ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Краткие теоретические СВЕДЕНИЯ

Область применения и способы построения усилителей постоянного тока (УПТ).Такие усилители широко применяются для усиления по напряжению и току постоянных и медленно изменяющихся во времени сигналов в вычислительных устройствах, измерительной технике, управляющих следящих системах и в других областях. Амплитудно-частотная характеристика УПТ отображает неизменный его коэффициент усиления по напряжению К_U = F ( f ) начиная от нулевой частоты, включая нижний и средний частоты рабочего диапазона. В области высоких частот имеет место спад АЧХ, обусловленный главным образом частотными свойствами транзисторов и емкостью нагрузки. Используя высокочастотные транзисторы, можно построить широкополосный усилитель.

Усиление медленно изменяющихся и постоянных сигналов можно осуществлять двумя способами: путем непосредственной связи между каскадами и источником сигнала без разделительных конденсаторов; с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный и последующим его усилением.

В УПТ с преобразованием входной сигнал модулируется в импульсную последовательность неизменной частоты, но изменяющейся амплитуды, затем усиливается также, как в усилителе переменного тока с конденсаторной связью. После усиления восстанавливается исходная форма входного сигнала с помощью демодулятора, выполненного на ключевых элементах. Такое преобразование позволяет исключить искажения выходного сигнала из-за нестабильности режима работы усилителя по постоянному току при различных возмущающих воздействиях. Недостатком УПТ с преобразованием является относительная сложность схемы, содержащей кроме усилительных каскадов устройства модуляции и демодуляции сигнала. Поэтому наиболее часто используются УПТ с непосредственной связью.

Существуют различные варианты схемотехнических решений построения УПТ с прямым усилением, в частности один из них иллюстрирует рис. 1.1, где приведена структурная схема трехкаскадного УПТ с параллельной ООС по напряжению.

Рис. 1.1. Структурная схема трехкаскадного УПТ с обратной связью

Рассмотрение данной схемы целесообразно с позиции анализа причин возникновения искажений выходного сигнала и влияний отдельных каскадов на величину искажений всего усилителя [4]. Для уменьшения этих искажений схема УПТ настраивается таким образом, чтобы при значении входного сигнала = 0 выходное напряжение на нагрузке также было равно = 0. Однако обеспечить указанную зависимость длительное время практически невозможно из-за нестабильности работы усилителя в режиме постоянного тока. Самопроизвольное изменение при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом нулевого уровня. Этот дрейф обусловлен, в частности, смещением вольт-амперных характеристик транзисторов при колебаниях температуры окружающей среды, нестабильностью напряжения источника питания, изменением параметров транзисторов, резисторов в процессе старения и другими факторами.

На схеме рис. 1.1 показано: R_Г – внутреннее сопротивление источника сигнала ; и – резисторы входной цепи усилителя и цепи обратной связи; К₁ , К₂ , К₃ – коэффициенты передачи по напряжению каскадов усиления; , , – эквивалентные э.д.с. источников дрейфа. Полагая, что входное сопротивление каскада К₁ относительно велико, можно записать выражение:

(1.1)

Откуда найдем напряжение в суммирующей точке усилителя:

+ , (1.2)

где = / ( + ); = / ( + R_ос).

Учитывая, что каждый каскад инвертирует фазу входного напряжения, можно записать:

U_вых = – К₁К₂К₃ – К₁К₂К₃ + К₂К₃ – К₃ . (1.3)

С учетом выражения (1.2) получим:

U_вых = – К₁К₂К₃U_вых – К₁К₂К₃U_вх – К₁К₂К₃ + К₂К₃ – К₃ . (1.4)

После преобразования (1.4) найдем:

При большом коэффициенте усиления всего усилителя и выполнении неравенства К₁К₂К₃ >>1 получим:

. (1.6)

Из последнего выражения следует, что в многокаскадных усилителях с отрицательной обратной связью напряжение дрейфа первого каскада передается на выход с коэффициентом передачи ( + R_oc) / и растет с увеличением . Влияние дрейфа второго и третьего каскадов на искажения выходного напряжения уменьшается на величину коэффициентов передачи соответственно К₁ и К₁К₂ . Поэтому в качестве первых каскадов УПТ применяются, как правило, дифференциальные усилители, выполненные по параллельно-балансной схеме. В таких усилителях существенно меньше дрейф нулевого уровня благодаря взаимной компенсации нестабильности параметров транзисторов в сбалансированной мостовой схеме. При этом необходимо использовать транзисторы с одинаковыми электрическими параметрами в рабочем диапазоне температур.

Дифференциальный усилительный каскад с непосредственной связью и симметричным управлением.Дифференциальные усилители постоянного тока выполняются по мостовой симметричной схеме с непосредственной связью эмиттеров. Благодаря симметрии плеч сбалансированного моста происходит взаимная компенсация нестабильности параметров транзисторов и других элементов схемы, поэтому такие усилители называют также параллельно-балансными. Отличительной особенностью дифференциальных каскадов является также то, что они имеют два симметричных входа управления и , позволяющие формировать на выходе УПТ инвертиру-ющий или неинвертирующий сигнал.

На рис. 1.2 приведена схема усилителя с симметричным управлением, когда источник сигнала подключен непосредственно к выводам и .

Рис. 1.2. Схема дифференциального усилителя с симметричным управлением

Два плеча мостовой схемы образованы резисторами и , а два других – транзисторами VT1 и VT2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов, этот выход называется дифференциальным . На коллекторах транзисторов формируются также сигналы и относительно общей точки. В сбалансированной схеме с одинаковыми параметрами плеч эти сигналы равны по величине и противоположны по знаку, поэтому их значения вдвое меньше, чем . Режим работы каскада по постоянному току задается резисторами ¸ . Внутреннее сопротивление источника сигнала условно распределено поровну в каждом плече. Сопротивление потенциометра 2R₀ относительно мало, он служит для балансировки плеч моста таким образом, чтобы = 0 при = 0.

В режиме покоя ток делится поровну между двумя транзисторами. Величина этих токов определяется входными токами смещения по выражению: . Соответственно равны коллекторные токи транзисторов и напряжения на коллекторах = = Е_к – a I_э R_к / 2, где = = R_к .

Режим работы каскада по переменному току предполагает, что в базовых цепях транзисторов обеспечивается равенство токов сигнала, для чего необходимо выполнение условия . При включении источника сигнала , когда напряжение на его зажимах имеет полярность, указанную на схеме рис.1.2, начинает протекать ток сигнала в базах транзисторов по цепи: сопротивление , переход база-эмиттер VT1 резистор 2R₀ , эмиттер-база VT2, сопротивление . Ток сигнала в базе VT1 совпадает с током смещения, в результате этот транзистор открывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. Суммарный ток в базе VT2 уменьшается, так как ток сигнала направлен навстречу току смещения, поэтому VT2 закрывается и напряжение на его коллекторе возрастает. На дифференциальном выходе формируется напряжение , равное разности потенциалов и на коллекторах относительно общей точки. С учетом изложенного принципа работы схемы запишем выражение:

= – = D + D = 2D , (1.7)

где = ; = .

Выражение для входного сопротивления каскада можно записать в виде:

R_вх = 2r_вх || [( || ) + ( || )], (1.8)

где r_вх = r_б + (r_э + R₀)(1 + b ) – входное сопротивление транзистора.

Полагая, что << ( || ) + ( || ), можно найти входной ток в базовых цепях транзисторов:

. (1.9)

Выходные напряжения сигнала на коллекторах транзисторов относительно общей точки:

(1.10)

Коэффициент усиления каскада по напряжению для выходов , :

. (1.11)

Коэффициент усиления каскада по дифференциальному выходу при = ¥:

. (1.12)

При наличии сопротивления необходимо учитывать полное сопротивление в коллекторных цепях транзисторов:

. (1.13)

В рассмотренной схеме усилителя (рис. 1.2) источник сигнала изолирован от общей точки, что редко встречается на практике. Как правило, входные и выходные цепи сигналов подключены к общей точке, это необходимо для непосредственной передачи сигналов между каскадами без согласующих устройств. В данной схеме возможно несимметричное подключение сигнала на один из входов усилителя относительно общей точки через резистор, при этом другой его вход следует заземлить через такой же резистор, чтобы сохранить балансировку плеч по постоянному току. Потребуется также применение дополнительного источника питания отрицательной полярности для организации тока смещения в базах транзисторов, тогда резисторы и можно исключить. При несимметричном включении необходимо существенно увеличить сопротивление .

Дифференциальный усилительный каскад с несимметричным включением источника сигнала. Рассмотрим принципиальную схему, приведенную на рис. 1.3, и основные соотношения дифференциального усилителя.

Рис. 1.3. Схема дифференциального усилителя с несимметричным включением источника сигнала

Данная схема широко применяется в качестве входного каскада многих УПТ интегрального исполнения, на ее основе строятся операционные усилители, обладающие высокими качественными показателями [2]. Здесь отсутствует подстроечный потенциометр, так как высокая симметрия плеч моста достигается благодаря единому техпроцессу изготовления элементов схемы.

На схеме сопротивления включены последовательно в цепь , их величина определяется из условия реализации заданного тока смещения в базах транзисторов при согласно выражению: = , где – напряжение на эмиттерах транзисторов в режиме покоя; – напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT3 в режиме покоя. Определение и выполняется в ходе графо-аналитического расчета схемы.

В общей эмиттерной цепи транзисторов VT1 и VT2 включен источник заданного тока, выполненный на транзисторах VT3, VT4 и резисторах , и . Транзистор VT4 в диодном включении предназначен для повышения стабильности тока при колебаниях температуры окружающей среды путем термокомпенсации смещения вольт-амперных характеристик транзистора VT3. В частности, с ростом температуры р-n перехода транзистора VT3 смещается влево его входная характеристика (рис.1.4) и при неизменном напряжении возрастает ток базы до значения , соответственно увеличиваются токи эмиттера и коллектора.

Если установить при повышенной температуре напряжение , то величина базового тока останется неизменной , т. е. возникает необходимость в регулировке напряжения . Такая регулировка выполняется автоматически путем изменения потенциала базы транзистора VT3 относительно общей точки с помощью транзистора VT4. Для этого указанные транзисторы выбираются одного типа и с одинаковыми параметрами.

Рис. 1.4. Смещение входной характеристики транзистора (пунктирная линия) с ростом температуры p-n перехода и ее влияние на величину тока базы

Тогда с ростом температуры входная характеристика VT4 также смещается влево, в результате уменьшается напряжение на базе VT3, что позволяет получить термостабилизацию токов в этом транзисторе.

При подаче входного сигнала изменяется напряжение на коллекторе VT3, однако ток в цепи коллектора должен оставаться неизменным с целью обеспечения качественной работы усилителя. Стабилизация этого тока осуществляется путем включения в эмиттер транзистора резистора , в результате создается отрицательная обратная связь по току. Действие ООС заключается в том, что с увеличением тока создается дополнительное падение напряжения на резисторе с указанной на схеме полярностью. Это приводит к увеличению потенциала эмиттера VT3 относительно общей точки, а следовательно к уменьшению напряжения база-эмиттер VT3. В результате уменьшается базовый ток транзистора VT3, что препятствует увеличению тока . Таким образом, ООС обеспечивает стабилизацию тока , причем точность стабилизации тем выше, чем больше и коэффициент передачи транзистора VT3 по току.

Если пренебречь током , так как он существенно меньше, чем , и принять » » , то можно записать уравнение баланса напряжений для контура из элементов VT3, VT4, и :

, (1.14)

где .

Из уравнения (1.14) находим выражение для определения :

. (1.15)

Влиянием напряжений и можно пренебречь, так как они близки по величине и входят в уравнение (1.15) с разными знаками.

Принцип усиления сигнала в данной схеме аналогичен ранее рассмотренному с симметричным управлением. Несмотря на подключение базы VT2 через сопротивление к общей точке мгновенные значения токов сигнала в базах транзисторов практически равны, так как протекают по указанному на схеме контуру.

Входное сопротивление транзистора равно:

. (1.16)

Действующее значение входного тока сигнала:

. (1.17)

Выходные напряжения сигнала на коллекторах транзисторов относительно общей точки с учетом сопротивления нагрузки равны:

, (1.18)

где – приведенное сопротивление нагрузки.

Коэффициент усиления каскада по выходам , :

. (1.19)

Коэффициент усиления по дифференциальному выходу:

. (1.20)

Отличительной особенностью дифференциального усилителя является также высокая помехоустойчивость к синфазной помехе, которая наводит э.д.с. на его входных зажимах совпадающие по фазе и мгновенному значению. Благодаря способности усилителя подавлять такую помеху ее напряжение на выходе намного меньше, чем на входе. Рис. 1.5 иллюстрирует подключение э.д.с. синфазной помехи на входы усилителя относительно общей точки.

Рис. 1.5. Схема включения дифференциального усилителя при наличии синфазной помехи

В соответствии с мгновенным значением синфазной помехи изменяется напряжение на зажимах реального источника заданного тока, что приводит к изменению в небольших пределах тока в общей эмиттерной цепи транзисторов. В идеально сбалансированной схеме при = 0 и наличии синфазной помехи на входе получим на дифференциальном выходе усилителя значение = 0, так как приращения напряжений этой помехи на коллекторных выходах равны Δ = Δ ,

где Δ = D = ;

Δ = D = .

В симметричной схеме справедливы равенства:

; ; ; .

Значение тока близко к нулю, поскольку цепь тока синфазной помехи замыкается через источник заданного тока с большим внутренним сопротивлением, откуда следует, что приращение напряжений на коллекторах транзисторов незначительно Δ = Δ » 0.

В случае идеального источника тока можно считать и соответственно Δ = Δ = 0. Таким образом, эффективность подавления синфазной помехи определяется симметрией плеч моста и качеством источника заданного тока.

Благодаря высокому значению входного сопротивления усилителя наводимая э.д.с. синфазной помехи может достигать значительной величины, превышающей линейный динамический диапазон его работы, что приведет к искажению выходного сигнала. При разработке конструкции усилителя можно существенно снизить вероятность выхода этого напряжения за пределы динамического диапазона.

Помехоустойчивость каскада характеризуется его способностью подавлять синфазную помеху на фоне малого входного дифференциального сигнала и определяется коэффициентом ослабления синфазной помехи:

(1.21)

где – коэффициент синфазной передачи. В дифференциальных усилителях значение обычно составляет 60 ÷ 80 дБ.

Дифференциальный усилительный каскад с динамической нагрузкой. Как показано на рис. 1.6, в схеме данного усилителя вместо резисторов включены транзисторы VТ3, VТ4, которые выполняют функцию динамической нагрузки. Это обеспечивает возможность подключения нагрузки относительно общей точки и увеличение коэффициента усиления по напряжению, что важно при создании многокаскадных УПТ в интегральном исполнении.

Рис. 1.6. Схема дифференциального каскада с динамической нагрузкой

Режим покоя выбирается таким образом, чтобы при = = 0 падение напряжения коллектор-эмиттер транзистора VT4 было равно , тогда U_вых = 0, = 0, а токи . Транзистор VT3 имеет диодное включение, в результате ток транзистора VT1 создает падение на пряжение . Поскольку транзисторы VT3 и VT4 идентичны по своим параметрам, а = , то токи и отключаются незначительно. Такая взаимозависимость токов получила название “токовое зеркало”. Очевидно, что равенство токов и сохраняется и при подаче входного сигнала , меняется только их значение. Если напряжение сигнала положительное, то увеличивается ток и уменьшается . Соответственно изменяются коллекторные токи:

= / 2 + b I_вх ; = / 2 – b I_вх .

Учитывая равенство токов = , можно записать: / , тогда ток нагрузки = – = 2b I_вх , а напряжение на выходе равно U_вых = 2b I_вх R_н .

Так как транзисторы VT1 и VT2 работают в противофазе, применение схемы токового зеркала позволяет удвоить приращение тока в цепи нагрузки по сравнению с приращением токов в коллекторных цепях этих транзисторов. С учетом данного свойства каскада, коэффициент усиления по напряжению равен:

. (1.22)

Из выражения (1.22) следует, что при прочих равных условиях коэффициент в схеме дифференциального каскада с динамической нагрузкой больше, чем в схеме рис. 1.3, так как > . В многокаскадных усилителях интегральных схем является входным сопротивлением следующего каскада, величина которого может составлять несколько сотен кОм, что позволяет существенно увеличить . Реализация сопротивления подобной величины в интегральной схеме каскада (рис. 1.3) потребует значительно большую площадь поверхности кристалла для нанесения резистивного слоя.

Входное сопротивление дифференциального каскада на биполярных транзисторах, как правило, лежит в пределах = 1 ¸ 10 кОм и зависит от типа транзисторов, выбранного режима покоя, динамического диапазона сигнала, коэффициэнта передачи базового тока b и других факторов. В ряде случаев для использования таких каскадов в качестве входных, например, при построении операционных усилителей требуется значение = 1 ¸ 10 МОм. Тогда дифференциальный каскад выполняется на полевых транзисторах, схема которого аналогична рассмотренной и не отличается по принципу действия.

В интегральной электронике на основе дифференциальных каскадов создаются УПТ с непосредственной связью различного назначения без применения разделительных конденсаторов и других реактивных элементов (при необходимости реактивные цепи коррекции включаются вне микросхемы). В частности, с использованием таких каскадов изготовляются усилители звуковой частоты, высокочастотные, широкополосные усилители импульсных сигналов, а также различного типа генераторы.