КАТУШКА С МАГНИТОПРОВОДОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 33 страница

Подобно схеме замещения дифференциального усилителя (см. рис. 10.73) входную и выходную цепи ОУ в режиме малого сигнала удоб­но представить схемами замещения на рис. 10.74, где К_их = 10⁴—10⁵ — значение коэффициента усиления напряжения на входе ОУ в режиме холостого хода,R_BX= 10⁴—10⁷ Ом иR_Bblx=10 — 50 Ом — входное и выходное сопротивления ОУ. Узел с нулевым потенциалом в схеме замещения выходной цепи ОУ соответствует средней точке цепи пи­тания. На рис. 10.75, <2, б приведены условные изображения ОУ.

Усилительные свойства ОУ определяют его амплитудные харак­теристики по инвертирующему и неинвертирующему входам при разомкнутой цепи нагрузки (кривые 1 и 2 на рис. 10.76, а). Для ти­пового значения ЭДС источника питания Е = 10 В насыщение тран­зистора повторителя напряжения выходного каскада произойдет при и_ш « Е/К_их = ±(0,1 — 1) мВ. Дальнейшее увеличение напряжения и_вх не вызывает изменения напряжения на выходе.

Пренебрегая малым значением напряжения насыщения и_{вх шс}, введем понятие идеального ОУ, у которого коэффициент усиления напряжения в режиме холостого хода и входное сопротивление име­ют бесконечно большие значения, т. е. К_их —> оо иR_BX—> оо. Это рав­носильно тому, что напряжение и ток на входе идеального ОУ в ре­жиме усиления сигналов равны нулю

Щх = и_вых/К_их = 0; г_вх = u_BX/R_BX= 0,              (10.36)

а его амплитудные характеристики по инвертирующему и неинвер­тирующему входам имеют вид ломаных линий 1 и 2 на рис. 10.76, б.

ивых=ин ДН

Рис. 10.74

^вых '
/	\
1	2
		Е
0		ивх
2	1
\	/

Рис. 10.76

В режиме насыщения идеального ОУ напряжение и_вх ^ 0, а ток г_вх = 0. Если ОУ применяется в режиме усиления сигналов, то бу­дем пользоваться его условным изображением на рис. 10.75, а, если также и в режиме насыщения, то на рис. 10.75, б. Схема на рис. 10.75, б поясняет равенство напряжений на выходе ОУ в режиме насыще­ния и источника питания Е или —Е.

Большое значение коэффициента усиления напряжения позво­ляет использовать глубокую отрицательную обратную связь для со­здания на основе ОУ устройств различного функционального на­значения.

10.18. Обратная связь в усилителях

Обратной связью в технике принято называть воздействие вы­ходной величины устройства на вход этого же устройства. Обрат­ная связь отрицательна, если в устройстве с обратной связью вход­
ная величина уменьшается; в противном случае она положительна. Обратная связь в усилителях может быть последовательной или параллельной, по напряжению или по току, по переменной или по постоянной составляющей. Последняя уже рассматривалась в пара­графах 10.14 и 10.15 для стабилизации рабочих характеристик усили­тельных каскадов при изменении температуры окружающей среды.

В дальнейшем ограничимся анализом обратной связи лишь по переменной составляющей.

В общем случае цепь обратной связи по переменной составляю­щей представляет собой пассивный четырехполюсник, который сво­ими выводами 1 — 1' и 2—2' подключается соответственно к выход­ной и входной цепям усилителя У.

По способу подключения входных выводов 1—1' четырехполюс­ника обратной связи ОС различают обратную связь по напряжению (рис. 10.77, а) и по току (рис. 10.77, б), по способу подключения его выходных выводов 2 — 2' — параллельную (рис. 10.78, а) и последо­вательную (рис. 10.78, б). На рисунках учтено, что обычно одйн вы­вод входной и один вывод выходной цепей четырехполюсника со­единены накоротко.

а                                                  б Рис. 10.77

Положительная обратная связь в усилителях практически не при­меняется, но лежит в основе работы различного рода автогенерато­ров, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

а                                                          б

 

Отрицательная обратная связь используется в усилителях очень широко. Она позволяет создавать на основе усилителей устройства раз­личного функционального назначе­ния: сумматоры и вычитатели на­пряжений, интеграторы, фильтры и т.д.

Рассмотрим примеры примене­ния ОУ, полагая их идеальными, с отрицательной обратной связью.

Ur-

(10.37)

Неинвертирующий усилитель. В неинвертирующем усилителе (рис. 10.79) используется последовательная отрицательная обрат­ная связь по напряжению. В дальнейшем ветвь 1'—2' четырехпо­люсника обратной связи, соединяющую накоротко эквипотенци­альные точки входной и выходной цепей ОУ, не будем изображать на схемах. Примем, что напряжение сигнала изменяется синусои­дально, и воспользуемся комплексным методом расчета цепи уси­лителя. Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа при вы­полнении условий (10.36) для контура, отмеченного на схеме штри­ховой линией:

Я

и_и = и_вх = о,

Щ + Д).с

в котором вычитаемая величинаRiUj(Ri+R_oc)характеризует пос­ледовательную отрицательную обратную связь. Следовательно, ко­эффициент усиления напряжения неинвертирующего усилителя

Ки = и„/и_с = № + Ro,)/Ri-

Из (10.37) видно, что напряжениеU_uне зависит от сопротивле­ния цепи нагрузки R„. Следовательно, по методу эквивалентного ис­точника (1.34) выходное сопротивление неинвертирующего усили­теля равно нулю (Я_вых = 0).

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется входным сопротивлением ОУ.

Повторитель напряжения. При выполнении условияR_x>R_oc значение коэффициента усиления неинвертирующего усилителя (10.37) стремится к единице. В предельном случае —> оо,R_{o c}—> 0) неинвертирующий усилит ель преобразуется в повторитель напря­жения (рис. 10.80).

Рис. 10.79

Инвертирующий усилитель. В инвертирующем усилителе ис­пользуется параллельная отрицательная связь по напряжению (рис. 10.81). Отрицательный характер обратной связи обеспечивается це­пью обратной связи с сопротивлениемR_0с, соединяющей выход уси­лителя и его инвертирующий вход. В сопротивлении входной цепи R_xучтено внутреннее сопротивление источника сигнала.

 

Для анализа работы усилителя составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного на рис. 10.81 штриховой линией:

KcL+U*-U_n= 0                             (10.38а)

и по первому закону Кирхгофа для узла 1:

L + L = ie=(Uc- u_m)/Ri,        (10.386)

где /_{0 с}, /_е, и /_вх — токи в цепи обратной связи, цепи источника сигна­ла и на входе ОУ.

С учетом условий (10.36) из системы уравнений (10.38) получим:

К_и=U_H/U_C= -RoJRi                         (Ю.39а)

— коэффициент усиления напряжения;

Двх =Ujie = Ri                              (10.396)

— входное сопротивление инвертирующего усилителя. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, как и не­инвертирующего, мало.

Сумматор напряжений. На основе неинвертирующего и инвер­тирующего усилителей можно реализовать неинвертирующий и ин­вертирующий сумматоры напряжений. Для инвертирующего сум­матора напряжений (рис. 10.82) при выполнении условий (10.36) составим с учетом первого закона Кирхгофа для узла 1 и второго закона Кирхгофа для контуров, отмеченных на схеме штриховой линией, уравнение

г_ос = —u_n/R_oc= г_е1 — г_е2 = u_ci/Ri + u_c2/R₂

или

(

Лас ,Ro.c

где безразмерные величиныR₀._c/RiиR_Q._C/R₂— «весовые» коэффи­циенты. Выбрав значения сопротивленийR_oc= R_x= R₂,получим суммирование:

Рис. 10.82                                   Рис. 10.83

 

^н = -Kl +W_c2).

В обобщенном виде работу инвертирующего сумматора опреде­ляет выражение

t*„ - -E^tidk.                                (Ю.40)

к=1 ^Пк

гдеR_k— сопротивление ветви 1 ^ к ^ п с источником сигнала, на­пряжение которого и_ск.

Для неинвертирующего сумматора напряжений (рис. 10.83) с уче­том (10.36) из уравнений, составленных по законам Кирхгофа, по­лучим соотношение

и_с1 - R_iUh/(Дх + Д₀.с) и_с2 - Я_гин/(Ri+ Д₀._с)₌

д            ⁺             д

или

Д_х + Д_{0 с}

«_Н = —----------- (^ttcl +

Выбрав сопротивления резисторов Д_х и Д_ос так, чтобы удовлет­ворялось условие(R_x+ Д_ос)/2Д₁ = 1, получим суммирование:

и_и = и_с1 + и_с2.                               (10.41)

Вычитатель напряжений. Вычитание напряжений на основе ОУ можно реализовать по схеме на рис. 10.84. При выполнении усло­вий (10.36) для контура, отмеченного на рисунке штриховой лини­ей, получим

+ Дох»** - и_вх - R₃u_c2/(R₂+ Дз) = 0, (10.42а) где ток в цепи обратной связи

W =                                         (10.426)

Л] + л_ос

Рис. 10.84

—• Рис. 10.85

 

Из системы уравнений (10.42) следует

_ R₃(R_X+ Др.с)

^н ~ Я (Я -l Р Г^й 7? ^с1' /СДЯ₂ + Я!

и приR_x= R₂= R^ = R₀.c

и» = - W_cl.                                 (10.43)

Интегратор. В интеграторе на основе ОУ (рис. 10.85) цепь отри­цательной обратной связи по напряжению содержит конденсатор ем­костью С_х. Составим для контура, отмеченного на рисунке штрихо­вой линией, уравнение по второму закону Кирхгофа:

0,

+ ис1

(10.44a)

где

t

(10.446)

uci

— J i_ocdt

С_г

— напряжение на конденсаторе обратной связи;

*о.с = h - «вх = (uc - U_BX)/R - г_вх              (10.44в)

— ток в цепи обратной связи (по первому закону Кирхгофа для узла 1).

Из системы уравнений (10.44) при соблюдении условий (10.36) следует, что

t

(10.45)

kf^Ucdt

RC,

Избирательные усилители. Избирательный усилитель с харак­теристикой по рис. 10.59, д реализуется на основе ОУ с параллель­ной отрицательной обратной связью по напряжению (рис. 10.86) и резонансным заградительным фильтром (см. рис. 4.8, а) в цепи об­ратной связи. Напряжение источника сигнала изменяется по сину-

Рис. 10.86

и„

к

Рис. 10.87

соидальному закону. Поэтому для расчета режима работы усилите­ля можно воспользоваться комплексным методом, представив все напряжения и токи соответствующими комплексными величинами.

(10.46a)

(10.466)

Для разделения постоянной и переменной составляющих тока в цепь обратной связи включен конденсатор емкостью С_{. Пренебре­гая его сопротивлением, составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного на рис. 10.86 штриховой ли­нией:

U_n+ ZI_oc- и_ш = 0,

где

juL

1 - u>²LC

JX_L~JX_C

— комплексное сопротивление заградительного фильтра;

L = L- L = (A- UJ/B. - 4                         (10.46B)

— ток в цепи обратной связи (по первому закону Кирхгофа для узла 1). Из системы уравнений (10.46) при соблюдении условий (10.36) следует, что коэффициент усиления напряжения избирательного усилителя

juL

R (1-ы 2LC)R'

К_и = К_и (ы)е^в»И = § =

U_r

а его амплитудно-частотная характеристика

км =

(10.47)

ш L

\(l-u²LC)\R'

При резонансной угловой частоте oj^ = 1 /\ГЬС значение ко­эффициента усиления напряжения К_и —> оо (на рис. 10.87 — сплош­ная линия). С учетом потерь энергии в реальном резонансном заг­радительном фильтре АЧХ избирательного усилителя будет отли­чаться от идеальной, как показано штриховой линией на рис. 10.87.

Использование в цепи обратной связи заградительного ДС-филь- тра (см. рис. 4.9, а) приводит к аналогичным результатам. Однако ДС-фильтры проще для практической реализации и поэтому во мно­гих случаях оказываются предпочтительнее резонансных загради­тельных фильтров. Такие фильтры на основе ОУ называют также активными ДС-фильтрами.

10.19. Усилитель мощности

Усилитель мощности обычно является последним каскадом в цепи усиления сигнала. К его выходу подключается приемник боль­шой мощности. Различают два класса усилителей мощности: А и В.

На рис. 10.88 приведена схема усилителя мощности класса А. Для получения большой мощности необходимо максимально уменьшить сопротивление цепи коллектора усилителя по постоянному току и подключить к ней приемник с сопротивлением нагрузкиR_uчерез трансформатор.

Рассмотрим сначала режим покоя усилителя, который характе­ризуется точкой А на коллекторных характеристиках транзистора (рис. 10.89). Так как сопротивление цепи коллектора в режиме по­коя равно активному сопротивлению первичной обмотки трансфор­матора, то можно считатьR_K« 0. Следовательно, нагрузочная ха­рактеристика (см. рис. 10.63) практически параллельна оси ординат (см. рис. 10.89).

I*

 

При действии на входе усилителя мощности источника, напри­мер синусоидального сигнала е_с = Е_тsinutf, переменные составляю­щие токов базы г_Б и коллектора г_к транзистора также будут синусо­идальными. Однако для переменной составляющей тока сопротив­ление цепи коллектора равно приведенному сопротивлению цепи нагрузки [см. (9.8), т.е.R_K= R^f_H= R_H(w₁/w₂) ]. Поэтому нагрузочная характеристика коллекторной цепи по переменной составляющей отличается от аналогичной характеристики в режиме покоя (R_K« 0). Проведя через точку А нагрузочную характеристику по переменной составляющей, построим зависимость изменения от времени тока коллектора г_к = /_Kmsinuj^ и напряжения и_кэ = —11_КЭтsinutf.

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 329; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!