Новости

Усилители постоянного тока. АЧХ и ФЧХ усилителей постоянного тока

Работа добавлена:






Усилители постоянного тока. АЧХ и ФЧХ усилителей постоянного тока на http://mirrorref.ru

Министерство образования Республики Беларусь

УО «Брестский государственный политехнический

колледж»

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.7.  Усилители постоянного тока

г. Брест

4.7    Усилители постоянного тока

4.7.1 Общие сведения. АЧХ и ФЧХ усилителей постоянного тока

В рассмотренных усилителях переменного напряжения связь между отдельными каскадами, а также между первым каскадом и источником сигнала между последним (выходным) каскадом и нагрузкой осуществлялась с помощьюRC-цепей или трансформаторов. При такой связи усиливались только переменные составляющиесигналов. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала увеличиваются потери и возрастают искажения, вносимыеRС-цепями и обмотками трансформаторов. Поэтому при усилении медленно меняющихся напряжений и токов, а также в тех случаях, когда требуется усиливать не только переменные, но и постоянные составляющие сигналов, применяютсягальванические связи. Элементами гальванических связей могут быть резисторы, диоды и просто проводники. В последнем случае связь называется непосредственной.

В усилителях с гальваническими связями (УГС)fн= 0. Такие усилители часто называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя это название довольно неточно отражает их свойства. Отсутствие разделительных конденсаторов и трансформаторов в УГС исключает наличие фазового сдвига на частотеfн= 0.

Вид АЧХ и ФЧХ усилителя с гальваническими связями показан на рисунке 7.1,аиб.

В большинстве случаев при использовании УГС требуется, чтобы при изменении полярности постоянной составляющей входного сигнала изменялась и полярность постоянной составляющей выходного сигнала. Следовательно, амплитудная характеристика УГС должна иметь вид, представленный на рисунке 7.1,в.

УГС находят применение в стабилизаторах напряжения и тока, измерительных приборах, устройствах автоматики, следящих системах, счетно-решающих устройствах вычислительных машин и т. д. В последнее время область использования УГС значительно расширилась и они стали широко применяться в качестве составной части   различных   усилителей   переменного   тока   (УНЧ, ВУС, широкополосных усилителях и пр.). Это обусловлено тем, что УГС, не содержащие громоздких конденсаторов большой емкости, удобно изготовлять по интегральной технологии, которая   обеспечивает   получение   УГС с очень высокими параметрами.

Рисунок 7.1 – Характеристики усилителей с гальваническими связями:

а– АЧХ;б – ФЧХ;в – амплитудная

По принципу действия и схемному исполнению усилители с гальваническими связями делятся на два основных вида:УГС прямого усиленияиУГС с преобразованием.

Простейшие   УГС   прямого  усиления   выполняются   с непостредственными или  потенциометрическими   связями между каскадами.

4.7.2 Усилители с непосредственными связями

Принципиальная схема простейшего двухкаскадного УГС на БТ типа р –np и непосредственными связями между каскадами приведена на рисунке 7.2, а.Обычно обеспечиваются одинаковые режимы работы транзисторов.

Сопротивление резистораRэ2 должно быть таким, чтобы обеспечить условие

UКЭ1 +UЭ1 =UБЭ2 +UЭ2,

откуда

UЭ2 =UКЭ1 +UЭ1UБЭ2.

ОбычноUКЭ1 >>UЭ1.  Тогда приодинаковых режимах работы транзисторовVT1иVT2(при этомIэ1 =Iэ2иUКЭ1 =UКЭ2)  справедливы неравенства :UКЭ2>UЭ1 ,Uэ2Uэ1,RЭ2 >RЭ1 иRк2 <Rк1.

Рисунок 7.2 – Схемы усилителей с непосредственными связями

Так как резисторыRЭ1 иRЭ2являются элементами ООС, то для определения коэффициента усиления каждого каскада следует использовать выражение (4.5), в котором в   соответствии   с   (5.15)KuSRк, а β =RЭ/Rк. Тогда

Данные выражения показывают, что увеличение сопротивления резистораRэи уменьшение сопротивления резистораRкприводят к уменьшению коэффициента усиления. Поэтому в таком усилителе не удается получить значительного коэффициента усиления за счет увеличения числа каскадов.

Для уменьшения ООС вместо резисторовRЭ1 иRЭ2можно использовать полупроводниковые стабилитроны, однако это не устраняет причины уменьшения сопротивленияRкв каждом последующем каскаде.

Для получения большого коэффициента усиления в многокаскадном усилителе с непосредственной связью иногда используют чередующиеся каскады, выполненные на транзисторах типарприп –р –п(рисунок 7.2,б).Такой усилитель называют усилителем с дополнительной симметрией.

4.7.3Усилители с потенциометрическими связями

Получить одинаковые режимы работы в многокаскадном транзисторном УГС с одинаковыми значениями сопротивлений резисторовRэ иRки, следовательно, с одинаковым коэффициентом усиления каждого каскада можно при осуществлениипотенциометрической связи между каскадами(рисунок 7.3). Сопротивления резисторовRд1иRд2делителя подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие

Если нагрузку  подключить  между  коллекторомVT2движком переменного резистораR,то амплитудная характеристика усилителя   будет соответствовать виду, показанному на рисунке 7.1,в.

Рисунок 7.3 – Схема усилителя с потенциометрическими связями

4.7.4 Дрейф нуля в УГС

Недостатком рассмотренных УГС является то, что изменение режима одного из каскадов под действием различных  дестабилизирующих   факторов вызывает изменение тока или напряжения выходного каскада. Это явление называетсядрейфом нуля.Наибольшее влияние   на дрейф  нуля  в  УГС оказывает  первый каскад, так как изменение тока или напряжения на его выходе усиливается последующими каскадами.

Основныепричины,   вызывающие  дрейф   нуля   УГС:

– изменение температуры окружающей среды;

– мнение давления и влажности окружающей среды;

– изменение напряжений источников питания;

– старение активных и пассивных элементов усилителя;

– шумы, создаваемые активными и пассивными элементами.

Количественно дрейф нуля оценивается дрейфом, приведенным ко входу (приведенным дрейфом):

Uдр.вх. =Uдр.вых.u

Величина приведенного дрейфа ограничивает минимально различимый входной сигнал Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что для одиночных каскадов с ОЭ приведенный ко входу дрейф нуля по напряжению примерно равен 2…8 мВ/град для кремниевых БТ и 20…30 мВ/град – для германиевых БТ. Приведенный дрейф по току в таких каскадах при токеIэ = 1 мА может превышать  10 мкА/град.

Приведенный дрейф нуля в одиночных каскадах на ПТ меньше, чем в каскадах на БТ, и составляет 3…4 мВ/град.

Уменьшение дрейфа в УГС достигается следующими мерами: стабилизацией напряжений источников питания; термостатированием усилителей; применением кремниевых транзисторов, имеющих меньшую температурную зависимость коллекторного тока из-за меньшего значения обратного тока по сравнению с германиевыми транзисторами; применением термокомпенсирующих элементов; охватом усилителя местными и общими петлями ООС по постоянному току; использованием балансных (мостовых) схем.

4.7.7 Усилители постоянного тока с преобразованием

В практике измерений бывает необходимо усиливать малые токи - порядка единиц наноампер - и напряжения - порядка единиц микровольт. Такая задача часто встречается при измерении неэлектрических величин, например температуры, давления, фототоков, токов ионизации, а также при измерении пьезоэлектрических эффектов и т. п. Широкое применение усилители малых токов и напряжений получили в технике для целей автоматического контроля и управления, в цифровых измерительных приборах. В этом случае применяют УПТ с преобразованием входного напряжения, достоинством которых являются малое значение температурного дрейфа (0,01…0,10 мкВ/К) и малая чувствительность к изменениям напряжения источника питания и температуры окружающей среды.

В УПТ с преобразованием используется принцип модуляции - демодуляции. Указанный принцип заключается в том, что сигнал постоянного тока преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного тока, затем усиливается и снова преобразуется с помощью демодулятора в сигнал постоянного тока. Поэтому такие усилители с промежуточной модуляцией (М) входного сигнала и последующей демодуляцией (ДМ) усиленного выходного сигнала называют усилителями типа МДМ.

Структурная схема усилителя МДМ приведена на рисунке 7.4, а. Входное усиливаемое напряжение поступает на вход модулятора, который преобразует входное постоянное или медленно изменяющееся напряжение в периодическую последовательность импульсов.

В качестве модулирующего напряжения (напряжения несущей частоты) используется сигнал синусоидальной или прямоугольной формы, частота которого определяется частотой генератора. Выходное напряжение модулятора усиливается усилителем переменного напряжения. Развязка входной и выходной цепей усилителя осуществляется как и в обычном усилителе переменного напряжения с помощью разделительного конденсатора С.

Усиленный модулированный дискретный сигнал поступает на демодулятор, в котором осуществляется синхронное детектирование.

Рисуноке 7.4 – Структурная схема усилителя МДМ (а) и временные диаграммы, поясняющие работу усилителя с преобразованием(б)

Для синхронного детектирования опорное напряжение с выхода генератора поступает на демодулятор. Синхронное детектирование дозволяет сохранить соответствующую полярность выходного напряжения На выходе демодулятора ставится фильтр нижних частот, который отфильтровывает несущую частоту и высшие гармоники. В результате получают напряжение той же формы, что и на входе усилителя.

Временные диаграммы, поясняющие работу усилителя с преобразованием, приведены  на рисунке 7.4, б  .

Таким образом, дрейф нуля в схемах УПТ с преобразованием определяется дрейфом нуля на выходе модулятора и составляет сотые доли микровольта в минуту, изменения напряжения дрейфа снижаются до тысячных долей микровольта.

Недостатком усилителей типа МДМ является ограничение верхней граничной частоты (не более 0,1 ...0,2 частоты модуляции), а также необходимость использования источника модулирующего напряжения - генератора.

Усилители с преобразованием сигнала на дискретных элементах оказались громоздкими и ненадежными, поэтому они не нашли широкого применения.

Между тем, изготовить такие усилители по интегральной технологии на кристалле стандартных размеров нетрудно. Данное обстоятельство способствовало тому, что современные УПТ с преобразованием представляют собой интегральные усилители.

4.7.5 Балансные усилители

В транзисторных и интегральных усилителях распространение получили усилители параллельного баланса (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 – Схемы усилителей параллельного баланса с симметричными

                 входами и выходами на биполярных (а) и полевых (б)

                 транзисторах

Активные элементыVT1иVT2 образуют два плеча моста. Еще два плеча образованы резисторамиR1иR2.Эмиттирующие электроды активных элементов имеют общий резисторRэ.Источник входного напряженияuвхвключен между управляющими электродами активных элементов, а выходным напряжениемuвых является напряжение между выходными электродами. Таким образом, данный  УГС  имеет симметричные  вход и  выход.

Если элементы симметричных плеч одинаковы, т. е.R1=R2,и параметры активных элементовVT1иVT2одинаковы, то приuвх= 0 мост сбалансирован иuвх=0. Изменение напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов в симметричной мостовой схеме приводит к одинаковому изменению токовi1иi2. В результате напряжения выходных электродов (коллекторов или стоков) изменяются одинаково, и разность напряжений   между   ними   по-прежнему  остается   равной   нулю.

Под действием напряженияивхизменения напряжений управляющих электродов оказываются одинаковыми по значению и противоположными по полярности (фазе):ивх/2 и –ивх/2. Эти напряжения вызывают изменения токовi1иi2 таким образом, что ∆i1 = –∆i2.Напряжение на резистореRэпри этом не изменяется, так как

и3 = (i1+i2)Rэ =0.

Это означает, что для парафазных напряжений резисторRэне является резисторомR1 иR2 образуют однокаскадные усилители без ООС. Коэффициент усиления можно определить, используя эквивалентные схемы отдельных каскадов, представленные на рисунке 7.5. Знаки «минус» перед обозначениями генераторов тока отображают инвертирующие свойства каждого каскада.

В соответствии с этими схемами имеем:

откуда

uвых=uвых1uвых2 = –SRuвх

и

Кu п.б. =uвых/uвх = –SR

где

Рисунок 7.5 – Эквивалентные схемы левого(а)и правого(б)плеч

                       усилителя параллельного баланса

Сравнение выражений (7.3) и (5.15) показывает, что усилитель параллельного баланса имеет такой же коэффициент усиления, что и усилительный каскад без ООС.

           4.7.6 Дифференциальные усилители

Дрейф нуля практически отсутствует в схемахпараллельно-балансныхУПТ, называемыхдифференциальными усилителями (ДУ). Они отличаются от балансных усилителей  наличием двух несимметричных входов,  Интегральные ДУ строятся по принципу уравновешенного моста (рисунок 7.6), образованного идентичными транзисторамиVT1,VT2 и резисторамиRк1,Rк2 (отметим, что во всех интегральных схемах роль резисторов выполняют динамические сопротивления – определенным образом включенные транзисторы). В одну диагональ моста введены два источника питания +Ек1 = | – Ек2| и источник стабильного токаIэ. Источник стабильного тока создает в общей цепи эмиттеров транзисторов неизменный суммарный токIэ=Iэ1 +Iэ2 =const. При отсутствии входных сигналов мост уравновешен, и выходное напряжение усилительного каскадаUвых= 0.

.

Рисунок 7.6 – Дифференциальный усилитель

Дрейф нуля практически отсутствует в схемахпараллельно-балансныхУПТ, называемыхдифференциальными усилителями (ДУ). Интегральные ДУ строятся по принципу уравновешенного моста (рисунок 3.40), образованного идентичными транзисторамиVT1,VT2 и резисторамиRк1,Rк2 (отметим, что во всех интегральных схемах роль резисторов выполняют динамические сопротивления – определенным образом включенные транзисторы). В одну диагональ моста введены два источника питания +Ек1 = | – Ек2| и источник стабильного токаIэ. Источник стабильного тока создает в общей цепи эмиттеров транзисторов неизменный суммарный токIэ=Iэ1 +Iэ2 =const. При отсутствии входных сигналов мост уравновешен, и выходное напряжение усилительного каскадаUвых= 0.

Пусть на оба входа ДУ подаютсяодинаковые (синфазные) сигналы. Приодновременном увеличении или уменьшении амплитуд синфазных сигналов на входах усилителя, коллекторные токи обоих транзисторов и напряжения на их коллекторах изменятся соответственно на одни и те же величины. Выходное же напряжениеUвых, определяемое разностью коллекторных напряжений транзисторов, будет по-прежнему равным нулю. Значит, дифференциальный усилитель не усиливает(подавляет) синфазные сигналы.

Проанализируем реакцию ДУ надифференциальные (разностные) сигналы. Пусть сигнал на входеUвх1получил положительное приращение, а сигнал на входеUвх2 равное, но отрицательное приращение. В этом случае коллекторный ток транзистораVT1 увеличится, а коллекторный ток транзистораVT2 уменьшится точно на такую же величину. Соответствующим образом изменятся и потенциалы на коллекторах транзисторов, что приведет к изменению напряжения на выходе ДУ.

Пусть выходной сигнал в схеме рисунок 7.6 снимается с выходаUвых2, входной сигнал подключен к входуUвх2, а входUвх1заземлен. При подаче на входUвх2положительного приращения усиливаемого напряжения ∆Uвх2, увеличатся коллекторный токIк2 и падение напряжения ∆Uк=Iк2Rк2 на резистореRк2. Выходное (коллекторное) напряжение ∆Uвых2= Ек1Iк2Rк2при этом уменьшится и окажется в противофазе с входным. Поэтому входUвх2по отношению к выходуUвых2называютинвертирующим.

Теперь допустим, что входной сигнал подается на входUвх1, а входUвх2дифференциального усилителя заземлен. При увеличении входного сигнала возрастет ток эмиттераIэ1транзистораVT1, а ток эмиттераIэ2 транзистораVT2 уменьшится (ведьIэ =Iэ1+Iэ2=const). При этом ток коллектораIк2 транзистораVT2 и падение напряжения на сопротивленииRк2 уменьшатся, а выходное напряжениеUвых2увеличится. Таким образом, выходное напряжениеUвых2оказалось в фазе с входнымUвых1,вследствие чего входUвх1являетсянеинвертирующим для выходного сигнала.

Как правило, применяют ДУ для сравнения с высокой точностью значений или разности двух напряжений. Это, в частности, объясняет название «дифференциальный» усилитель.

Схема ДУ с генератором стабильного тока на биполярных транзисторах показана на рисунке 7.7,а.Такую схему имеет интегральный ДУ типа К118УД1. ГСТ выполнен на биполярном транзистореVT3.Режим работы транзистора и, следовательно, ток в его коллекторной цепи определяются делителемR'R"в цени базыVDи резистором термостабилизацииR3в цепи эмиттера. В качестве диодаVD в интегральных ДУ обычно используется транзистор в диодном включении.

Рисунок 7.7 – Схема ДУ с генератором стабильного тока(а) и выходные

                       характеристики токостабилизирующего транзистора(б)

Большое динамическое и малое статическое сопротивления ГСТ обусловлены характером зависимости коллекторного тока от коллекторного напряжения транзистораVT3, отображаемой выходными характеристиками БТ (рисунок 7.9,б). При токеIк0 и напряженииUКЭ0 статическое напряжение равноRc =UКЭ0/Iк0, а динамическоеri= 1/h22э = ΔUКЭIк. Ввиду малого наклона выходных характеристик к оси токаIк при сравнимых значенияхUКЭ0 и ΔUКЭ приращение тока ΔIк значительно меньше его стационарного значенияIк0. Поэтомуri >>R0.

Усилители постоянного тока. АЧХ и ФЧХ усилителей постоянного тока на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат Усилители постоянного тока. Классификация

2. Реферат Усилители постоянного тока. Балансные усилители

3. Реферат Усилители постоянного тока. Общие сведения о полупроводниках. Электронно-дырочный переход

4. Реферат Изучение законов постоянного тока. Исследование зависимости КПД источника тока от сопротивления нагрузки

5. Реферат Линейные электрические цепи постоянного тока. Расчёт линейной электрической цепи синусоидального тока с сосредоточенными параметрами при установившемся режиме

6. Реферат ЭП постоянного тока по системе РИТ-Д

7. Реферат Законы постоянного тока

8. Реферат Цепи постоянного тока

9. Реферат ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

10. Реферат Машины постоянного тока