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=

" исет21)(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 иси.+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= Рис = 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: 146;