—Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров Т1 и Т2 до потенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений. При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т1 и резистора R_к1 (и R₀₁ ), второе —из транзистора Т2 и резистора R_к2 (и R₀₂ ). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, что ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор R_Э , которым и задается их общий ток. Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранить свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По нему необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т1 и Т2, а также R_к1 = R_к2 (и R₀₁ = R₀₂ ). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при U_вх1 = U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т. е. потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах, ОЭ (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет от­сутствовать. За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Если собрать ДУ на таких дискретных элементах, то он может быть и продемонстрируете желаемый результат, но только в относительно небольшой промежуток времени. С течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом в соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на них различным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушится симметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счете можно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практически невозможно. Это и обусловили тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашли должного использования в дискретной электронике. Приблизиться к выполнению первого основного требования для ДУ позволила микроэлектроника. Ясно, что симметрию общих плеч ДУ могут, обеспечив лишь идентичные элементы в которых все одинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИС первое требование к ДУ почти выполнено. Это «почти» позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, но все же с хорошими параметрами, но при непременном условии выполнения второго основного требования к ДУ.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (рис. 10) присутствуют U _вх1 = U _вх2 , причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R _Э , (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т1 и Т2 приотк­роются и токи их эмиттеров возрастут. В результате по резистору R _Э будет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R _Э образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, K _исф1 и К_исф2 . Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала К_исф = К_исф1 — К_исф2 и за счет выполнения первого основного требования К_исф1 ≈ К_исф2 удается получить весьма малое значение К_исф , т. е. значительно подавить синфазную помеху.

Так как в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основных требования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизить влияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ров элементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, но по весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослабляться наличием ООС.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала — дифференциального. Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U _вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U _вх2 — отрицательной.

За счет действия U _вх1 транзистор Т1 приоткрывается, и ток его эмиттера получает положительное приращение ∆I _Э1 , а за счет действия U _вх2 транзистор Т2 закрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение, т.е. — ∆I _Э2 . В ре­зультате приращение тока в цепи резистора R _Э ∆I_R Э = ∆I _Э1 — ∆I _Э1. Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆I_R Э = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит и название усилителя — дифференциальный. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т1 и Т2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор R _Э , образует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то R _Э все же будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по току задают в каскадах ДУ с по­мощью резисторов R₀₁и R₀₂ . Как отмечалось выше, эти резисторы имеют небольшие номиналы (участки полупровод­никовой подложки), поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет на усилительные свойства ДУ.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следует различать схемы его включения.

Масштабный усилитель постоянного тока на полевых транзисторах

Дополнительный материал к лекции 9 для самостоятельной работы

В усилителях с непосредственными связя­ми могут быть использованы униполярные транзисторы и с изолированным затвором (МОП — транзисторы), и с управляющим р-п — переходом. Но особенно хорошо для этой цели подходят МОП -транзисторы. Поскольку затвор МОП — транзистора по существу действует как конденсатор, а не как p-n-переход, отпадает необходимость конденсаторах межкаскадных связей . По этой причине, теоретически отпа­дает проблема низкочастотных ограни­чений переменного сигнала. Однако на практике входная емкость в сочетании со внутренним сопротивлением источ­ника сигнала может образовать RC-фильтр верхних частот и тем самым вы­звать некоторое ослабление сигнала на низких частотах.

Рисунок 1.60 – Схема усилителя постоянного тока на МОП —

На рисунке 1.60 приведена схема трехкаскадного усилителя на МОП-

транзис­торах. Отметим, что все три транзис­тора одного типа и все три стоковых

сопротивления (R2, R3, R4) равны. Такая структура упрощает расчеты. На первый взгляд может показаться, что все три каскада работают при нулевом смещении.

Однако, при протекании тока в цепи стока на соответствующем стоковом резисторе создается некоторое падение напряжения, определяющее потенциал стока транзистора, а значит, и потенциал затвора транзистора следующего каскада. На затворе первого транзистора на­чальный потенциал по существу равен потенциалу стока транзистора последнего каскада благодаря наличию резистора обратной связи R₅. Через резистор R₅в отсут­ствие сигнала ток не течет, за исключением тока утечки через затвор.

Рабочая точка. Определение подходящей рабочей точки усилителя означает

на­хождение компромисса между требуемым выходным сигналом, характеристиками МОП- транзистора и напряжением источника питания. Например, пусть требуемый на выходе усилителя сигнал характеризуется максимальным размахом напряжения 7 В, напряжение источника питания 24 В, и в цепи стока протекает ток I_с= 0,55 мА, если напряжение между затвором и истоком U_зи= 7 В. При этих условиях подходящей будет рабочая точка, когда потенциал стока равен 7 В, и обеспе­чивается без нелинейных искажений выходной сигнал с размахом 7 В. В процессе уси­ления потенциал стока будет изменяться в пределах от 3,5 В до 10,5 В, около рабочей точки 7 В. На стоковых резисторах в рабочей точке должно падать напряжение 24— 7 = 17 В при токе 0,55 мА, откуда следует, что резисторы R₂, R₃ и R₄должны быть приблизительно равны 17/0,55 = 31 кОм (принимаем значение 30 кОм).

На последовательный резистор R₁ должен быть подан постоянный уровень, соответствующий рабочей точки. Например, если потенциал в рабочей точке равен — 7 В, то потенциал на входе также должен быть равен — 7 В. При каком –либо потенциале на входе рабочая точка будет смещаться.

Результирующее усиление напряжения зависит от коэффициента усиления без цепи обратной связи К_u.обр. и сопротивления резистора обратной связи R₅. Входное сопротивление схемы приблизительно равно R₁ , коэффициент усиления приблизительно равен отношению R₅/R₁. разумеется изменяя отношение R₅ /R ₁ , нельзя получить усиление, превышающее коэффициент усиления без обратной связи. Вообще, чем больше отношение коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью к коэффициенту усиления с замкнутой обратной свзью, тем выше стабильность схемы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: «Что-то тут концом пахнет». 8428 —

| 8040 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Схема простого высококачественного звукового усилителя низкой частоты с
выходной мощностью 200Вт.

«Простота — залог успеха!». Древняя и мудрая мысль, которая в технических областях приобретает следующий смысл — «Чем решение проще, тем оно работоспособнее».
А каким, интересно, боком это имеет отношение к звуковым усилителям? Отвечу — нормальным боком, самым непосредственным. Чем проще схема УМЗЧ — тем музыкальнее этот усилитель будет звучать!
«Лжёшь, собака! Аз есмь сторонник усилителей мощности высокой верности звучания с длинными и глубокими ООС и сверхнизкими значениями нелинейных искажений», — негодуя, рьяно возразит «продвинутый» схемотехник, проштудировавший подшивку журналов «Радио» 80. 90-ых годов выпуска.

Спорить не буду, предположу лишь, что сторонники этой точки зрения вряд ли знакомы со звучанием четырёхтранзисторного усилителя мощности JLH Джона Линсли Худа 1969 года разработки, да и простые, как ситцевые трусы, но очень музыкальные усилители на германиевых транзисторах, вероятно, прошли стороной мимо их просвещённых ушей. Про однотактные усилители на полевиках Нельсона Пасса даже не буду упоминать — не слышали, не видели, а если бы увидели, так и слушать бы не стали.

А с интересующимися мы подробно порассуждали «Как построить хороший УНЧ на транзисторах» в одноимённой статье на странице (ссылка на страницу).
Понятное дело, что при 200-ваттной мощности загонять выходные транзисторы УНЧ в режим А, являющийся идеальным с позиции минимизации тепловых искажений и возможности обойтись местными обратными связями — дело нерациональное как с точки зрения значения КПД, так и с точки зрения массогабаритных характеристик.
Поэтому наша цель — усилитель, работающий в режиме АВ, с максимально неглубокой и короткой межкаскадной ООС, позволяющей уложиться в приемлемые значения коэффициента нелинейных искажений.

Рис.1

Схема целиком реализована на распространённых и недорогих полевых МОП-транзисторах, без использования каскадов дифференциальных усилителей, что в совокупности позволило максимально снизить в спектре нелинейных искажений уровень 3-ей гармоники, вносящей наибольший диссонанс в звучание транзисторных усилителей.

Выходные транзисторы Т4 и Т5 включены по схеме с ОИ, позволяющей, в отличии от схемы с ОС, получить усиление не только по току, но и по напряжению. Это, с одной стороны, снизило требования к каскадам предварительного усиления (Т1-Т3), с другой — обеспечило размах максимальной амплитуды выходного сигнала, практически равный напряжению источника питания.

Усилительный каскад на транзисторе Т2 работает в режиме с ОИ для входного сигнала, поступающего на затвор транзистора и в режиме ОЗ — для сигнала отрицательной обратной связи, поступающего с выхода усилителя на исток транзистора Т2.
Истоковый повторитель на транзисторе Т3 имеет низкое выходное сопротивление и с лёгкостью прокачивает ёмкости выходных полевиков, имеющих значительную величину.

Токи покоя выходных транзисторов определяются величиной стабилизированного напряжения на затворе транзистора Т5. Это напряжение, а соответственно, и токи выставляются на уровне 200мА посредством многооборотного подстроечного резистора R19.
Точное значение нулевого напряжение на выходе УМЗЧ устанавливается при настройке усилителя таким же многооборотным подстроечником R6. Поскольку транзистор Т4 охвачен ООС по постоянному току, то он по совместительству является ещё и элементом, стабилизирующим данный уровень выходного напряжения.

Для получения приемлемой чувствительности усилителя (около 1В) необходим драйвер, т.е. каскад, обладающий коэффициентом усиления (в нашем случае — около 5). С его функцией замечательно справился мощный полевик Т1, включённый по схеме с ОИ и работающий при значительном токе покоя. Не один менее мощный транзистор на его месте не смог обеспечить уровень нелинейных искажений, сопоставимый с IRFP140. Поскольку этот каскад не охвачен общей ООС, то параметр Кг является для него основополагающим.
Конденсатор С4, подключённый параллельно нагрузочному резистору R7, ограничивает полосу частот, поступающих на основные каскады усиления, на уровне 40кГц.

Ввиду значительной ёмкости Сзи IRFP140 — выходное сопротивление каскада предварительного усиления, работающего совместно с данным УМЗЧ, не должно превышать величину 1. 2 кОм.
Я бы предложил в качестве такого каскада — темброблок на полевых транзисторах, схему которого мы подробно рассмотрели на странице (ссылка на страницу).

Итак, что же мы получили в чистом остатке? А получили мы следующее:

1. Полоса пропускания усилителя по уровню -3дБ, ограниченная сверху фильтром 1-го порядка R7С4: 10Гц — 40кГц.

2. Практически не зависящий от выходной мощности (вплоть до заявленных 200Вт) Кг

. Не будем выделять, какой из резервуаров холодильник, какой нагреватель. Количество тепла считаем положительным, если система его получает, отданное системой тепло считаем отрицательным. Допустим, что система 1 совершила круговой процесс. Рабочее тело получило те.

Усилители постоянного тока — Мегаобучалка

Часто при проведении измерений в электронных устройствах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот — порядка долей герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоян­ного тока (УПТ). В многокаскадных УПТ для связи между каска­дами не могут быть использованы реактивные элементы связи (кон­денсаторы, трансформаторы), поэтому для этой связи, как правило, служат резисторы.

На рис. 6.8 приведены для сравнения частотные характеристики УПТ (кривая 1) и усилителя с резистивно-емкостной связью (кривая 2). В области низких и средних частот амплитудно- частотная характеристика УПТ равномерна. В области высоких частот УПТ фазовые сдвиги и частотные искажения появляются на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости усили­тельных каскадов, так же как и в усилителях с резистивно-емкостной связью.

В усилителях постоянного тока возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоян­ных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов, используемых в усилителях.

а)

Рис. 6.9. Схема (а) и потенциальные диаграммы (б) УПТ с одним источником питания

Как и в усилителях с резистивно-емкостной связью между кас­кадами, характеристики усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1)в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2)при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3)напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропор­ционально входному напряжению.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других уси­лителях, выполняются при работе усилителя в режиме А. Для вы­полнения первого условия необходимо отделить полезный выход­ной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

В усилителях постоянного тока отделение постоянных состав­ляющих напряжения, как правило, производится компенсационным методом. Такие усилители можно условно подразделять на усили­тели с одним и с двумя источниками питания.

УПТ с одним источником питания. Простейшие схемы УПТ с одним источ­ником питания приведены на рис. 6.9, а, 6.10, а и 6.11 а. На рис. 6.9, б 6.10, б и 6 .11. б показаны временные диаграммы их работы. Простейший УПТ с одним источником питания (рис. 6.9, а) состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме ОЭ с температурной стабилизацией (на рисунке он выделен штриховыми линиями). У этого усилительного каскада отсутствует конденсатор в цепи эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усиления из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую по­лосу пропускания.

В отличие от усилителей с резистивно-емкостной связью в рассматриваемом УПТ (рис. 6.9, а) нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R₃R₄, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R₁R₂. Потенциалы средних точек делите­лей таковы, что в отсутствие входного напряжения (и_вх=0) и , вследствие чего отсутствует как ток во входной цепи, так и ток в нагрузочном ре­зисторе (i_н =0). Для точной подстройки режима в выходной цепи имеется пере­менный резистор R₅.

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока i_н. Потенциальная диаграмма усилителя (рис. 6.9, б) показывает, что в отсутствие входного напряжения (0<t<t₁) выходное напряжение и_вых=0; в интервале t₁<t<t₂ при u_вх<0 выходное напряжение и_вых>0, а в интервале t>t₂ и_вх>0 и и_вых<0.

В УПТ с одним источником питания и в усилителях, рассматриваемых ниже, вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе. Способ включения нагрузочного резистора и подачи входного напряжения при этом не изменится.

На рис. 6.10 приведены схема и потенциальная диаграмма УПТ, у которого во входной цепи и в цепи связи включены стабилитроны, на которых выделяется напряжение компенсации. Стабилитроны выбраны таким образом, что их напря­жения стабилизации U_cт компенсируют постоянные напряжения в цепи базы и коллектора транзистора Т₁.

Рис. 6.10. Схема (а) и потенциальные диаграммы (б) УПТ с ком­пенсирующим стабилизатором

Как видно из потенциальной диаграммы рис. 6.10, б, в отсутствие входного напряжения и . Такой режим соответствует жесткой температурной стабилизации и выбору рабочих точек транзисторов в середине ли­нейных участков характеристик.

При подаче отрицательного входного напряжения в момент времени t₁ потен­циал транзистора T₁ понижается, потенциал коллектора транзистора Т₁ повы­шается и на столько же повышается потенциал базы транзистора Т₂. Соединение коллектора транзистора Т₂ с нагрузочным устройством на схеме не показано, оно может осуществляться так же, как в схеме рис. 6.9, а.

На рис. 6.11, а приведена схема двухкаскадного УПТ на транзисторах раз­личных типов (транзистор типа п-р-п и транзистор типа p-n-p).

а)

Рис. 6.11. Схема (а) и потенциальные диаграммы (б) УПТ на комплементарных транзисторах

Входная цепь и схе­ма соединения с нагрузочным устройством не показаны, они могут быть осуществ­лены по схеме рис. 6.9, а. Как видно из рис. 6.11, а, здесь произведено непосред­ственное соединение коллектора транзистора T₁ типа п-р-п и базы транзистора Т₂ типа р-п-р. Это оказалось возможным благодаря применению во втором каскаде транзистора типа р-п-р, у которого эмиттер через резистор R_б подключен к источ­нику питания Е_к. При этом падение напряжения на резисторе R_б, необходимое для жесткой температурной стабилизации, приблизительно равно Е_к/3, что согла­суется с падением напряжения на резисторе R₄, которое при выборе рабочей точки транзистора Т₁ в середине линейного участка переходной характеристики тоже приблизительно равно E_к/3.

Рассмотренные схемы усилителей с одним источником питания обладают ря­дом недостатков. Во-первых, в них нагрузочные резисторы включаются между электродом транзистора и средней точкой делителя и не могут быть соединены с общей точкой усилителя (корпусом), имеющей нулевой потенциал. Такое соеди­нение с общей точкой необходимо в сложных электронных устройствах со многими усилительными каскадами. Во-вторых, источник входного напряжения (рис. 6.9, а) тоже не соединен с общей точкой усилителя. Применение же стабилитронов (рис. 6.10, а) требует их подбора по напряжению и индивидуальной подстройки усилителей.

УПТ с двумя источниками питания. От указанных недостатков свободны усилители с двумя источниками питания. На рис. 6.12, а приведена схема такого однокаскадного усилителя.

В нем приме­нены два источника питания +Е₁ и -Е₂, которые создают положи­тельное и отрицательное напряжения относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал. Усилитель рассчитывают таким образом, что в отсутствие вход­ного сигнала (и_вх=0) потенциал базы транзистора и потен­циал эмиттера . Потенциалы других точек схемы (от­носительно общей точки) зависят от напряжений источников пи­тания и показаны для Е₁=20 ВиЕ₂=10В. К делителю R₃R₄ в от­сутствие входного сигнала приложено напряжение , при этом потенциал средней точки дели­теля должен быть равен нулю, так как в этом режиме выходное напряжение должно отсутствовать. Тогда падения напряжения на плечах делителя соответственно равны и U_R4 =Е₂. Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора:

(6.29)

Сопротивления резисторов делителя могут быть определены из соотношений

(6.30)

(6.31)

При подаче входного напряжения и_вх (на диаграмме положи­тельное) возрастает ток базы транзистора, что приводит к увеличе­нию его коллекторного тока. При этом увеличивается падение на­пряжения на резисторе R₁ и снижается потенциал коллектора .

Снижение потенциала «верхнего» вывода делителя R₃R₄ приво­дит к снижению потенциала средней точки и появлению отрица­тельного выходного напряжения. Таким образом, делитель, вклю­ченный на выходе усилительного каскада, компенсирует постоян­ную составляющую коллекторного напряжения и передает с не­которым уменьшением усиленное напряжение с коллектора тран­зистора на выход усилителя.

Коэффициент усиления такого усилительного каскада при и , когда шунтирующее действие делителя можно не учитывать, определяется выражением

где К₀ — коэффициент усиления усилителя с коллекторной нагруз­кой без делителя, а — множитель, учитывающий сни­жение коэффициента усиления за счет включения делителя.

Снижение коэффициента усиления незначительно лишь при , что обеспечивается при высоком напряжении источника питания Е₂. На практике обычно и применение делителя снижает коэффициент усиления усилителя в 1,5—2 раза.

Рассмотренная схема допускает непосредственное соединение каскадов усилителей. При этом, так как входное и выходное напря­жения имеют общую точку с нулевым потенциалом, выход первого каскада подключается непосредственно ко входу второго, выход второго каскада к третьему и т. д. до получения необходимого коэф­фициента усиления.

Дрейф в УПТ. Усилители постоянного тока имеют специфиче­ский недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нару­шается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляю­щих напряжения из-за нестабильности источников пита­ния, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т. д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

Дрейф нуля УПТ легко можно наблюдать в следующем опыте. Вход усилителя постоянного тока замыкают накоротко (рис. 6.13), а на выходе включают милливольтметр. С течением времени в от­сутствие входного напряжения из-за нестабильности величин и неточной их компенсации появляется выходное напря­жение, примерная временная зависимость которого показана на рис. 6.14. Это напряжение, деленное на коэффициент усиления уси­лителя, называют дрейфом нуля, приведенным ко входу усилителя:

при (6.33)

В дальнейшем под напряжением дрейфа будем понимать напря­жение дрейфа, приведенное ко входу усилителя.

Усилитель постоянного тока может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т. е. при u_вх>>и_др. Поэтому при проектиро­вании чувствительного усилителя приходится принимать специаль­ные меры к снижению дрейфа нуля.

Как видно из рис. 6.14, выходное напряжение состоит как бы из двух составляющих: монотонно изменяющегося напряжения (по­казано штриховой линией) и переменной составляющей. Первое называется медленным дрейфом и обусловлено в основном изменением характеристик транзисторов, второе называется быстрым дрейфом и определяется колебаниями на­пряжений источников питания, темпера­туры окружающей среды и другими внеш­ними факторами.

В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

1) стабилизацию напряжения источни­ков питания, стабилизацию температурно­го режима и тренировку транзисторов;

2) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ;

3) преобразование усиливаемого напряжения.

Рассмотрим, как осуществляется и насколько позволяет снизить дрейф каждая из указанных мер.

При стабилизации напряжения источников питания с точностью ±0,01%, температурной стабилизации с точностью ±1°С удается снизить дрейф усилителя до и_др=5-20 мВ при работе в температур­ном диапазоне от -50 до +50°С.

Дифференциальные УПТ. Кроме стабилизации питающих на­пряжений для борьбы с дрейфом УПТ принимают специальные схемы усилителей, так называемые дифференциальные (балансные) УПТ. Они построены по принципу четырехплечего моста (рис. 6.15).

Действительно, если мост сбалансирован, т. е.

(6.34)

то при изменении Е_к баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R_нток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂ или R₃, R₄ баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R₂, R₃ тран­зисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто при­меняемую в УПТ.

В дифференциальном усилителе (рис. 6.16, а) сопротивления резисторов R₂, R₃ в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

Рис. 6.16. Схемы симметричного (а) и несимметричного (б) диф­ференциальных усилительных каскадов

На стабильность электрических режимов существенное влияние сказывает сопротивление резистора R₁, который стабилизирует ток транзисторов (рис. 6.16, а). Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R₁, увеличивают напряжение источника питания Е_к до значения , а в интегральных микро­схемах часто вместо резистора R₁применяют стабилизатор постоян­ного тока, который выполняют на 2—4 транзисторах.

Переменный резистор R_п(рис. 6.16, а) служит для балансиров­ки каскада или, как говорят, для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R₂, R₃. При изменении положения движка потенциометра R_п изменяются со­противления резисторов, включенных в коллекторные цепи тран­зисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Переме­щением движка потенциометра R_п добиваются нулевого тока в на­грузочном резисторе R_н в отсутствие входного сигнала.

При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е₁ или смещения Е₂ изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления ре­зисторов R₂, R₃ в точности равны, то тока в резисторе R_нза счет изменения э. д. с. Е₁, Е₂ не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.

В то же время при подаче входного напряжения на базу тран­зистора Т₁ изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе R_н.

При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при ста­билизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от -50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз.

Выражение для коэффициента усиления дифференциального каскада аналогично выражению для коэффициента усиления обыч­ного однокаскадного усилителя с коллекторной нагрузкой

так как напряжением обратной связи, возникающим на резисторе R₁, можно пренебречь. Это напряжение одновременно воздействует на эмиттеры транзисторов Т₁, Т₂, вызывая одинаковые изменения потенциалов их коллекторов. Таким образом, результирующее напряжение на выходе усилителя остается неизменным. Нетрудно видеть, что выходное напряжение в усилителе (рис. 6.16, а) совпа­дает по фазе с входным напряжением и_вх1 (неинвертирующий вход) и противофазно напряжению и_вх2(инвертирующий вход).

Тогда можно записать

(6.36)

Входное сопротивление усилителя по каждому из входов

(6.37)

выходное сопротивление

(⁶.³⁸)

На рис. 6.16, б приведена схема несимметричного дифференци­ального усилителя, в котором коллекторный резистор включен только в коллекторную цепь транзистора Т₂. Такой усилительный каскад обладает несколько большим дрейфом и применяется только в тех случаях, когда необходимо получить выходное напряжение относительно общего зажима. Для компенсации постоянной составляющей коллекторного напряжения в усилителе применен делитель R₃R₄.

Пикосекундный широкополосный усилитель постоянного тока

Эксперимент: Проектирование схем транзисторов

Процедура

Примечание: Эта схема была разработана, когда мы только учились обучать работе транзисторов. Теперь мудрее, мы знаем, что ниже есть некоторые ошибки в математике с вычислениями фильтра. Мы перепроектируем эту схему, когда позволят время и ресурсы, но учтите, что схема все еще работает (может усиливать пики).

Все, что вам нужно, чтобы построить усилитель, — это транзистор, источник питания, резисторы и конденсаторы.Есть много способов смешать их вместе, что является искусством (Стив Джобс часто называл компоновку схем «цифровым искусством»), но мы дадим вам некоторые основные условия и предположения, с которыми можно поработать, а затем проведем вас через дизайн вашего самого первый простой био-усилитель!

Существует несколько конфигураций с использованием транзисторов NPN, но мы будем использовать «конфигурацию с общим эмиттером», потому что она позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению. Почему его называют «усилителем с общим эмиттером»? — поскольку база — это вход, коллектор — это выход, а «общий» или земля — ​​это эмиттер.

Как любой прилежный инженер, давайте начнем с «требований», что является скучным способом сказать: «что мы хотим, чтобы эта машина действительно выполняла». В нашем биоусилителе мы хотим «усилить» очень слабые электрические сигналы в нервах тараканов. Давайте стремимся к «усилению» 150 или увеличению амплитуды сигнала в 150 раз. Мы также хотим ограничить то, что мы усиливаем, чтобы гарантировать, что мы обращаем внимание только на всплески (потенциалы действия), а не на другие электрические сигналы, такие как электрический шум из вашего дома.Итак, как и в реальном SpikerBox, мы хотим измерять только сигналы с компонентами выше 300 Гц (циклов в секунду). Это также называется «высокочастотным» сигналом.

Таким образом, у нас есть два требования

1. Прирост 150.
2. Настройка фильтра: фильтр высоких частот 300 Гц.

А теперь вернемся к искусству дизайна электроники. В основе нашего усилителя лежит превосходная книга Пола Шерца «Практическая электроника для изобретателей».

Детали

Помимо тараканов, кабеля и электрода, упомянутых выше, вам необходимо посетить местный дружественный RadioShack, чтобы получить:

1. два NPN транзистора (2N4401) — из набора образцов транзисторов
2. четыре 4.Резисторы 7 кОм — из набора образцов резисторов
3. четыре резистора 1 кОм из того же набора образцов
4. Один резистор 50 Ом из того же набора образцов
5. два конденсатора по 1 мкФ
6. четыре конденсатора по 10 мкФ
7. немного перемычки
8. макетная плата без пайки
9. a Разъем аккумулятора 9В
10. батарея 9В
11. разъем RCA
12. a RadioShack Speaker (мы любим эти вещи)

Вам также понадобится небольшой кусок пробки или пенопласта, на который можно положить ногу таракана.

Проектирование схемы

Эмиттерные и коллекторные резисторы

Поскольку мы будем использовать батарею на 9 В, и наши шипы имеют как положительный, так и отрицательный компонент:

Мы хотим, чтобы нейронный сигнал превышал +4,5 В, чтобы у нас было достаточно «места» для напряжения, чтобы усилить как отрицательную, так и положительную части сигнала.
Таким образом, необходимо, чтобы V _c или напряжение на коллекторе составляло 1/2 V _cc (это сбивает с толку, но Vcc означает «общий ток» или, в более общем смысле, наш источник питания 9 В).Таким образом, нам нужно поставить резистор на V _c , чтобы установить V _c = 1/2 V _cc , и мы используем закон Ома V = IR, который мы можем переписать как:

I _c — это ток через коллектор и функция транзистора (для его расчета вы используете лист данных транзистора). Мы будем использовать значение 1 мА для I _c .

4,7 кОм — стандартное значение для комплекта резисторов, поэтому мы будем использовать 4,7 кОм для R _c

.

Коэффициент усиления нашей схемы, как он есть, составляет ΔV _c / ΔV _e , что равно отношению R _c / R _e .

Мы уже установили R _c = 4,7 кОм, а R _e уже встроен в транзистор. Его R _e называется транссопротивлением, которое рассчитывается как:

I _e примерно такое же, как I _c , поэтому сопротивление составляет 26 Ом.

Мы можем рассчитать выигрыш следующим образом:

Однако в транзисторе может быть нестабильное сопротивление, поэтому нам нужно добавить собственное сопротивление R в дополнение к сопротивлению.Шерц рекомендует V _e с напряжением 1 В для стабилизации нестабильности сопротивления, поэтому согласно закону Ома:

Но обратите внимание, что добавление этого R к схеме:

У нас будет изменение в прибыли. Новое усиление:

о нет! Наше первоначальное усиление 180 исчезло! И наш выигрыш теперь намного меньше, чем нам нужно! Но не бойтесь, мы можем добавить конденсатор параллельно с резистором 1 кОм, который фактически заставит 1 кОм исчезнуть для нашего пикового сигнала.Мы все равно хотим добавить конденсатор, так как нам нужно сделать:

Фильтр высоких частот

Параллельно подключенные резистор и конденсатор действуют как фильтры верхних частот, и, как указано выше, мы хотим, чтобы наш фильтр высоких частот составлял 300 Гц. Это легко подсчитать.

У нас уже есть R = 1 кОм, а f должно быть 300 Гц, поэтому емкость конденсатора составляет 20 мкФ.

Все, что остается, — это входной конденсатор для устранения любого смещения постоянного тока на входном сигнале и поддержания стабильности нашей схемы. Давайте просто установим его на 1 мкФ.

Установка напряжений смещения

Помните из нашей теории транзисторов, что транзистор не включится без нажатия нижнего предела напряжения, а это примерно 0,6 В для схем на основе кремния. Нам нужно добавить резисторы смещения.

Мы хотим, чтобы напряжение на базе V _b было на 0,6 В выше, чем напряжение на уровне V _e , поэтому

Мы знаем, что V _e равно 1 В из-за падения напряжения, рассчитанного выше, поэтому V _b должно быть 1.6В. Сделаем делитель напряжения!

Наш V _в равен 9 В, а наш V _out равен 1,6 В, и мы используем классическое уравнение делителя напряжения:

Мы можем переставить уравнение и вычислить …

Таким образом, R1 должен быть в ~ 4,6 раза больше, чем R2. Звучит достаточно просто, но, как показывает практика, для этой конструкции транзистора:

Итак, мы просто выберем R2 = 1 кОм и R1 = 4,7 кОм в качестве значений, поскольку мы уже используем эти значения резисторов и имеем их под рукой.

Вот и все! Пришло время …

Построить схему

Вы посчитали, и теперь пришло время физически построить вашу схему. Поместите аккумулятор, транзистор, резисторы, конденсаторы и компоненты ввода / вывода на макетную плату, как показано ниже:

Присмотритесь к схеме на макетной плате:

Вставьте электроды в лапу таракана, как вы делали в предыдущих экспериментах, и подключите динамик к цепи.Полностью поверните динамик и почистите ногу таракана зубочисткой. Вы можете услышать очень слабый ответ, но он будет скрыт в шуме. Давайте еще немного усилим шипы. Вы можете создать «вторую стадию» усиления, так же, как мы делаем с нашим обычным SpikerBox, где у вас есть выход схемы, идущий на вход другой копии схемы, как показано ниже:

Однако вы обнаружите, что это «удвоение» делает схему немного нестабильной, поэтому давайте немного снизим усиление на втором этапе.Мы добавили резистор 50 Ом параллельно с R _и , чтобы немного понизить усиление второй ступени, но все равно сделают более громкие всплески, когда вы подключите эту схему к ноге таракана. Смотрите видео ниже.

Теперь вы создали свой собственный усилитель на транзисторах! Поздравляю! Сообщите нам, если вы нашли способ сделать схему проще, чище и с большим усилением.

Обсуждение

Вы находитесь на пути к изобретению еще многих чудесных вещей.История науки определяется изобретением нового оборудования в руках творческих умов. Телескоп позволяет видеть вещи очень далеко. Микроскоп позволяет увидеть очень маленькое. Аппарат ПЦР позволяет измерять молекулы ДНК, а транзистор позволяет наблюдать крошечные электрические сигналы. С помощью этих инструментов мы можем видеть и пытаться понять мир, недоступный нашим невооруженным чувствам. Теперь начнем открывать.

Вопросы для обсуждения

1. Почему шипы от нашего простого двухтранзисторного биоусилителя «шумнее», чем SpikerBox? Что делает SpikerBox? Подсказка: SpikerBox имеет намного больше транзисторов и использует их для создания операционных усилителей, которые затем смешиваются с инструментальными усилителями.Добро пожаловать в искусство электроники!

Принципиальная схема усилителя переменного тока (а) и транзисторного усилителя постоянного тока (б).

Контекст 1

… усилители переменного тока, которые обычно состоят из амплитудного модулятора, усилителя мощности и повышающего трансформатора, широко используются для генерации электростатических сил [4], [5], так как показано на рис. 1 (а). Как правило, несущие частоты ограничиваются спецификациями мощности и обычно менее 2 кГц, поскольку применение высокой несущей частоты снижает импеданс между электродами и подвешенным объектом, Рукопись получена 15 января 2002 года; в результате отредактирована 11 декабря 2002 года. , увеличивает подаваемый ток…

Context 2

… и низкая несущая частота неизбежно имеют низкую надежность, ограниченную полосу пропускания и высокие искажения выходных напряжений, что в некоторой степени ограничивает их применение в высокоэффективных системах электростатической левитации. Альтернативой усилителю переменного тока является усилитель постоянного тока [6], [7]. Усилители постоянного тока на основе высоковольтных силовых транзисторов, как показано на рис. 1 (b) [6], были предложены в последние годы как простейшее решение для применения технологии электростатической левитации.Однако электростатическая сила часто слабее, чем у усилителей переменного тока для некоторых левитационных приложений, поскольку максимальное выходное напряжение транзисторного усилителя в некоторой степени ограничено доступным …

Контекст 3

… частота сигнала может быть выражена как (21) где постоянное напряжение обычно вводится во все подвешенные электроды и равно половине максимального напряжения, чтобы получить линейную модель электростатической левитации.Если мы зададим cm, m и V, силы подвески, меняющиеся с частотой и различные, показаны на рис. 10. Из рис. 10 видно, что расчетная кривая с использованием (21) и M немного выше измеренных. силы из-за влияния паразитных емкостей в контуре нагрузки постоянного тока …

Контекст 4

… может быть выражено как (21) где постоянное напряжение обычно подается на все подвешенные электроды и равно до половины максимального напряжения, чтобы получить линейную модель электростатической левитации.Если мы зададим cm, m и V, силы подвески, изменяющиеся с частотой и различные, показаны на рис. 10. Из рис. 10 видно, что расчетная кривая с использованием (21) и M немного выше измеренных. сил из-за влияния паразитных емкостей в контуре нагрузки постоянного тока …

Контекст 5

… Из приведенных выше аналитических и экспериментальных результатов можно сделать вывод о том, что динамические характеристики усилителя постоянного тока ограничены как искажением частоты, особенно изменением выходного напряжения в высокочастотном и большом динамическом диапазоне, и полосой пропускания с обратной связью, когда входной сигнал изменяется с небольшой амплитудой.Из рисунка 10 видно, что меньшее значение резистора может ослабить частотные искажения за счет дополнительной потребляемой мощности, обеспечиваемой усилителем постоянного тока. Следовательно, учитывая тот факт, что улучшение динамических характеристик и снижение энергопотребления являются противоречивыми критериями проектирования, необходимо соблюдать осторожность при принятии решения в …

Рабочий лист BJT-усилителей класса A

Пусть сами электроны дают Вам ответы на свои собственные «практические задачи»!

Примечания:

По моему опыту, студентам требуется много практики с анализом цепей, чтобы стать профессионалом.С этой целью инструкторы обычно предоставляют своим ученикам множество практических задач, над которыми нужно работать, и дают ученикам ответы, с которыми они могут проверить свою работу. Хотя такой подход позволяет студентам овладеть теорией схем, он не дает им полноценного образования.

Студентам нужна не только математическая практика. Им также нужны настоящие практические схемы построения схем и использование испытательного оборудования. Итак, я предлагаю следующий альтернативный подход: ученики должны построить своих собственных «практических задач» с реальными компонентами и попытаться математически предсказать различные значения напряжения и тока.Таким образом, математическая теория «оживает», и учащиеся получают практические навыки, которых они не достигли бы, просто решая уравнения.

Еще одна причина для использования этого метода практики — научить студентов научному методу : процессу проверки гипотезы (в данном случае математических предсказаний) путем проведения реального эксперимента. Студенты также разовьют реальные навыки поиска и устранения неисправностей, поскольку они время от времени делают ошибки при построении схем.

Выделите несколько минут времени со своим классом, чтобы ознакомиться с некоторыми «правилами» построения схем, прежде чем они начнутся.Обсудите эти вопросы со своими учениками в той же сократической манере, в которой вы обычно обсуждаете вопросы рабочего листа, вместо того, чтобы просто говорить им, что они должны и не должны делать. Я никогда не перестаю удивляться тому, насколько плохо студенты понимают инструкции, представленные в типичном формате лекции (монолог инструктора)!

Примечание для тех инструкторов, которые могут жаловаться на «потраченное впустую» время, необходимое студентам для построения реальных схем вместо простого математического анализа теоретических схем:

Какова цель студентов, посещающих ваш курс?

Если ваши ученики будут работать с реальными схемами, им следует по возможности учиться на реальных схемах.Если ваша цель — обучить физиков-теоретиков, то во что бы то ни стало придерживайтесь абстрактного анализа! Но большинство из нас планирует, чтобы наши ученики что-то делали в реальном мире с образованием, которое мы им даем. «Потраченное впустую» время, потраченное на создание реальных схем, принесет огромные дивиденды, когда им придет время применить свои знания для решения практических задач.

Кроме того, если студенты создают свои собственные практические задачи, они учатся выполнять первичных исследований , тем самым давая им возможность продолжить свое образование в области электротехники / электроники в автономном режиме.

В большинстве наук реалистичные эксперименты намного сложнее и дороже, чем электрические схемы. Профессора ядерной физики, биологии, геологии и химии хотели бы, чтобы их студенты применяли передовую математику в реальных экспериментах, не представляющих опасности для безопасности и стоивших меньше, чем учебник. Они не могут, но вы можете. Воспользуйтесь удобством, присущим вашей науке, и заставит ваших учеников практиковать математику на множестве реальных схем!

Биполярные транзисторы как усилители

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Распознать основные режимы подключения транзисторного усилителя.
• • Эмиттер обыкновенный.
• • Коллектор общий.
• • Общая база.
• Опишите основные параметры каждого режима усилителя.
• • Коэффициент усиления по напряжению.
• • Текущее усиление.
• • Входное и выходное сопротивление.

Как подключается транзистор для создания усилителя.

Фиг.3.6.1 Подключения усилителя.

Поскольку усилитель должен иметь два входа и два выхода, транзистор, используемый в качестве усилителя, должен иметь один из трех контактов, общих для входа и выхода, как показано на рис. 3.6.1. Выбор клеммы, используемой в качестве общего подключения, оказывает заметное влияние на характеристики усилителя.

Транзистор, включенный в трех режимах, показанных на рис. 3.6.2–3.6.4 будут показывать совершенно разные характеристические кривые для каждого режима.Эти различия могут быть использованы разработчиком схем для создания усилителя с характеристиками, наиболее подходящими для конкретной цели. Обратите внимание, что схемы показаны здесь в уменьшенном виде и не предназначены для использования в качестве практических схем.

В схеме транзисторного усилителя, показанной на рис. 3.6.2–3.6.4, линия питания + V и линия 0V могут рассматриваться как одна и та же точка, если речь идет о любом сигнале переменного тока. Это связано с тем, что, хотя очевидно, что между этими двумя точками существует напряжение (напряжение питания), источник постоянного тока всегда отключается большим конденсатором (например.грамм. накопительный конденсатор в источнике питания), поэтому не может быть разницы в напряжении переменного тока между шинами + V и 0V.

Рис. 3.6.2 Режим общего эмиттера.

Режим общего эмиттера

Наиболее распространенная функция транзистора — использование в режиме ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА. В этом способе подключения небольшие изменения тока базы / эмиттера вызывают большие изменения тока коллектора / эмиттера. Следовательно, это схема усилителя ТОКА. Чтобы обеспечить усиление НАПРЯЖЕНИЯ, резистор нагрузки (или импеданс, такой как настроенная цепь) должен быть подключен к цепи коллектора, чтобы изменение тока коллектора вызывало изменение напряжения, возникающего на резисторе нагрузки.Значение резистора нагрузки влияет на УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ усилителя. Это связано с тем, что чем больше резистор нагрузки, тем большее изменение напряжения будет вызвано данным изменением тока коллектора. Обратите внимание, что из-за этого метода подключения форма выходного сигнала будет противофазна входному сигналу. Это связано с тем, что увеличение напряжения базы / эмиттера вызовет увеличение тока базы. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока коллектора, но по мере увеличения тока коллектора падение напряжения на нагрузочном резисторе увеличивается, и, поскольку напряжение на верхнем конце нагрузочного резистора (напряжение питания) не изменится, напряжение на нижний конец должен уменьшиться.Следовательно, увеличение напряжения база / эмиттер вызывает уменьшение напряжения коллектор / эмиттер.

Общие параметры эмиттера

Коэффициент усиления напряжения: высокий (около 100).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800).

Входное сопротивление: среднее (от 3 кОм до 5 кОм).

Выходное сопротивление: среднее (приблизительное значение резистора нагрузки).

Рис. 3.6.3 Режим общего коллектора.

Режим общего коллектора

Фиг.3.6.3 иллюстрирует режим ОБЩИЙ КОЛЛЕКТОР; также называется режимом эмиттерного повторителя, поскольку в этой схеме форма выходного сигнала на эмиттере не инвертируется и поэтому «следует» за формой входного сигнала на базе.
Этот метод подключения часто используется в качестве БУФЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ для таких задач, как согласование импедансов между двумя другими цепями. Это связано с тем, что этот режим дает усилителю высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Коэффициент усиления по напряжению в этом режиме немного меньше единицы (x 1), но доступен высокий коэффициент усиления по току (называемый h _fc в режиме общего коллектора).Другой способ использования этого режима подключения — УСИЛИТЕЛЬ ТОКА, часто используемый для выходных цепей, которые должны управлять сильноточными устройствами переменного тока, такими как громкоговорители или устройствами постоянного тока, такими как двигатели и т. Д.

Параметры общего коллектора

Коэффициент усиления по напряжению: немного меньше единицы (1).

Коэффициент усиления по току: высокий (от 50 до 800)

Входное сопротивление: высокое (несколько кОм)

Выходное сопротивление: низкое (несколько Ом)

Фиг.3.6.4 Режим общей базы.

Режим общей базы

COMMON BASE MODE обычно используется для усилителей VHF и UHF, где, хотя коэффициент усиления по напряжению невелик, вероятность того, что выходной сигнал будет возвращен во входную цепь (что может быть проблемой на этих частотах), мала. Поскольку в этом режиме база транзистора заземлена, он образует эффективный заземленный экран между выходом и входом. Поскольку ток коллектора в этом режиме будет равен току эмиттера минус ток базы, коэффициент усиления по току (h _fb в режиме общей базы) меньше единицы (<1).

Параметры общей базы

Коэффициент усиления по напряжению: средний (от 10 до 50).

Коэффициент усиления по току: меньше единицы (<1)

Входное сопротивление: низкое (около 50 Ом)

Выходное сопротивление: высокое (около 1 МОм)

Начало страницы

Конденсатор

в транзисторе усилителя

Конденсатор

А блокирует постоянный ток, поэтому его можно использовать для передачи сигнала (например,грамм. аудио и т. д.) без того, чтобы его уровень постоянного тока влиял на смещение постоянного тока транзистора. Таким образом, смещение постоянного тока входного сигнала может быть на любом уровне, и транзисторный усилитель будет обрабатывать его таким же образом.

Например, если у вас есть один транзистор с коллекторным выходом на уровне 5 В постоянного тока, а база следующего транзисторного каскада смещена примерно на 1 В, прямое их подключение приведет к включению второго каскада все время, поскольку входное напряжение будет всегда быть слишком высоким.
Если мы добавим конденсатор между каскадами, одна сторона может быть на уровне 5 В постоянного тока, а другая сторона может быть на уровне 1 В, и через него будут проходить только изменения переменного тока.Таким образом, вторая ступень работает правильно.

Возьмем для примера эту простую схему:

Вот формы сигналов в различных точках:

Обратите внимание, что входное напряжение представляет собой сигнал 10 мВ с частотой 1 кГц со смещением 10 В постоянного тока. После входного конденсатора уровень постоянного тока теперь составляет ~ 870 мВ. То же самое можно увидеть на выходной шапке. Коэффициент усиления составляет около 20 (200 мВ / 10 мВ = 20) 900 · 10

Теперь если снять колпачки:

И посмотрите на формы входных / выходных сигналов:

Все кардинально изменилось — база транзистора теперь на 10 В постоянного тока, что означает, что на эмиттере будет около 8-9 В (обычный 0.Падение на 7 В будет выше из-за чрезмерного тока), а ток эмиттерного резистора составит ~ 8,5 В / 100 = ~ 90 мА. Выходной сигнал застревает примерно на 20 мВ выше, чем эмиттер. Схема не имеет усиления.
Это крайний пример, но даже несколько десятков милливольт по обе стороны от идеальной точки смещения окажут значительное влияние на эту схему.

Помимо связи, конденсаторы также используются для таких вещей, как обход эмиттера (как упоминает Влад) Вот первая схема снова с добавленным конденсатором обхода эмиттера:

И моделирование:

Обратите внимание, что коэффициент усиления увеличился примерно до 100 по сравнению с первой схемой (1 В / 10 мВ = 100). Это связано с тем, что эмиттерный резистор обеспечивает отрицательную обратную связь и регулирует усиление в первой цепи.При добавлении конденсатора постоянный ток не изменяется, но переменный ток теперь видит путь с более низким импедансом к земле (конденсатору), поэтому усиление переменного тока увеличивается. Таким образом, AC «обходит» землю.

Есть много других применений конденсатора, но это основные применения в типичной схеме аудиоусилителя (кроме, конечно, фильтрации шины питания).
Поваренная книга по биполярным транзисторам

— Часть 3

В прошлогоднем выпуске этой поваренной книги для транзисторов серии описаны практические способы использования биполярных транзисторов в полезных схемах с общим коллектором (повторителем напряжения), включая драйверы реле, генераторы постоянного тока, линейные усилители и повторители дополнительного эмиттера.В этом месяце статья продолжается и показывает различные способы использования биполярных транзисторов в простых, но полезных конфигурациях с общим эмиттером и общей базой.

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА

Усилитель с общим эмиттером (также известный как схема с общей землей или заземленным эмиттером) имеет среднее значение входного импеданса и обеспечивает существенное усиление напряжения между входом и выходом. Вход схемы подключается к базе транзистора, а выход снимается с его коллектора — основные принципы работы схемы были кратко описаны во вводной части этой серии из восьми частей.Усилитель с общим эмиттером может использоваться в широком спектре цифровых и аналоговых усилителей напряжения. Этот раздел поваренной книги Серия начинается с рассмотрения «цифровых» прикладных схем.

ЦИФРОВЫЕ ЦЕПИ

На рисунке 1 показан простой цифровой усилитель, инвертор или переключатель npn с общим эмиттером, в котором входной сигнал имеет либо нулевое напряжение, либо существенно положительное значение, и подается на базу транзистора через последовательный резистор R _b . , а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.Когда на входе ноль, транзистор отключен, а на выходе полное положительное значение шины питания. Когда на входе высокий уровень, транзистор смещен, и ток коллектора течет через R _L , тем самым подтягивая выход к низкому уровню. Если входное напряжение достаточно велико, Q1 полностью включается, а выходная мощность падает до значения «насыщения» в несколько сотен мВ. Таким образом, выходной сигнал представляет собой усиленную и инвертированную версию входного сигнала.

РИСУНОК 1. Цифровой инвертор / переключатель (npn)

In Рисунок 1 , резистор R _b ограничивает входной ток базового привода до безопасного значения.Входное сопротивление схемы немного больше, чем значение R _b , что также влияет на время нарастания и спада выходного сигнала — чем больше значение R _b , тем хуже они становятся. Эту загвоздку можно преодолеть путем шунтирования R _b конденсатором «ускорения» (обычно около 1n0), как показано пунктиром на диаграмме. На практике R _b должно быть как можно меньше, соответствовать требованиям безопасности и входному сопротивлению, и не должно превышать R _L x h _fe .

На рисунке 2 показана схема цифрового инвертора / переключателя в версии pnp. Q1 полностью включается, его выход на несколько сотен мВ ниже положительного значения напряжения питания, когда на входе нулевое напряжение, и выключается (с его выходом при нулевом напряжении), когда входной сигнал поднимается до уровня менее 600 мВ от положительного напряжения питания. железнодорожная стоимость.

РИСУНОК 2. Цифровой инвертор / переключатель (pnp)

Чувствительность схем Рис. 1 и 2 может быть увеличена путем замены Q1 парой транзисторов Дарлингтона или Супер-Альфа.В качестве альтернативы можно сделать неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления, используя пару транзисторов, подключенных любым из способов, показанных на рисунках 3 или 4 .

Схема Рис. 3 использует два npn-транзистора. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 полностью включается через R2, а выход низкий (насыщенный). Когда входной сигнал «высокий», Q1 приводится в состояние насыщения и подтягивает базу Q2 до значения менее 600 мВ, поэтому Q2 отключен, а выход высокий (при V +).

РИСУНОК 3. Неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с очень высоким коэффициентом усиления на npn-транзисторах

Схема Рис. 4 использует один npn и один pnp транзистор. Когда на входе нулевое напряжение, Q1 отключается, поэтому Q2 также отключается (через R2-R3), а на выходе находится нулевое напряжение. Когда на входе высокий уровень, Q1 включается и переводит Q2 в насыщение через R3. В этом случае выходной сигнал принимает значение на несколько сотен мВ ниже положительного значения питающей шины.

РИСУНОК 4. Альтернативный неинвертирующий цифровой усилитель / переключатель с использованием пары транзисторов npn-pnp

Рисунок 5 показывает (в базовой форме), как дополнительную пару цепей Рисунок 4 можно использовать для создания сети управления направлением двигателя постоянного тока с использованием двойного источника питания. Схема работает следующим образом.

РИСУНОК 5. Цепь управления направлением двигателя постоянного тока

Когда SW1 установлен в положение «Вперед», Q1 включается через R1 и подтягивает Q2 через R3, но Q3 и Q4 отключены.Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q2) к положительной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в прямом направлении.

Когда SW1 установлен в положение «Off», все четыре транзистора отключены, и двигатель не работает.

Когда SW1 установлен в положение «Reverse», Q3 смещается через R4 и включает Q4 через R6, но Q1 и Q2 отключены. Таким образом, «токоведущая» сторона двигателя подключается (через Q4) к отрицательной шине питания в этом состоянии, и двигатель вращается в обратном направлении.

ДРАЙВЕРЫ РЕЛЕ

Базовые цифровые схемы , рисунки 1–4. можно использовать в качестве эффективных драйверов реле, если они оснащены подходящими схемами диодной защиты. На рисунках с 6 по 8 показаны примеры таких схем.

Схема , рис. 6, повышает чувствительность реле по току примерно в 200 раз (= коэффициент усиления транзистора Q1 по току) и значительно увеличивает его чувствительность по напряжению. R1 обеспечивает базовую защиту привода и при желании может быть больше 1k0.Реле включается положительным входным напряжением.

РИСУНОК 6. Простая схема управления реле

Чувствительность реле по току можно повысить примерно в 20 000 раз, заменив Q1 парой транзисторов, соединенных Дарлингтоном. На рис. 7 показан этот метод, используемый для создания цепи, которую можно активировать, приложив сопротивление менее 2M0 к паре зондов из нержавеющей стали. Контакты воды, пара и кожи имеют сопротивление ниже этого значения, поэтому эту простую небольшую схему можно использовать в качестве реле, активируемого водой, паром или прикосновением.

РИСУНОК 7. Сенсорный, водяной или паровой релейный переключатель

На рис. 8 показан еще один сверхчувствительный драйвер реле, основанный на схеме на рис. 4 , которому для активации реле требуется вход всего 700 мВ при 40 мкА. R2 обеспечивает полное отключение Q1 и Q2 при разомкнутой цепи входных клемм.

РИСУНОК 8. Драйвер сверхчувствительного реле (требуется вход 700 мВ при 40 мкА)

ЛИНЕЙНЫЕ КОНТУРА СМЕЩЕНИЯ

Схема с общим эмиттером может использоваться в качестве линейного усилителя переменного тока, подавая постоянный ток смещения на ее базу, чтобы ее коллектор принимал постоянное значение наполовину напряжения питания (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала), а затем питая входной сигнал переменного тока к его базе и получение выходного переменного тока от его коллектора (как показано на рис. 9 ).

РИСУНОК 9. Простой npn-усилитель с общим эмиттером

Первым шагом в проектировании схемы типа Basic является выбор номинала резистора нагрузки R2. Чем ниже это значение, тем выше будет верхняя граничная частота усилителя (из-за меньшего шунтирующего влияния паразитной емкости на эффективное сопротивление нагрузки), но тем выше будет рабочий ток покоя Q1. На диаграмме R2 имеет компромиссное значение 5k6, что дает верхнюю частоту «3 дБ вниз» около 120 кГц и потребление тока покоя 1 мА от источника питания 12 В.

Для смещения выхода схемы (рис. 9) на половину напряжения питания, R1 требуется значение R2 x 2h _fe , и (при номинальном h _fe 200) это работает примерно на 2M2 в показанном примере. . Формула для входного импеданса схемы (если смотреть на базу Q1) и коэффициента усиления по напряжению приведены на диаграмме. В показанном примере входное сопротивление составляет примерно 5 кОм и шунтируется R1 — коэффициент усиления по напряжению составляет примерно x200, или 46 дБ.

Точка смещения покоя схемы (рис. 9) зависит от значения h _fe Q1.Эту слабость можно преодолеть, изменив схему, как показано на , рис. 10, , где резистор смещения R1 подключен в режиме обратной связи по постоянному току между коллектором Q1 и базой и имеет значение R2 x h _fe . Действие обратной связи таково, что любой сдвиг выходного уровня (из-за изменений h _fe , температуры или значений компонентов) вызывает встречное изменение уровня смещения основного тока, таким образом, стремясь отменить исходный сдвиг.

РИСУНОК 10. Усилитель с общим эмиттером и смещением обратной связи

Схема Figure 10 имеет те же значения полосы пропускания и усиления по напряжению, что и конструкция Figure 9 , но имеет более низкое общее значение входного импеданса. Это связано с тем, что действие обратной связи по переменному току снижает кажущийся импеданс R1 (который шунтирует базовый импеданс Q1 5 кОм) в 200 раз (= A _В ), что дает общее входное сопротивление 2 к7. При желании шунтирующие эффекты схемы смещения могут быть устранены путем использования двух резисторов обратной связи и их развязки по переменному току, как показано на , рис. 11, .

РИСУНОК 11. Усилитель со смещением обратной связи по переменному току

И, наконец, предельная стабильность смещения обеспечивается схемой «смещения делителя потенциала» по схеме , рис. 12, . Здесь делитель потенциала R1-R2 устанавливает напряжение покоя, немного большее, чем V + / 3, на базе Q1, а действие повторителя напряжения приводит к появлению на эмиттере Q1 напряжения на 600 мВ меньше этого значения. Таким образом, напряжение V + / 3 создается на эмиттерном резисторе R3 5k6, и (поскольку токи эмиттера и коллектора Q1 почти идентичны) аналогичное напряжение падает на R4, который также имеет значение 5k6, таким образом устанавливая на коллекторе значение покоя 2V + / 3.R3 развязан по переменному току через C2, и схема дает усиление по переменному напряжению 46 дБ.

РИСУНОК 12. Усилитель со смещением делителя напряжения

ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕПИ

На рисунках 13–16 показаны некоторые полезные варианты усилителя с общим эмиттером. Рисунок 13 показывает базовую конструкцию на Рисунке 12, измененную так, чтобы получить коэффициент усиления переменного напряжения x10 — коэффициент усиления фактически равен значению нагрузки коллектора R4, деленному на эффективное значение импеданса «эмиттера», которое в данном случае (поскольку R3 развязан последовательно -connected C2-R5) равняется значению импеданса перехода база-эмиттер последовательно с параллельными значениями R3 и R5 и составляет примерно 560R, что дает усиление по напряжению в 10 раз.Альтернативные значения усиления можно получить, изменив значение R5.

РИСУНОК 13. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным усилением (x10)

На рисунке 14 показан полезный вариант вышеупомянутой конструкции. В этом случае R3 равен R4 и не развязан, поэтому схема дает единичный коэффициент усиления по напряжению. Однако обратите внимание, что эта схема выдает два выходных сигнала с единичным усилением: выход эмиттера синфазен с входом, а сигнал коллектора — в противофазе.Таким образом, эта схема действует как фазоделитель с единичным усилением.

РИСУНОК 14. Фазоделитель с единичным усилением

На рисунке 15 показан другой способ изменения коэффициента усиления схемы. Такая конструкция обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению между коллектором Q1 и базой, но R2 дает обратную связь по переменному току с базой, а R1 подключен последовательно между входным сигналом и базой Q1 — общий эффект заключается в том, что коэффициент усиления по напряжению схемы (между входом и выходом) равняется R2 / R1 и работает при x10 в данном конкретном случае.

РИСУНОК 15. Альтернативный усилитель с фиксированным усилением (x10)

Наконец, Рисунок 16 показывает, как можно изменить конструкцию Рисунок 10 для обеспечения широкополосных характеристик путем подключения связанного по постоянному току буфера эмиттерного повторителя Q2 между коллектором Q1 и выходной клеммой, чтобы минимизировать шунтирующие эффекты паразитных помех. емкость на R2 и, таким образом, расширяет верхнюю полосу пропускания до нескольких сотен кГц.

РИСУНОК 16. Усилитель широкополосный

ЦЕПИ С ВЫСОКИМ УСИЛЕНИЕМ

Одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером не может дать усиление по напряжению намного больше 46 дБ при использовании резистивной нагрузки коллектора — если требуется более высокое усиление, необходимо использовать многокаскадную схему. На рисунках 17–19 показаны три полезные конструкции двухтранзисторного усилителя напряжения с высоким коэффициентом усиления.

Схема Рис. 17 Схема действует как пара усилителей с общим эмиттером с прямой связью, выход Q1 подается непосредственно на базу Q2, и дает общий коэффициент усиления по напряжению 76 дБ (примерно x6150) и верхнюю частоту -3 дБ 35 кГц.Обратите внимание, что резистор смещения обратной связи R4 питается от эмиттера Q2 с развязкой по переменному току (который «следует» за напряжением покоя коллектора Q1), а не напрямую от коллектора Q1, и что цепь смещения, таким образом, эффективно развязана по переменному току.

РИСУНОК 17. Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления

Рисунок 18 показывает альтернативную версию вышеуказанной конструкции, использующую выходной каскад pnp — его характеристики такие же, как у Рисунок 17 .

РИСУНОК 18. Альтернативный двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления

Схема Рис. 19 дает усиление по напряжению около 66 дБ. Q1 — это усилитель с общим эмиттером и разделенной нагрузкой коллектора (R2-R3), а Q2 — это эмиттерный повторитель, который подает свой выходной сигнал переменного тока обратно на переход R2-R3 через C3, таким образом «загружая» значение R3 (как описано в рассрочке за последний месяц), чтобы он действовал как высокое сопротивление переменного тока. Таким образом, Q1 дает очень высокий коэффициент усиления по напряжению.Полоса пропускания этой схемы достигает примерно 32 кГц, но ее входное сопротивление составляет всего 330R.

РИСУНОК 19. Начальный усилитель с высоким коэффициентом усиления

ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ ОБЩЕЙ БАЗЫ

В транзисторном усилителе с так называемой «общей базой» входной сигнал подается на эмиттер транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора транзистора. Усилитель с общей базой имеет очень низкий входной импеданс, дает почти единичный коэффициент усиления по току и высокий коэффициент усиления по напряжению и используется в основном в широкополосных или высокочастотных усилителях напряжения. На рисунке 20 показан пример усилителя с общей базой, который дает хороший широкополосный отклик.

РИСУНОК 20. Усилитель с общей базой

Схема , рисунок 20, смещена так же, как , рисунок 12, . Обратите внимание, однако, что база развязана по переменному току через C1, а входной сигнал подается на эмиттер через C3. Схема имеет очень низкий входной импеданс (равный импедансу прямого смещения перехода база-эмиттер Q1), дает такое же усиление напряжения, как и усилитель с общим эмиттером (около 46 дБ), дает нулевой сдвиг фазы между входом и выходом и имеет полоса пропускания -3 дБ до нескольких МГц.

На рисунке 21 показан превосходный широкополосный усилитель — «каскодная» схема, которая дает преимущество в широкой полосе пропускания усилителя с общей базой вместе со средним входным импедансом усилителя с общим эмиттером. Это достигается последовательным соединением Q1 и Q2, причем Q1 подключен в режиме с общей базой, а Q2 — в режиме с общим эмиттером.

РИСУНОК 21. Широкополосный каскодный усилитель

Входной сигнал подается на базу Q2, которая использует эмиттер Q1 в качестве нагрузки коллектора и, таким образом, дает единичный коэффициент усиления по напряжению и очень широкую полосу пропускания, а Q1 дает коэффициент усиления по напряжению около 46 дБ.Таким образом, полная схема имеет входное сопротивление около 1 кОм, коэффициент усиления по напряжению 46 дБ и полосу пропускания -3 дБ, которая простирается до нескольких МГц.

На рисунке 22 показан близкий родственник усилителя с общей базой — фазоделитель «пара с длинным хвостом», который дает пару противофазных выходов при возбуждении от несимметричного входного сигнала. Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а точка смещения схемы устанавливается через RV1, так что два транзистора пропускают почти одинаковые токи коллектора (что дает нулевую разницу между двумя напряжениями коллектора) в условиях покоя.

РИСУНОК 22. Делитель фазы «Длиннохвостая пара»

База Q1 заземлена по переменному току через C1, а входные сигналы переменного тока подаются на базу Q2 через C2. Схема действует следующим образом.

Предположим, что на базу Q2 подается синусоидальный входной сигнал. Q2 действует как инвертирующий усилитель с общим эмиттером, и когда сигнал поднимает его базу вверх, его коллектор неизбежно опускается, и наоборот. Одновременно с этим эмиттер Q2 «следует» за входным сигналом, и по мере роста его эмиттерного напряжения он неизбежно уменьшает смещение база-эмиттер Q1, тем самым вызывая повышение напряжения коллектора Q1 и т. Д.

Таким образом,

Q1 работает в режиме с общей базой и дает такое же усиление по напряжению, что и Q2, но дает неинвертирующее действие усилителя. Эта схема «фазоделителя», таким образом, генерирует пару сбалансированных противофазных выходных сигналов от несимметричного входа.

Наконец, На рисунке 23 показано, как можно сделать приведенную выше схему в качестве дифференциального усилителя, который дает пару противофазных выходов, которые пропорциональны разнице между двумя входными сигналами — если на оба входа подаются одинаковые сигналы. , схема будет (в идеале) давать нулевой выходной сигнал.

РИСУНОК 23. Простой дифференциальный усилитель или пара с длинным хвостом

Второй входной сигнал подается на базу Q1 через C1, а «хвост» R7 обеспечивает связь между двумя транзисторами. NV

Усилитель постоянного тока

— Работа, характеристики, преимущества и применение

Схема усилителя может быть описана как схема, которая используется для увеличения входного сигнала. Но не все схемы усилителя одинаковы из-за их типа конфигурации схемы, а также работы.В электронных схемах можно использовать небольшой усилитель сигнала, потому что он усиливает небольшой входной сигнал. Существуют различные типы схем усилителей, такие как операционные усилители, усилители мощности и усилители малого сигнала и большого сигнала. Классификация усилителей может быть сделана на основе размера сигнала, конфигурации и обработки входного сигнала, что означает взаимосвязь между потоком тока в нагрузке, а также входным сигналом. В этой статье обсуждается обзор усилителей постоянного тока.

Что такое усилитель постоянного тока?

Усилитель постоянного тока (усилитель с прямой связью) можно определить как усилитель, в котором выход одного каскада усилителя может быть подключен к входу следующего каскада для передачи сигналов без частоты. Это называется постоянным током, который проходит от входа к выходу. Усилитель постоянного тока — это еще один тип усилителя связи, и этот усилитель, в частности, используется для усиления низких частот, таких как ток термопары, или фотоэлектрический ток.

Усилитель постоянного тока

Этот тип усилителя может использоваться как для сигналов постоянного (постоянного тока), так и для сигналов переменного (переменного тока). Частотная характеристика усилителя постоянного тока такая же, как у LPF (фильтра нижних частот). Усиление постоянного тока возможно только при использовании этого усилителя, поэтому позже он превращается в основной строительный блок как дифференциального, так и операционного усилителя. Кроме того, технология монолитных ИС (интегральных схем) не позволяет производить большие конденсаторы связи.

Схема усилителя с прямой связью

Конструкция усилителя постоянного тока (с прямой связью) Схема показана ниже. Схема может быть построена на двух транзисторах, а именно Q1 и Q2. Сеть резисторов смещения (R1, R2) на основе делителя напряжения, который подключен к клеммам первичного транзистора и резисторам коллектора, таким как R1 и R2. Вторичный транзистор Q2 в приведенной выше схеме является самосмещенным, и в этой схеме также используются обходные транзисторы , такие как RE1 и RE2.Цепь усилителя с прямой связью

Цепь усилителя постоянного тока может работать без использования конденсаторов, трансформатора, катушки индуктивности и т. Д., Которые известны как частотно-чувствительные компоненты. Этот усилитель усиливает сигнал переменного тока низкой частотой. Всякий раз, когда мы прикладываем положительный полупериод на входе первичного транзистора Q1. Этот транзистор уже смещен с помощью цепи смещения делителя. Применяемый полупериод может сделать транзистор Q1 смещенным вперед, чтобы запустить проводимость и обеспечить усиленный и инверторный выход на клемму коллектора.

VCE = VCC — IC RC

Этот усиленный сигнал с отрицательным знаком подается на клемму базы второго транзистора (Q2). Здесь этот транзистор тоже самосмещенный. Клемма базы транзистора Q2 может быть перевернута, а также не проводит, выход транзистора Q2 может быть усиленным сигналом, поскольку транзистор не проводит, а падение напряжения на эмиттере коллектора CE будет ничем ( ноль), таким образом, VCC эквивалентен МККК.

Частотная характеристика усилителя постоянного тока

Существуют различные типы усилителей , в которых все эти усилители имеют общую частоту среза: верхнюю и нижнюю.Усилитель постоянного тока имеет частоту постоянного тока, такую ​​как нижний предел.

Теоретически мы фактически не знаем нижнюю границу, поскольку усилитель может передавать частоту, период которой равен 1 / (длительность времени). Верхний предел обычно определяется, когда положение частоты ниже средней точки, тогда частота будет -3 дБ. Всякий раз, когда частотный диапазон выше средней точки, выходной сигнал будет продолжать уменьшать амплитуду. Из приведенного выше утверждения можно сделать вывод, что усилитель предназначался для плоской АЧХ.

Характеристики различных типов методов соединения

Существует три типа соединения Доступны методы , такие как RC-соединение, трансформаторное соединение и прямое соединение. Характеристики этих усилителей следующие.

Частотная характеристика

• Частотная характеристика RC-связи выдающаяся в диапазоне звуковых частот
• Низкая частотная характеристика трансформаторной связи
• Частотная характеристика усилителя с прямой связью является наилучшей.

Стоимость

• Стоимость RC-муфты меньше
• Стоимость трансформаторной муфты больше
• Стоимость прямой муфты наименьшая.

Размер и вес

• Размер и вес RC-муфты меньше
• Размер и вес трансформаторной муфты больше
• Площадь и вес прямой муфты минимальны.

Согласование импеданса

• Согласование импеданса RC-связи плохое
• Согласование импеданса трансформаторной связи превосходное
• Согласование импеданса прямого соединения хорошее.

Использование

• Использование RC-связи для усиления напряжения
• Использование трансформаторной связи для усиления мощности
• Использование прямой связи для усиления чрезвычайно низких частот.

Преимущества усилителей постоянного тока

К преимуществам усилителей постоянного тока относятся следующие.

• Это простая схема и может быть спроектирована минимальным количеством основных электронных компонентов
• Недорого
• Этот усилитель можно использовать для усиления низкочастотных сигналов

Недостатки усилителей постоянного тока

Недостатки усилителей постоянного тока включают следующее.

• В усилителе постоянного тока DRIFT можно проверить, что ненужное преобразование в пределах o / p напряжения без изменения его входного напряжения.
• Выход может быть изменен по времени или по возрасту и изменению напряжения питания.
• Параметры транзистора β и vbe могут изменяться в зависимости от температуры. Это может вызвать изменение CC (ток коллектора) и напряжения. Таким образом, напряжение o / p может быть изменено.

Применение усилителей постоянного тока

Применение усилителей постоянного тока включает следующее.