КАТУШКА С МАГНИТОПРОВОДОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 32 страница
а б
низм отрицательной обратной связи отсутствует, так как параллельно резистору Дэ включен конденсатор большой емкости Сэ.
По схеме замещения усилительного каскада для переменных составляющих (см. рис. 10.62), на которой схема замещения транзистора показана внутри штриховой линии, а усилительного каскада — внутри сплошной, рассчитываются его основные параметры: коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, а также входное и выходное сопротивления. Последнее определяется со стороны выходных выводов усилителя при отключенном приемнике с сопротивлением нагрузки Дп.
Исключая из схемы замещения резистивные элементы 1/Л22 [см- (10.6)], Дх иR2с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями и полагая синусоидальное изменение напряжения сигнала, получаем:
RBX= hn (10.27а)
— входное сопротивление (1 — 10 кОм);
Д»ых = Лк (10.276)
— выходное сопротивление (10 — 100 кОм);
К = К еЛ = ^ = Wk=
" ис (Дет+Л21)(Д|,+Дк)
(10.27в)
_ Дц_________ Двх
Дн Двых Двт Двх
— коэффициент усиления напряжения источника сигнала [см. коэффициент передачи четырехполюсника (2.90)], где
Ких = Кихе,Вш = [/,,,/С/вх = -h2lRK/hu(10.27Г)
— коэффициент усиления напряжения на входе усилительного каскада (Ких = 10 — 100) в режиме холостого хода (Д„ = оо);
|
|
& = Kfi* = ijie= ijh = -h2lRK/(RH+ Дк) (10.27л)
— коэффициент усиления тока (К{ = 15 — 80);
КР = PJPe= ВД (10.27е)
— коэффициент усиления мощности [КР = (0,2 — 5) • 103]. Отрицательные значения коэффициентов усиления напряжения
и тока отражают изменение фазы напряжения и тока на выходе усилительного каскада на противоположное относительно фаз одноименных величин на его входе, т. е. 0U= 9WX= = it.
Небольшое значение входного сопротивления является главным недостатком усилительного каскада с ОЭ. Это увеличивает ток источника сигнала и мощность потерь в его внутреннем сопротивлении.
Выражениям (10.27в) и (10.27г) соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада (рис. 10.64), которую можно получить, воспользовавшись эквивалентностью двух схем замещения источника энергии по рис. 1.8.
Из (10.27в) следует, что условия для увеличения коэффициента усиления напряжения и уменьшения его зависимости от сопротивления цепи нагрузки противоречивы. Чем больше выходное сопротивление усилительного каскадаRBblx=i?K, тем больше как значение коэффициента усиления напряжения, так и его зависимость от сопротивления цепи нагрузки. Чтобы увеличить коэффициент усиления напряжения и уменьшить его зависимость от сопротивления приемникаRwмежду выходом усилительного каскада с ОЭ и приемником следует включить согласующее устройство с большим входным и малым выходным сопротивлениями. Роль такого устройства может выполнять усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК (рис. 10.65), называемый также эмит- терным повторителем.
|
|
Исключим из схемы замещения усилительного каскада, аналогично предыдущему, резистивные элементы 1jh^ RbиR2с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями и примем синусоидальное изменение напряжения сигнала (рис. 10.66). Тогда по второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного штриховой линией, напряжение между базой и коллектором равно:
UBK =UC- RBTIb= hnIB+ Uw (10.28а)
где
UH= (1+Й21)/БДэДн/(Дэ + Л„) (10.286)
— напряжение на приемнике. Из (10.28) находим
Двх = = + (1 + ЛиХад. /(Я э + О) (Ю.29а)
— входное сопротивление усилительного каскада с ОК (100 — 300 кОм), которое значительно больше входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ, и
к =к _ йи= (1 + М(ДЭД„ /(Дэ + К))Г1П30^
-и и ис (Ди.+А11) + (1 + М(ад/(Дэ+Дн)г '
— коэффициент усиления напряжения, значение которого близко к единице (0,8 — 0,9). Последнее определяет название усилительного каскада с ОК «повторитель».
|
|
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя равно выходному сопротивлению активного двухполюсника, т. е. схемы замещения относительно выходных выводов. Согласно (1.34), ток .короткого замыкания активного двухполюсника(RH= 0) равен
i,к = й,х/Двь,х - (1 + Ли)/Бк = (1 + V>oU'h. (Ю.ЗОа)
11 |
Г1ВТ ГЬЦ
где
Uu.х = (1 + Й21)/БхДэ = (1 + h2l)RdUc
Rm+ Л-
т.е.
- R 1 <,М06>
Двт + Лц + Дэ(1 + М
— напряжение холостого хода активного двухполюсника (i?H= оо). Из (10.30) следует, что
D _ £>„Х (ДВТ + hn)R3 /iA-v
Bb,X"f>,KЯ» +hn+ дэ(1 + М U ;
— выходное сопротивление эмиттерного повторителя (10 — 50 Ом), значительно меньшее выходного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.
Усилительный каскад с ОБ имеет значение коэффициента усиления напряжения, близкое к его значению для усилительного каскада с ОЭ. Однако ему присущи существенные недостатки: значение его коэффициента усиления тока меньше единицы и вследствие этого мал коэффициент усиления мощности. Кроме того, он имеет малое входное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко.
|
|
10,15, Усилительные каскады на полевых транзисторах
По аналогии с усилительными каскадами на биполярных транзисторах с ОБ, ОЭ и ОК различают три типа усилительных каскадов на полевых транзисторах: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС). Чаще других используется усилительный каскад с ОИ.
На рис. 10.67 приведена типовая схема усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ. Назначения всех элементов схемы аналогичны их назначениям в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ (см. рис. 10.60). Основные параметры усилительного каскада с ОИ определяются его схемой замещения в режиме малого сигнала (рис. 10.68) с учетом схемы замещения полевого транзистора (см. рис. 10.21). Исключая из нее резистивные элементы 1/уп и 1 /У22 [см. (10.9)] с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями и полагая синусоидальным изменение напряжения сигнала, получаем:
(10.32а)
Двх —R1R2KR1+R2) — входное сопротивление (102—103 кОм); |
Рис. 10.68 |
Д,„,х = Rc (10.326)
— выходное сопротивление (10 — 100 кОм);
к = Ке*. = и» =4RcRJ(Rc + R»)][RIR2/(RI + Да)]=
и иUc Rm+ /2ii22/(i?i + R2)
= Ku*RR1r дRI\ (10.32b)
ЛВЫХ I -"'II Лвт ' Лвх
— коэффициент усиления напряжения источника сигнала, где
Ких = Кихе*>- = UnJUm= —sRc (Ю.32г)
— коэффициент усиления напряжения на входе каскада (Ких = = 10 —100) в режиме холостого хода (Ru= оо);
к = KejQt = =s[RcRu/(Rc+ Rn)][RiR2/(Ri + Д2)](10з2д) ie Rn
—коэффициент усиления тока (Kt= 50 — 500);
КР= Ри/Рс = КиКг (10.32е)
— коэффициент усиления мощности [КР = (0,6 — 40)-103] усилительного каскада с ОИ.
Выражениям (10.32в) и (10.32г) соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада (см. рис. 10.64).
Главным достоинством усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ относительно усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ является большое входное сопротивление, основным недостатком — меньшее быстродействие. Последнее объясняется наличием больших емкостей между электродами полевого транзистора, влияние которых в приведенном выше анализе не учитывалось.
Усилительный каскад с ОС (рис. 10.69), называемый также ис- токовым повторителем, функционально подобен эмиттерному повторителю (см. рис. 10.65). Коэффициент усиления напряжения ис-
токового повторителя Ки = 0,8 — 0,9 близок к единице, выходное сопротивлениеRBblx= = 10 — 50 Ом, а входное сопротивлениеRBX= 1 — 10 МОм.
Усилительные каскады с ОЗ в устройствах промышленной электроники практически не применяются.
В качестве приемника энергии к выходу усилительного каскада может быть подключен тоже усилительный каскад. Их совокупность образует многокаскадный усилитель. В усилителях низких частот, высоких частот, а также широкополосных и узкополосных усилителях электрическая связь между каскадами реализуется с помощью конденсаторов, в усилителях постоянного тока — с помощью резисторов или непосредственных связей. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на выходе одного каскада из-за нестабильности параметров транзистора при действии дестабилизирующих факторов, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Для того чтобы уменьшить дрейф нуля, применяют дифференциальные усилители постоянного тока.
10.16, Дифференциальный усилитель
Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада, называемого также параллельно-балансным каскадом, на основе моста постоянного тока (рис. 10.70), плечи которого образованы резисторамиRK1= RK2и биполярными транзисторамиVSX иVS2одного типа, включенными по схеме с ОЭ.
Для лучшей балансировки моста выбирают транзисторы, помещенные в одном корпусе, параметры которых отличаются на 1 — 5 %. Два источника сигналов включаются в цепи баз транзисторов, называемые несимметричными входами, а приемник с сопротивлением нагрузкиRu— между коллекторами транзисторов (симметричный выход с ивых).
Рассмотрим режим покоя каскада, т. е. при напряжениях ивх1 = ивх2 = 0 или коротком замыкании входов. В этом случае напряжение
иБЭп = ЕЭ- лэ(/э1„ + 1э2и)> 0 (10.33)
одинаковое для обоих транзисторов, и поэтому их режимы работы будут различаться мало. В таком каскаде осуществляется стабилизация режима покоя. Если под действием дестабилизирующих факторов, например нагрева, возрастут токи коллекторов /К1п, /К2п и эмиттеров 1Э 1п, /Э2п, то напряжение С/БЭп уменьшится, эмиттерные
переходы станут пропускать меньшие токи; в результате токи коллекторов /К1п, /К2п и напряжение покоя на выходе
^вых.и — ^Kl^Kln ~~ Дк2^к2п
будут стабилизированы. Стабилизация режима покоя будет тем значительнее, чем больше сопротивление цепи эмиттеров Дэ. Для этой цели в цепь эмиттеров иногда включают источник токаJ3= /Э1п + 1Э2„.
Из (10.34) видно, что любые одинаковые изменения в одноименных плечах каскада не вызывают изменения напряженияUBblXAVт. е. дрейфа нуля. В реальных каскадах нет полной симметрии элементов, однако дрейф напряжения ивыхп в дифференциальном усилителе по сравнению с усилительными каскадами на биполярных (см. рис. 10.60) и полевых (см. рис. 10.67) транзисторах снижается на несколько порядков.
Дифференциальный усилитель работает в различных режимах.
(10.34) |
Рис. 10.70 |
£с2 = Uc2 |
И |
Усиление сигнала одного источника. Источник сигнала подключается симметрично (рис. 10.71, а) или несимметрично (рис. 10.71, б и в). Заметим, что в схеме на рис. 10.71, б фазы напряжений на выходе усилителя ии и сигнала ис совпадают, а в схеме на рис. 10.71, в их фазы противоположны. Соответствующий вход усилителя называется неинвертирующим или инвертирующим и обозначается на схеме знаками плюс или минус.
(10.35а) |
Основные параметры дифференциального усилителя рассчитываются с помощью его схемы замещения в режиме малого сигнала, например при подключении источника синусоидального сигнала к неинвертирующему входу (рис. 10.72). Исключая из схемы резистивные элементыl/h22иR3с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями, получаем:
Двх — 2Лц
— входное сопротивление;
Рис. 10.71
Рис. 10.72 |
^вых — 2Дк
выходное сопротивление;
(10.35в)
Uc RBULX "I" ^BX "I" ^BT
— коэффициент усиления напряжения источника сигнала, где
(10.356) |
R,, |
RK |
IL |
К |
Ких = Ких = UHJUm= hnRK/hn (10.35г)
— коэффициент усилений напряжения на входе дифференциального усилителя в режиме холостого хода (Ru= оо).
Подключение независимых источников сигналов на оба входа.
Различают противофазное и синфазное включение двух источников сигналов, т. е. с противоположными и одинаковыми полярностями относительно общего узла цепи.
При противофазном включении ис1> 0 при ис2< 0 на рис. 10.70 (или наоборот) токи базы и коллектора одного транзистора ( VSi) возрастают, а другого (VS2) уменьшаются (или наоборот) на такое же значение. Одновременно на соответствующих транзисторах уменьшаются или увеличиваются (или наоборот) напряжения на коллекторах, разность которых определяет напряжение на выходе усилителя.
Действие синфазных сигналов равного значения ис1 = ис2 соответствует одинаковому изменению режимов работы транзисторов. При этом изменения напряжения на выходе усилителя с идеальной симметрией плеч по (10.34) не будет. Это особенно важно, так как синфазные сигналы представляют собой обычно различного рода помехи (атмосферные, сетевые и т.д.).
Выражениям (10.35в) и (10.35г) соответствует обобщенная схема замещения дифференциального усилителя (рис. 10.73). Разделение входной и выходной цепей отражает наличие источников тока в схеме замещения на рис. 10.72. Знак плюс или минус соответствует подключению источника сигнала к неинвертирующему или инвертирующему входу усилителя (ключSв положении 1 или 2).
Вместо биполярных транзисторов в дифференциальном усилителе могут применяться полевые транзисторы.
Значения параметров дифференциальных усилителей на биполярных и полевых транзисторах того же порядка, что и у каскадов с ОЭ и ОС соответственно. Основные достоинства дифференциальных усилителей — помехоустойчивость к синфазным помехам и малый дрейф нуля — до 1 — 10 мкВ/°С, что в 20 — 100 раз меньше дрейфа нуля в небалансных усилит елях постоянного тока. По этой причине дифференциальные усилители применяются, в частности, в качестве входных каскадов операционных усилителей постоянного тока.
Операционные усилители
Операционные усилители (ОУ) представляют собой разновидность усилителей постоянного тока с верхней границей амплитудно-частотной характеристики/в = 102—105 Гц (см. рис. 10.59, а). Свое название «операционные» усилители этого типа получили от первоначальной области их преимущественного применения для выполнения математических операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и т.д.). В настоящее время ОУ применяются при создании электронных устройств самого различного функционального назначения (стабилизация напряжения, генерация сигналов различной формы и т.д.). Операционные усилители часто выполняют многокаскадными с непосредственными связями, которые содержат несколько десятков транзисторов. На входе ОУ включается дифференциальный усилительный каскад для уменьшения дрейфа нуля, затем — промежуточные усилительные каскады для получения необходимого усиления и на выходе — повторитель напряжения для уменьшения выходного сопротивления. Разработка ОУ — сложная проблема. Однако это не затрудняет их практического применения, так как в настоящее время они изготовляются в виде интегральных микросхем.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 389; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!