Схемотехника телекоммуникационных устройств. Основные характеристики усилителя

Схемотехника телекоммуникационных устройств (ч.1) Введение (Характеристики полупроводниковых приборов (вспомним их курса «Электроника» (см. приложение №1 к курсу)) 1. Классификация. 1.1. По виду сигналов. Аналоговые сигналы – описываются непрерывными функциями на достаточно больших (Аналогичны первоисточнику) интервалах времени. Их значения могут принимать бесконечно большое (количество) число. Аналоговый - это аналогичный сигнал передаваемой информации. Например: сигнал на выходе микрофона. Дискретный – рваный, отдельный сигнал, который передаётся в дискретные отдельные (значимые) моменты времени. Моменты времени - это дискретизация по времени. Дискретизация по уровню, когда имеется только несколько разрешенных значений уровня, например два. Это частный случай двоичных цифровых сигналов. 1.2. Виды аналоговых схем. 1) Усилители сигнала; в основном является многокаскадными схемами. 2) Преобразователи сигнала; можно преобразовать сигнал или уменьшить его форму и частоту. 3) Стабилизаторы тока и напряжения. Основными схемами являются усилители. 2. Усилители. Предназначены для усиления мощности сигнала. Усиление происходит за счет источника питания. Понятие каскада усиления – это схема с активным усиливающим элементом (например: с транзистором) и пассивными элементами необходимыми для создания нормальной работы (создание заданных режимов этого активного элемента (см. RC – каскад)). Обычно усилители строятся на нескольких каскадах. 2.1. Основные характеристики усилителя. 1. Коэффициент усиления: 1) по напряжению ;(10-1000 раз) 2) по току ;(1000-1000000) 3) по мощности . При многокаскадном усилении коэффициенты усиления перемножаются: Результирующая сумма каждого каскада. Часто удобно использовать логарифмическую единицу измерений децибел (дБ). , так как ,,, В децибеллах коэффициенты усиления складываются. 2. Параметры усилителя как четырехполюсника (входное и выходное сопротивления). Стараются задавать активные сопротивления 3. Амплитудно-частотная характеристика. Линейные искажения. Идеальная АЧХ – прямая линия. Полоса частот, которые мы должны усилить от 20 до 2000 Гц. Обычно задается полоса частот спектра усилительного сигнала Kfв= Kfc *0.7 A)Реальная амплитудно-частотная характеристика имеет завалы в областях нижних и верхних частот. Завалы в области нижних частот обусловлены наличием в схеме реактивностей. Завалы в области верхних частот обусловлены ухудшением усиления и наличием реактивностей. Б)Эти завалы характеризуются коэффициентами частотных искажений. (линейные искажения) В)Делят усилители на широкополосные и узкополосные. Для усилителя телефонного стандартного канала. =3100 =2 - коэффициент широкополосности. Если КШИР значительно больше единицы, то усилитель широкополосный, если значительно меньше единицы – узкополосный. k>1- широкополосный усилитель. k<1- узкополосный усилитель. 4. Нелинейные искажения. Это искажения формы сигнала, которые возникают из-за нелинейности передаточной (амплитудной) характеристики. Они оцениваются, как правило, при подаче на вход чисто синусоидального сигнала. • Частотные искажения линейны, т.к. они зависят от линейных элементов. • Их оценивают наличие гармоник синусоидального сигнала. При появлении искажений на выходе появляются гармоники ( кратные f1, f2…), чем больше гармоник, тем больше искажений, поэтому их оценивают коэффициентом гармоник: , где: - амплитуда первой гармоники - амплитуда второй гармоники и т.д. Допустимые коэффициенты гармоник: при проводном вещании при ФМ вещании Hi-Fi 5. Динамический диапазон и амплитудная характеристика. Um вых=F(Um вх) реальная характеристика • Динамический диапазон отношения max сигнала к min. • Телефон 32 дБ рассчитано на то, что передается речь и много шумов. Реальная характеристика отличается от идеальной невозможностью увеличения выходного сигнала из-за наличия искажений и наличия собственных шумов при слабых сигналах. Этими значениями определяется динамический диапазон. 6. Выходная мощность pвых 10-100 Вт- средний уровень усилителя 1000 Вт – высокий уровень, проводного, телевизионного. 7. Коэффициент полезного действия (КПД) Для сравнения-Трансформатор η=95% 8. Собственные помехи. Они определяются динамическим диапазоном, то есть шумам, фоном. Причины помех: Шум, в основном определяется тепловыми процессами. Пш-полоса пропускания. Пш= полоса пропускания усилителя. Фон: плохая фильтрация переменной составляющей выпрямителя (50 Гц) En Фон t • Наводки из-за паразитных электрических и магнитных связей. Микрофонный эффект- в основном возникает из-за ненужных ПОС, которые возникают из-за различных механических колебаний. Оценка собственных шумов оценивается коэффициентом шума, который показывает сколько добавляется шума усилителя к шуму на выходе источника сигнала. = Поскольку шумы с входных каскадов будут усиливаться последними каскадами(что видно из определения величины КШ), входные каскады делают маломощными. • Суммарный шум на выходе. • Kp-коэффициент усиления по мощности. Т. К. шумы усиливаются, то желательно, чтобы первые каскады(входные) обладали меньшими шумами и большим усилением. 9) Дополнение коэффициентов усиления Сквозной коэффициент усиления от источника сигнала до нагрузки , где α-коэффициент передачи входной цепи 2.2. Резисторный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером(RC-каскад). (см. лекции по электронике «RС-каскад») а)Подадим на вход постоянный ток. Рассмотрим квазистатический режим, когда токи и напряжения меняются медленно, не учитываются свойства. Выходная нагрузочная характеристика и рабочая точка: - уравнение нагрузочной характеристики , , Точка пересечения нагрузочной прямой с заданной статической характеристикой (для заданного тока базы) – это графическое решение системы уравнений. Входная нагрузочная характеристика и рабочая точка. Этой характеристикой можно считать Uкэ≠0, так как для широкого интервала значений Uкэ эта характеристика сливается в дугу. b) Зададим режим по переменному току на входном напряжении с помощью Iбэ или Iб0. Из-за того, что переменные составляющие токов и напряжений искажены, поэтому определяем амплитуды их как среднее арифметическое между максимальным и минимальным значениями. ki~ - коэффициент усиления по току ku~ - коэффициент усиления по напряжению kp~ - коэффициент усиления по мощности Видно, что ki и ku >> 1. Uкэ в противофазе с входным сигналом (Uбэ, Iб) и Iк. Другие параметры схемы: Входное сопротивление Мощность, выделяемая сопротивлением нагрузки Мощность рассеивания на коллекторе с) RC-каскад с температурной стабилизацией Недостаток предыдущей схемы в том, что режимы по постоянному току могут значительно изменться от температуры окружающей среды или транзистора. Для улучшения свойств RC-каскада применяется эмиттерная стабилизация 3мя сопротивлениями Rб1, Rб2, Rэ. Постоянные переменные токи в RC-каскаде. а) постоянный ток базы ( IБ): +ЕП  RБ1  БЭVT  RЭ    – ЕП, постоянный ток коллектора ( IK): +ЕП  КЭVT  RЭ    – ЕП, б) переменный ток источника сигнала: Iбэ ЕС  Ср1  БЭVT  Ср2  RНСэ    RИ  ЕС; IRб2 ЕС  Ср1  RБ2    RИ  ЕС; IRб1 ЕС  Ср1  RБ1  ЕП    RИ  ЕС; в) выходной переменный ток коллектора IK: IRк коллектор VT  R к ЕП    CЭ  эмиттер VT; IRн коллектор VT  ЕП  Ср2  RН  CЭ  эмиттер VT. Для переменного тока Rвх=Rб2||(Rвх бэ + Rэ)||( Rвх бэ+ Rн)|| Rб1 3. Обратная связь в усилителях. 3.1. Определение. Обратная связь - это когда сигнал с выхода передается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи . Она может быть положительной, когда сигнал с выхода подается на вход в фазе с входным сигналом. Наиболее часто положительная обратная связь используется в генераторах. Отрицательная обратная связь, когда сигнал с выхода на вход подается в противофазе. Она применяется в 90 % усилителях. β-коэффициент, показывающий какая часть подается на вход. Величина 1+βk – глубина отрицательной обратной связи (ООС) (усилители) Величина 1-βk – глубина положительной обратной связи (ПОС) (генераторы) 3.2. Способы подключения ОС по входу усилителя. а) последовательная по входу(по току). где К – коэффициент усиления;  - коэффициент передачи цепи обратной связи. Входное сопротивление при ООС увеличивается на величину: Rвх оос = Rвх (1+βК) Rвх↑ при ООС б) параллельная по входу – подключается параллельно источнику сигнала. При ООС входное сопротивление: . ( уменьшается) в) комбинированный способ подключения цепи обратной связи (последовательно – параллельный). -глубина отрицательной обратной связи 3.3. По способу снятия сигнала с выхода усилителя. а) параллельная (сигнал снимается с выхода) нагрузке и выходу усилителя (по напряжению). С увеличением выходного напряжения увеличивается напряжение ОС. Выходное сопротивление усилителя уменьшается: . б) последовательная (по току) По току, так как , чем больше ток в нагрузке, тем больше сигнал ОС. Выходное сопротивление усилителя: . в) комбинированная ОС (последовательно параллельная) 3.4. Полное название (характеристика) ОС (с позиции подключения). - последовательная по входу и параллельная по выходу, последовательная по напряжению. (ООС по току, если последовательная по выходу) Для последовательной цепи по входу: Т.к. ООС параллельная на выходе, то выходное спротилвение долэно уменьшаться и составляет: Для параллельной цепи по входу: Uсв- падение напряжения связи При Например при параллельной на входе(по напряжению) ОС: При параллельной на выходе ОС(по напряжению) : , Подставив эти выражения окончательно получим: 3.5. Основные показатели усилителя при ООС. а) коэффициент усиления при ООС: . В основном применяется ООС Например: К = 100;  = 0,05. . Вывод: Коэффициент усиления уменьшается, но все остальные показатели усилителя улучшаются. Для компенсации падения усиления необходимо поставить ещё 1 каскад. Величина - называется глубиной ООС. При положительной обратной связи (ПОС) , Например, для генератора: К = 100;  = 0,0001 Для упрощения возьмем : Zист=0, Zвх=∞. Схема последовательная по напряжению. Так как ; то: б) частотные искажения уменьшаются: М(f) - снижаются частотные искажения. в) коэффициент гармоник (нелинейные искажения) уменьшается: измеряется в %) г) Для компенсации уменьшения усиления при введении ООС можно использовать дополнительные каскады усиления. Сигнал ОС (искаженный сигнал складывается с входным и получается предискажения сигнала) • Так как каждая появившаяся гармоника будет уменьшаться в () раз, то Вводим ООСнужно больше сигналов подавать на вход! Uвх, max ОС Uвх Uвх, max ОС Из этого рисунка видно, что динамический диапазон возрастает в 3.6. Пример ООС в RC каскаде усиления(+см 4.2). На схеме параллельная по входу и параллельная по напряжению. • Сэ-блокировочный конденсатор, который закорачивает сигналы переменного тока. • Rб1=Rд1след.-нагружает Rk; нагружает Rб2 Отрицательная, так как сигнал снимается с коллектора транзистора, а он в противофазе с входным (это параллельная по напряжению, так как сигнал снимается с выхода параллельно нагрузке, второй провод – общий провод, корпусной). Это параллельная по входу, так как сигнал подается сразу на вход (на базу) (второй провод – общий провод, корпусной). Величина  зависит от величины RОС (гасящего сопротивления), а СОС можно рассматривать как разделительный конденсатор. 3.7. Эмиттерный повторитель (схема с общим коллектором по переменному току). Пример со 100% отрицательной обратной связью Нагрузка включается в цепь эмиттера (в цепи коллектора нет резистора). В этой схеме используется глубокая ООС. Эмитерный повторитель не усиливает по напряжению сигналы, фаза сигнала на выходе совпадает с фазой сигнала на входе – поэтому повторитель. параллельная по выходу Входное сопротивление увеличивается Выходное сопротивление уменьшается Рабочая точка Iбэ также создается как и в предидущей схеме элементами Rб1,Rб2,Rэ • Эмиттерный, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. • Повторитель, так как сигнал на выходе повторяет фазу и величину входног сигнала(тоесть схема не имеет усиления по напряжению • Схема с ОК по переменному току, так как выходной сигнал усиленного переменного тока порождается выходом транзистора, как генератором переменного тока, поэтому токи оси этого генератора пойдут по двум цепям • Здесь Ес для переменного тока представляется конденсатором с большой емкостью. Например аккумулятор, поэтому переменный ток легко проходит через него. Поэтому схема с ОБ (усиление по напряжению нет) • Эта схема с большой ООС: сигнал ОС вырабатывается на Rэ, так как это напряжение прикладывается совместно с Ес, то это будет в противофазе с сигналами Ec ко входу. • Следовательно, Rвх растет, так Rэ включена параллельно нагрузке Rн по переменному току, то это будет параллельная по выходу ОС. Значит Rвх падает, так как весь сигнал с выхода (ООС) прикладывается ко входу, то это будет 100% ОС β=1 Тогда: Входное сопротивление. -растет до десятков-сотен Ом - падает до единиц-десятков-сотен Ом Эта схема применяется для согласования высокоомного источника сигнала с низкой нагрузкой. Например, микрофон с Ri=100кОм с линией, Rл=100 Ом. Создать базовый ток постоянным  = 1 (то есть весь выходной сигнал подается на вход). (не усиливает, а повторяет сигнал на входе) RВХ ОС = RВХ ЭП = RВХ(1 + К), следовательно сопротивление возрастает (10  100 кОм) Выходное сопротивление низкое RВЫХ ООС = RВЫХ ЭП = RВЫХ/(1 + К) RЭ является сопротивлением, на котором выделяется напряжение обратной связи, так как UВЫХ = UH IK RЭ, то видно, что оно включено параллельно RН, поэтому это параллельная по выходу ОС (по напряжению); так как входом является переход БЭ транзистора, то видно, что RЭ включено последовательно с источником сигнала, следовательно последовательно по входу. Также видно, что всё выходное напряжение подается в противофазе на вход. Это будет 100% ОС,  = 1, КУСИЛЕНИЯ = 1 (так как выходное напряжение повторяет входное). RВХ возрастает (так как последовательная по входу) 10  100 кОм. RВЫХ уменьшается. KI = h21. Схема интересна тем, что может использоваться для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой на входе 1000 Ом (например высокоомной электретный микрофон с нагрузкой телефонной соединительной линией 600 Ом). Так как источник питания – это хорошая емкость (с выхода генератора усиленных сигналов переменного тока это переход КЭ транзистора), поэтому, пройдя через Епит, попадает на корпус общий (общий между входом и выходом) провод, потому схема с общим коллектором (ОК). 3.8. Постоянные и переменные токи в схеме ЭП. а) постоянный ток базы ( IБ): +ЕП  RБ1  БЭVT  RЭ    – ЕП, постоянный ток коллектора ( IK): +ЕП  КЭVT  RЭ    – ЕП, б) переменный ток источника сигнала: ЕС  Ср1  БЭVT  Ср2  RН    RИ  ЕС; ЕС  Ср1  БЭVT  RЭ    RИ  ЕС; ЕС  Ср1  RБ2    RИ  ЕС; ЕС  Ср1  RБ1  ЕП    RИ  ЕС; в) выходной переменный ток коллектора IK: коллектор VT  ЕП    RЭ  эмиттер VT; коллектор VT  ЕП    RН  Ср2  эмиттер VT. Для переменного тока Rвх=Rб2||(Rвх бэ + Rэ)||( Rвх бэ+ Rн)|| Rб1 По переменному току общий провод • Постоянные и переменные токи в схеме ОЭ с температурной стабилизацией Постоянный (входной) ток Iб+Ec-Rб1- БЭ Rэ –общий провод Ec Постоянный ток Iк=Ес-Rк-Rэ Переменный ток источника сигнала Ec→Cp→Rб2→Ri→Ec На выходе VT: Rк-Eп-Rн-Сэ-VT VT- Rк-Cp2- Rн-Сэ-VT 3.9. Схема с общей базой (ОБ). На высокочастотные свойства транзистора сильное влияние оказывает СПРОХ = СВХ-ВЫХ. ВЧ сигнал проходит напрямую со входа на выход, не управляя током транзистора - для эмиттерного повторителя. . Iб(пост.): Eп- Rб2-БЭ(VT)- Rэ- общий провод- Еп- Iб Iк(на выходе): Eп- Rк-КЭ(VT )- Rэ- общий провод- Еп К(VT ) – Rк - Еп – общий провод – Rи – Ес – Э(VT ) К(VT ) – Rк - Еп – общий провод – Rэ – Э(VT ) Токи источников сигналов Eс: Ес-Rэ-Rи- общий провод-Ес переменный Eс-БЭ(VT )-Сблок-Rн-Ec Ec-ЭК(VT )-Rк-Eп-Rи-Eс Ec-ЭК(VT )-Rн- Rи-Eс RБ1, RБ2, RЭ – температурная стабилизация рабочей точки (базового тока, по входу, по постоянному току). RК определяет режим постоянного тока на выходе. СБЛОК – емкость, которая подключает базу транзистора к общему проводу по переменному току (так как генератором усиленных сигналов является генератор в транзисторе). входной сигнал подается между базой (заземленной по переменному току) и эмиттером, а нагрузка по переменному току подключается между коллектором и базой транзистора. При таком включении увеличение потенциалов относительно базы транзистора приводит к закрыванию транзистора и увеличению потенциала коллектора, то есть фаза напряжения сигнала не меняется. Ec-Сp1-ЭК-Cp2-Rн-Rи-Eс VT-Rk-общий провод-Сблок-VT Rн-общий провод-Ru-Ec VT-Rк-общий провод-Cблок-VT- выходной ток В схеме с общей базой (ОБ) имеется 100% параллельная ООС по току: IЭ = IК + IБ, следовательно коэффициент усиления по току КI  1 (но очень близок к 1, так как IK  IБ), поэтому такой каскад называют повторителем тока. Учитывая вид ОС, входное сопротивление небольшое (1  10 Ом), а выходное максимально (сотни  тысячи кОм). Кроме хороших частотных свойств схемы, она имеет малые нелинейные искажения. Rвх-маленькое Rвых-max Rн-Eп- общий провод-Cблок-база K-Cр2-Rн- общий провод- Cблок-база K-Rк-Eп-Rэ-э К-Cр-общий провод-Rэ-э Протекание постоянных токов + Eп –Rб2-бэ –Rэ- + Eп –Rб2 –Rб1 + Eп -Rк-кэ -Rэ- 4. Частотные свойства транзистора и их оценка в резистивном (RC) каскаде. 4.1.Физическая Т-образная эквивалентная схема БПТ и его частотные свойства. Физическая эквивалентная схема отражает физические процессы, протекающие в транзисторе при прохождении в нём переменных токов. Простейшая Т-образная физическая эквивалентная схема (для схемы с ОБ). - объёмное сопротивление базы (его надо учитывать, т.к. база делается с небольшой концентрацией примесей. - сопротивление эмиттерного перехода. - сопротивление коллекторного перехода. Генератор тока отражает передаточные характеристики тока. Элементы, влияющие на частотные свойства транзистора (реактивности) – (для ЭП) и (для КП). Достоинство схемы в том, что она проста. Поведение транзистора с сигналами высоких частот и эквивалентная схема. Рассмотрим зависимость коэффициентов усиления по току от частоты усиливаемых сигналов. 100 - предельная частота транзистора, на которой уменьшается в раз. - граничная частота, на которой = 1. Аналогично - предельная частота для схемы с ОБ. 5.13.4.2. Объяснение более высокочастотных свойств для схемы с ОБ. С общей базой С общим эмиттером - емкость между входом и выходом. Желательно, чтобы она была меньше, поскольку сигнал со входа на выход может сразу попадать на неё и не управлять токами в транзисторе. В схеме с ОБ , . Для описания частотных свойств транзистора была предложения физическая эквивалентная схема Джиколетто. 4.3.Эквивалентная схема БПТ с общим эмиттером Джиколетто. - объёмное сопротивление базы (так как база делается с небольшой примесью). Точка Б/, от которой учитывается чисто явление в эмиттерном и коллекторном переходе. - сопротивление ЭП (чистое). - эквивалентное сопротивление между коллектором и эмиттером. - ёмкость КП (барьерная ёмкость). - ёмкость, определяющая изменение ширины базы. - ёмкость ЭП. - крутизна транзистора по ЭП (мА/В), характеризует как сильно влияет входное напряжение на выходной ток (см. далее полевой транзистор). С помощью этой эквивалентной схемы можно определить входное и выходное реактивное (комплексное) сопротивление и коэффициент усиления на заданной частоте. Расчёт характеристик этой схемы. - постоянная времени цепи обратной связи. - коэффициент усиления по току на частоте f. Решение: 1. , 2. 3. 4. = 5. = 6. [1/В](мА) 7. , где - граничная частота. Определим с помощью этой схемы входные и выходные сопротивления. Считаем, что на выходе кз по переменному току (это правда, так как там включается следующий транзистор, входное сопротивление которого низкое). Аналогично можем построить эквивалентную схему на выходе. Эту схему можно рассчитать, считая на входе эквивалентной схемы режим хх, так как считаем, что сигнал подаётся с такого же транзистора, то есть по схеме с ОЭ, сопротивление которого высокое. 4.4.Объяснение частотных свойств резисторного каскада с транзистором по схеме с общим эмиттером и температурной стабилизацией. Рассмотренная выше схема обладает недостатком т.к её режимы и работа зависит от температуры окружающей среды. Рабочая точка создаётся с-помощью трёх резисторов(Rб1, Rб2, Rэ) Rб1, Rб2-делитель напряжения Uбэ= Urб2-Urэ=IдRб2-IэRэ=Uбэ0 Iк= *Iб Iэ= Iб+Iк=Iк 4.1. Эквивалентная высокочастотная схема транзистора в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ). Это схема Джиколетто. 4.1.1.На основе этой схемы составим эквивалентную схему RC – каскада В схеме не учтены емкости Скб , КУП – коэффициент усиления по управляющему переходу. ; ; Т.к. сопротивление коллектора включено параллельно по переменному току с выходом транзистора и как правило оно меньше выходного сопротивления, то: Rвых ≈ Rк • Эта схема полностью отражает зависимости Ku, от частоты сигнала, подаваемого на вход. Например, при определении можем принять на входе режим к.з.(так как это справедливо, если нагрузкой каскада(транзистора) будет вход такого же транзистора, Rвх которого низкое). • Для определения можно принять х.х. на входе(считая что источником сигнала является выход такого же транзистора, Rвых высокое, поэтому и х.х.) r б’- мнимая точка базы, которая достигается после прохождения rэ- зависит от напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. • Высокое мегаомное Cб’э-емкость между базой и эмиттером • Эмиттерный переход работает при прямом напряжении на эмиттерном переходе. • - крутизна характеристики выходного тока на эмиттерном переходе Эта характеристика есть зависимость выходного тока на эмиттерном переходе Ik = f (Uбэ) Rнэ – эквивалентное сопротивление нагрузки, учитывающее сопротивление в цепи коллектора. 4.4.2. Эквивалентная схема с учетом нагрузки RC-каскада в виде подобного RC-каскада. (вместо нагрузки еще один RC - каскад) В начале рассмотрим выходную цепь нашего каскада. Из схемы Джиаколетто Rвх=rв+ ║║║ тогда коэффициент усиления для средних частот (без учета влияния емкостей в схеме) ; Rнэ=Rk‖ Rд1сл‖ Rд2сл‖(rб+ rбэ) Rн=( ) Вывод: Полученное соотношение соответствует работе каскада на средних частотах (без учета влияния емкостей в схеме). 4.4.3..Упрощённое соотношение для коэффициента усиления для каскада с обычной нагрузкой в виде Rн Подобную эквивалентную схему можно сделать и для случая, когда нагрузкой VT1, будет не следующий каскад, а обычная нагрузка сопротивления Случай 1 Случай 2 Как правило, Rвых усиливающего транзистора очень высокое и принебрегая им запишем: RвходаVT2=rб+rб’э Считая что Хср 0 1)Rнагр.экв= Rвых‖ Rк‖ Rб’1‖ Rб’2‖(RвхVT2=rб +rбэ) 2) Rнагр~ Rвых‖ Rк‖ Rн 4.5. Эквивалентная схема для средних частот. 4.6. Эквивалентная схема для нижних частот. Из приведенной выше полной эквивалентной схемы видно, что необходимо учесть емкость Ср (разделительная емкость). на низких частотах влияет сопротивление разделительного конденсатора ║ и схему можно преобразовать: Сравним для НЧ: ; где - постоянная времени НЧ; ; Коэффициент частотных искажений в области нижних частот: Граничная частота уменьшения коэффициента усиления в раз будет определяться Физически это можно понять следующим образом: ; Для усиления низких частот. 4.7. Эквивалентная схема для ВЧ. Переходя от источника тока к генератору напряжения, получим: Пренебрегаем влияния Ср1, учитывая шунтирующее действие С0 Фильтр нижних частот: Видно, что это частотнозависимый делитель напряжения. В сравнении с напряжением на выходе, получим для ВЧ: где Заметим, что обычно и АЧХ для области высоких частот будет определяться модулем: ФЧХдля области высоких частот будет определяться: Коэффициент частотных искажений: Отсюда верхняя граничащая частота, соответствующая уменьшению усиления в √2 раз, будет определена: Построим АЧХ и ФЧХ: 4.8.Схема с частотной коррекцией АЧХ и регулировка АЧХ. Корректировать АЧХ можно с помощью частотнозависимых сопротивлений нагрузки и цепей обратной связи. а) коррекция с помощью нагрузки транзистора (ВЧ – коррекция). Если менять нагрузку от частоты будет меняться коэффициент усиления!!! Если Rн будет частотно зависима, тоесть Rн=Z(, то Ku будет меняться с изменением частоты сигнала. В цепь коллектора включаем Z=Z( а') Высокочастотная коррекция R с ростом частоты возрастает, следовательно Ku растет; но это должно падать и в итоге усиления падает. С ростом частоты ХL– возрастает (ω↑ → ХL↑), тогда возрастает Z(ω) ║RH – следовательно возрастает коэффициент усиления на ВЧ. а'') коррекция в области низких частот 4.9. Коррекция за счёт цепи обратной связи. Обобщенная схема коррекции АЧХ за счет цепи ОС. Т.к. , то при использовании частот зависимой ОС (β=fω), можно изменять усиление на разных частотах, т.е. изменять АЧХ, т.е. делать подъем ВЧ или НЧ. β – ФНЧ (пропускает хорошо НЧ), то коррекция – подъем высоких частот (β будет увеличиваться на высоких частотах) β – ФВЧ (пропускает хорошо ВЧ), то коррекция – подъем низких частот (β будет увеличиваться на низких частотах) Параллельная по напряжению по выходу Сигнал на выходе коллектора в противофазе. Если частотно- зависимая, то будет Ku частотно-зависима. Можно сделать так, чтобы емкостное сопротивление будет больше на НЧ и меньше на ВЧ, т.е. как бы ФВЧ. Следовательно можно создать поъем АЧх в области НЧ Выводы по частотной коррекции за счет ОС: • Если ООС является (содержит) ФНЧ, то в усилителе будет подъем верхних частот. • Если ООС содержит ФВЧ, то будет подъем нижних частот • С учетом этих особенностей, если ОС содержит оба фильтра, то можно создать частотно-избирательный усилитель. 4.10. Особенности выше рассмотренных схем усилителей с позиции усиления слабых сигналов. Выше рассмотрены каскады сигналов т.е каскады предварительного усиления. В мощных усилителях за ним следует при оконечный каскад и за ним оконечный (выходной). Примером при конечного каскада является трансформатор. Пред оконечным и оконечные каскады стараются строить с повышенным КПД. В RC каскаде КПД плохое. В этих усилителях при отсутствии сигнала переменного тока, протекает постоянный ток, определяющий режим (рабочую точку) по постоянному току – это в выходной цепи Iк==Iк0; во входной Iб= , поэтому КПД таких усилителей будет меньше 50%. Это является неудовлетворительным показателем для усилителей с высокой мощностью усиленных сигналов, особенно в мощных выходных каскадах. 5. Структурная схема многокаскадного усилителя, предоконечные и выходные двухтактные каскады. Схема усилителя 1)источник сигнала 2)входная цепь - согласующее устройство источника сигнала со входа усилителя (трансформатор или конденсатор). 3)входной каскад (эмиттерный повторитель или RC-каскад с температурной стабилизацией) – используется чтобы не шунтировать источник сигнала. Проще в данном случае регулировать мощностями. 4)каскад предварительного усиления (RC-каскад с ОЭ) 5)предоконечный каскад ( RC-каскад с ОЭ или трансформаторный каскад) - раскачка мощности сигнала до уровня необходимого для работы окончательного мощного каскада. 6)выходной (оконечный)мощный каскад (двухтактный каскад) должен быть высокий КПД, чтобы он работал как следует. 7)выходная цепь(трансформатор) – для согласования Rвых с нагрузкой. 5.1. Предоконечные каскады. Предназначены для усиления сигнала до такого уровня, который необходим, чтобы «раскачать» выходной мощный каскад, поэтому мощность предварительного каскада сравнительно высокая и желательно, чтобы он работал с высоким КПД. Такие хорошие показатели имеет однотактный трансформаторный каскад. После входных устройств и каскадов можно поставить регулировку усилений, а затем поставить каскады предварительного усиления, например RC-каскад (по схеме с ОЭ). Далее ставится предоконечный каскад. После входных устройст и каскад можно поставить регулировку усилений а затем поставить каскады предворительного усиления, например RC-каскад (по схеме с ОЭ).Далее ставится предоконечный (предвыходной) каскад. Для улучшения фильтрации ставят LC- фильтры. 5.1.0. Применение в предварительных каскадах фильтра развязки по цепи питания. Для того, чтобы устранить влияние изменений на напряжении источника питания, возникающего из-за больших токов в выходном каскаде между оконечным и предварительным каскадами по цепи питания ставится ФНЧ между 1 и 2 Часто, чтобы было меньше тепловых потерь вместо R включают L. 5.1.1. 5.2.Трансформаторные (однотактные) каскады. Каскад со сравнительно высоким КПД (КПДmax=50%). Обычно используется как мощный (оконечный) каскад. Удобен для согласования с сопротивлением нагрузки. В цепи коллектора вместо резистора включен трансформатор. Ф.Р.- фильтр развязки. В цепи питания базы включен ФНЧ, который не пропускает (сглаживает) пульсации напряжения источника питания Eп, которые могут возникнуть при усилении сигнала за счет больших токов (так как этот каскад мощный). Достоинство: гальваническая (полная) развязка от нагрузки. Пример: соединительные телефонные линии. Ls1, Ls2 – индуктивность рассеивания первичной/вторичной обмотки – коэффициент трансформации, где ω1-число витков в первой обмотке, ω2-число витков во второй L1 – индуктивность первичной обмотки , – сопротивление потерь вторичной обмотки Эквивалентная схема трансформаторного каскада: Упростим схему для низких частот: Для области высоких частот схема будет иметь вид: Так как обычно это усилитель мощности, то стараются транзистор использовать полностью, т.е. весь рабочий участок нагрузочной характеристики. Т.е. это постоянный ток в рабочей точке, поэтому КПД не может быть более 50 %. Докажем это: 5.2 5.3. Режимы работы усилительного элемента. Режим А. Рассмотренные выше схемы с рабочей точкой в середине рабочего участка не искажают тока (не отсекают его) – это называется режимом А. Θ-угол отсечки. Сигнал проходит полностью. Никаких отсечек нет. Режим В. Рабочая точка располагается на уровне отсечки токов. Т.е. в этом режиме полностью отсутствует постоянный ток в рабочей точке, но возникают искажения сигналов. Это происходит из-за отсечки нижнего сигнала, но так же есть и другие искажения за счет нелинейности входной характеристики (Iб=f(Uбэ)), это искажение «ступенька». Чтобы устранить искажения «ступеньки» используют режим АВ, т.е. промежуточный между А и В, т.е. 180о>θ>90о, т.е. создается режим с небольшим постоянным током, чтобы уйти от значительной нелинейности входной характеристики. При этом незначительность этого тока позволяет повысить КПД более 50 %. α – это то что осталось от синусоиды. Режимы А, В, АВ используются в двухтактных каскадов мощности с повышенным КПД. Режим С. Когда θ<90о. Для этого рабочая точка смещается в отрицательную область напряжений Uбэ. Применяется в ключевых усилителях. Главное во всех режимах В, С: они не потребляют постоянного тока, поэтому у них высоких КПД. Большая часть применяется в двухтактных усилителях. Двухтактные каскады усиления имеют два усилительных элемента, каждый из которых работает в своем такте, т.е. в своем полупериоде синусоиды.Режим В и АВ используются в двухтактных каскадах мощности усиления с повышением КПД. 5.3 5.4. Двухтактный (мощный) трансформаторный каскад. Rэ1, Rэ2 – элементы температурной стабилизации Трансформатор 1 – фазоинверсный каскад Rб1, Rб2 – элементы температурной стабилизации, общие на оба транзистора (для создания режима АВ) В трансформаторе (в первичной обмотке) токи направлены навстречу друг другу (вычитаются), поэтому ток трансформатора будет определятся выражением Iтр= IkVT1- IkVT2. Главное достоинство: высокий КПД. I0U0 – для режима АВ С учетом того, что этот ток потребляют оба транзистора, то . Для режима В - КПД может быть больше 60 – 70%. Недостаток: наличие трансформатора на выходе, так как трудно миньюатизировать усилитель и в нем возникают нелинейные искажения. 5.4 .5.5.Беcтрансформаторные двухтактные усилители. а) Принцип работы. Входной ток при положительном периоде: Вход→БЭVT1→Rн→средняя точка Еп/2→корпус→вход Выходной ток при положительном периоде: +Еп/2→КЭVT1→Rн→-Еп/2 Входной ток при отрицательном периоде: Вход→БЭVT2→Rн→корпус→вход Выходной ток при отрицательном периоде: +Еп/2(нижний)→ Rн→ЭКVT2→-Еп/2(нижний) Недостаток: два источника питания. б) Принцип работы усилителя с одним источником питания. При положительной полуволне на входе протекает ток через транзистор VT1 и заряжает зарядную емкость. При отрицательной полуволне работает транзистор VT2, ток через него протекает за счет разряда зарядной емкости. в) Сложно на входе создать условия для работы рассмотренной схемы, поэтому чаще используют схему с разно полярными транзисторами. Идея та же сама. Rб1, Rб2, Rб3 – сопротивления, которые определяют рабочие точки транзисторов и выполняют функции подачи разно фазных сигналов на транзистор. Для температурной стабилизации часто в качестве Rб2 используется терморезистор. За счет разнотипных, но комплементарных транзисторов упрощается схема формирования фазоинверсных сигналов. Для того, чтобы открылся VT2 (VT1) нужно приложить напряжение UVT2 (UVT1) (с учетом того, что по переменному току общий провод подключен к плюсовой шине). Для того, чтобы эти напряжения были одинаковы, т.е. чтобы одинаково открывались оба транзистора используется цепочка R1, R2, R3, также выполняющие функции создания рабочей точки – режима АВ. Часто для температурной стабилизации используют Rб2. Данная схема не требует фазоинверсного каскада, т.к. ее функцию выполняют входные RC-цепи. г) (Без фазоинверсного каскада и управлением однофазным напряжением) Пример схемы беcтрансформаторного каскада на VT2,VT3 и фазоинверсным каскадом на VT1. VT1 – резисторный каскад с гальванической (непосредственной) связью с выходным каскадом. Транзисторы выходного каскада VT2 и VT3 включены по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Выходные токи в нагрузке суммируются (вычитаются). Через источник питания протекает переменная составляющая, поэтому схема с общим коллектором. (это как бы эмиттерные повторители) Транзисторы работают в режиме АВ. Напряжение смещения 2Uбэ0 между базами VT2 и VT3. Температурная стабилизация осуществляется с помощью диода VD. Особенности безтрансформаторных выходных каскадов. Как видно из схемы выходные VT2 и VT3 транзисторы разного типа проводимости. Они должны быть комплиментарными, чтобы их характеристики были максимально одинаковы, безусловно, с учетом различи токов в транзисторах. Только в этом случае усиление положительной и отрицательной полуволны сигнала будет одинаковым, и нелинейные искажения будут минимальными. Однако, подобрать комплиментарные разнополярные пары транзисторов трудно. Проще подобрать пары с одинаковыми характеристиками, с одним типом проводимости (особенно это трудно для мощных выходных транзисторов), поэтому и используют пары транзисторов с одним типом проводимости, каждый из которых, соединяясь с VT2 и VT3 представляют собой составной транзистор. д) Примеры фазоинверсных каскадов. 1) Трансформаторный фазоинверсный каскад (см. выше). 2) Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой. На коллекторе транзистора фаза сигнала противофазна входному сигналу на эмиттере в фазе (как у ЭП) Для выхода 1 схема является эмитерным повторителем, для выхода 2- схема с ОЭ, обычный RC каскад. (эмиттера) – т.к. это эмиттерный повторитель (с ООС) (коллектора ) – т.к. это схема с ОЭ. Эту разницу нужно учитывать на входах транзисторов выходного двухтактного каскада. Uвых2 -сигнал в противофазе. Uвых1 -сигнал в фазе. Для того, чтобы уменьшить Uвых2 (сравнять его с Uвых1 по фазе) величину Rк делают несколько меньше Rэ.Видим, что здесь есть большая отрицательная обратная связь, следовательно, схема имеет небольшие линейные искажения. 5.5 5.6. Регулировка усиления. Регулировочный реостат или потенциометр или другой включатель между первыми каскадами. Желательна такая схема, чтобы при изменении уровня сигнала частотная характеристика не менялась. Предлагается придумать частотно-независимые регулировки усиления. При разработке регулятора, необходимо учитывать требования её независимость от частоты усиливаемых сигналов. 5.6. 5.7.Регулировка тембра. Регулировка тембра – плавная регулировка АЧХ. (регулировка АЧХ(фиксированная) рассмотрена выше в п.4) Пример регулировки тембра: Изменяя постоянную времени цепи как параметра, определяющего как параметра, определяющего частоту среза этого фильтра и рассматривая эту цепь как шунтирующую вход VT2 можно корректировать АЧХ усилителя. При увеличении Z на высоких частотах, эта цепь будет меньше шунтировать вход VT2, поэтому усиление на этих частотах будет соответствовать усилению на средних и низких частотах.В противном случае, поисходит уменьшение усиления высоких частот. Подобную цепь можно использовать последовательно по входу, тогда она будет регулировать усиление низких частот. Например:при возрастании цепи коэффициент K(f) возрастает, при уменьшении коэффициент K(f) уменьшается. Изменение ИП при мощных тонах усиливаемого сигнала на выходе не перезавелось в предварительные каскады усиления. Эффективным средством регулировки тембра (АЧХ) явялется использование частотно-зависимой и регулируемой ООС 5.7 6.Схемы усилителей в аналоговых микросхемах UБЭVT2 = UКЭVT1 + URэ1 – URэ2 Рабочая точка определяется на входе RБ1, RБ2, Rэ RБ1, RБ2соответствует RК1, КЭVT1, RЭ UБЭ0 для любого каскада это необходимое напряжение (0,7 – 1 В). Поэтому при большом числе каскадов трудно это сделать (создать небольшое напряжение) в последних каскадах, поэтому перед ними ставятся схемы сдвига уровня. Поэтому используют схему на VT3, так как на RЭ3 можно создать маленькое падение напряжения, а следовательно легко получить маленькое UБЭ0 на VT4. Так как RБ1 = RК + КЭVT2 и RБ2 ≡ RЭ. 5.7.1 6.1. Усилители постоянного тока (УПТ). Вышерассмотренная схема и есть УПТ. В них используется вышерассмотренная схема без конденсаторов. Их особенности: они могут усиливать сигналы постоянного тока (медленно меняющиеся). Т.к. разделительные конденсаторы (Ср) отсутствуют, то и применяется непосредственное – гальваническая связь между каскадами, то через нее могут происходить самые низкочастотные сигналы и даже сигналы постоянного тока, следовательно АХЧ для УПТ при f=0 Ku 0 Rк1=Rб1 для VT2 φ1 – φ2 = 0 на VT3 сделана схема на сдвиг ровня, для уменьшения Uбэо для VT4 и т.д. Особенность: Если UВХ = 0, то на выходе UВЫХ = UК =например≈ 5 В. Чтобы получить UВЫХ = 0 на выходе включается делитель R1д.вых и R11д.вых с выходным напряжением равным UК, тогда φ1 – φ2 = 0, на выходе 0. Аналогично делается и на входе. Чтобы источник сигнала ЕС подключался к нулевому потенциалу («входу»). φ11 – φ21 = 0 Недостаток: дрейф нуля. (этого недостатка нет в дифференциальном каскаде усиления) Быстрые изменения обусловлены, например, случайными изменениями напряжения источника питания, из-за чего изменяются режимы работы транзисторов в схеме, и на выходе сигнал становится не равным нулю. Медленные изменения обусловлены старением элементов. 5. 6.2.Дифференциальный каскад (ДК) в УПТ (см. «Электроника» п. 8.4’. Усилители постоянного тока.) 1)Схема состоит из двух идентичных каскадов усиления (плеч) на транзитсорах VT1,VT2.Схема создана в кристалле полупроводника, поэтому соответствющие элементы схемы для левого и правого плеч одинаковые, поэтому токи через эти плечи одинаковые(Iэ1= Iэ2), следовательно, потенциалы на коллекторах VT1 и VT2 одинаковые и на выходе(т.е. на Rн) Uвых=0. Дрейф нуля сводится к минимуму по следующим причинам: • быстрые изменения устраняются за счет изменения напряжения питания на выходе не проявляются, т.к. они одинаково воздействуют на оба плеча. • медленные изменения устраняются за счет того, что «старение» элементов(из-за того,что они расположены близко друг к другу) происходит практически одинаково и Uвых =0 сохраняется. Каждое плечо усиливает сигнал как самостоятельный каскад. Если на входы подаются синфазные равные сигналы, то они усиливаются одинаково(токи в обоих плечах изменяются одинаково) и на выходе (Rн) усиленного сигнала не обнаруживается. При подаче разнофазных сигналов на входе один транзистор будет открываться больше, а другой меньше, и на выходе (Rн) усиленный сигнал обнаружится.Отсюда название – дифференциальный. Схема состоит из двух идентичных плеч, которая обладает хорошими свойствами, требуемыми к устранению дрейфа нуля. При дифференцированном входном сигнале: (*) (8.1) 1) Диференциальный каскад при противофазном воздействии . А) При противофазном воздействии переменные составляющие эмиттерных токов VT1, VT2 противофазны, следовательно, через эмиттер протекает только постоянный ток. a) При воздействии разнофазных переменных сигналов (когда один транзистор открывается, а другой закрывается) суммарный ток IRэ не меняется, т.е. при переменном разнофазном сигнале переменный ток в Rэ не проявляет себя и коэффициенты усиления каждого из плеч: (**) (8.2) т.к. б) Для противофазных входных напряжений дифференциальное входное напряжение определяется(см. (*)): И относительно дифференциального входного напряжения ( при ) Коэффициент усиления по напряжению одного плеча определяется: (***) (8.3) в) Коэффициент усиления всего дифференциального усилителя: (8.4) г) Входные сопротивления: г’) Одного плеча: (8.5) г’’) Всего ДК (8.6) 2) Параметры ДК при воздействии синфазного сигнала. а) В этом случае входное дифференциальное сопротивление по переменном току будет определяться: . (см. (8.6)) б) В отличие от разно фазных сигналов при синфазных сигналах в Rэ будут обнаружены переменные составляющие тока: (так как оба транзистора открываются одинаково и токи через них протекают одинаково меняясь и протекая через Rэ на нем создается падение напряжения переменного тока). На Rэ создается отрицательная обратная связь (ООС). в) Коэффициент усиления синфазного сигнала (по отношению к одному плечу) определяется: . (8.7) где: г) Поскольку для синфазного сигнала в ДУ действует ООС, которая создает входное сопротивление Rвх ООС , то: (8.8)\ при этом: д) Определим величину Rвх ООС (для уточнения выражения (8.8)) Iэ=Iк+Iб=Iб∙h21+Iб=Iб(1+h21) ,-с учетом ООС Подставив в 8.8 получим: (8.9) Вывод: ООС проявляется только для синфазного сигнала (Iэ= ), а для разнофазного сигнала определяемого ослабления синфазного сигнала нет (Iэ=0) 3)Коэффициент ослабления синфазного сигнала. должен быть, например:20lgk ид /kис =+60 дБ (8.10) - Коэффициент усиления в дифференциальном режиме (для разно фазных сигналов). - Коэффициент усиления для синфазных сигналов. На основании (8.3), (8.4), а также, учитывая что , для (8.9) можем записать: Докажем это: (8.11) - входное сопротивление для схемы с общим эмиттером rэ, rб – величины из эквивалентной ВЧ схемы биполярного транзистора (Джикалетто) r’б – объемное сопротивление базы. Вывод: Для большого подавления синфазных сигналов нужно увеличивать Rэ, так как Rэ играет роль автобалансировки схемы. Если, например, при подаче противофазного сигнала по какой-то причине коэффициенты усиления плеч отличаются, т.е. ku1≠ ku2, на большом Rэ появиться переменная составляющая Uос, которая «как бы выравнивает» коэффициенты усиления плеч. Может потребоваться увеличение напряжения источника питания, так как будет много падать на Rэ. Из-за увеличения Rэ может (ООС) уменьшаться усиление. Поэтому вместо Rэ включают генератор стабильного тока (ГСТ). Дополнение: Но увеличение Rэ за счет падения напряжения на нем постоянного тока требует повышения напряжения источника питания и снижения ku. Поэтому вместо Rэ используют генератор стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает большое сопротивление по переменному току и малое сопротивление по постоянному току (т.к. ООС). 5.7.3.6.3.Вариант дифференциального усилителя с несимметричным выходом (нагрузкой). Схема отличается тем, что сигнал снимается не с обоих плеч усилителя, а с одного. Здесь напряжение на выходе также пропорционально разности входных сигналов, так как транзистор VT2 управляется разностным сигналом. Его коэффициент усиления по напряжению определяется коэффициентом усиления одного плеча kuд. Чем больше Rэ, тем больше подавление синфазной помехи и меньше дрейф нуля, большая симметрия схемы, что объясняется ООС по переменному току. 5.8 6.4.Генератор стабильного тока (ГСТ, часто используется в ИМС). Применяется как в высокоомное динамическое сопротивление нагрузки в ОУ или как источник фиксированного тока, например в эмиттерной цепи ДУ ОУ. Простейшим ГСТ является транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, в котором используется коллекторный переход, который имеет большое сопротивление по переменному току и небольшое сопротивление по постоянному току. Если в эту схему ввести еще ООС (по току), то еще увеличится. Rэ переменное=высокое Rэ пост=низкое VT3 и R3 выполняют функции Rэ. R4,VT4, R5 выполняют функцию создания режима работы по постоянному току VT3. VT4 работает как диод, используется для стабилизации рабочей точки. R3 является ООС для каскада на транзисторе VT3 (ГСТ). 5.9 6.5.Каскад сдвига уровня (применяется в УПТ). В многокаскадных УПТ с гальваническими межкаскадными связями трудно обеспечить режим по постоянному току, так как на базе следующего транзистора берется напряжение с коллектора предыдущего, что уводит рабочую точку вверх. Видно, что от VT1 к VT2, VT3 идет нарастание напряжения Uбэ0. Для уменьшения Uбэ0 (сдвига уровня) используются схемы сдвига уровня. Недостаток: вместе с уменьшением постоянного напряжения на Uбэ0 для VT3 уменьшается и напряжение сигнала переменного тока, т.е. уменьшается коэффициент усиления по напряжению. Поэтому вместо этой схемы используется ее модификация с ГСТ. Rб3 и VD1 – элементы для создания режима по постоянному току транзистора VT2. Если , то создаваемое напряжение по постоянному току будет низкое и достаточное для подачи на вход транзистора следующего каскада. Сопротивление по переменному току будет большое на VT3, следовательно, все усиленное напряжение с VT2 подается на вход следующего каскада VT3. Роль нижнего плеча усилителя напряжения на базе VT3 выполняет RвыхVT2|| RвыхVT3 Усиление каскада на VT1 сохраняется(пусть даже эта схема эмиттерный повторитель) Из-за того что это сопротивление по постоянному току низкое то создаваемое на нем постоянное падение напряжения будет небольшим, и будет удовлетворить требуемому Rбэ0 6. 7. Операционные усилители (ОУ). Все рассмотренные выше схемы применяются в операционном усилителе 6.1.7. 1. Составляющие узлы ОУ. К1 – дифференциальный усилитель. К2 – дифференциальный усилитель, но с симметричным входом и несимметричным выходом. К3 – схема сдвига уровня. К4 – выходной каскад с низкоомным выходом (например эмиттерный повторитель или мощный выходной каскад) 6.2. 7.2. Основные показатели ОУ (в сравнении с идеальным ОУ). 1. Коэффициент усиления. (10100 тысяч). Можно догадаться что на входе усилителя стоит RC-каскад. 2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала. 3. Входное сопротивление для синфазного и дифференциального сигнала. для идеального ОУ ( кОм) – чтобы ОУ не шунтировал источник сигнала. Ом. 4. Частота единичного усиления (граничная частота). 5. Входное напряжение смещения нуля. Напряжение, которое следует подать на один из входов, или на дифференциальный вход, чтобы на выходе был 0 (). 6. Коэффициент усиления при ООС. Например β=1 7. АЧХ. Т.к. ОУ это по сути дела УПТ, значит АЧХ должна быть такого вида: 8. При отсутствии выходе должен быть 0 () (по мере необходимости) Вспомним схемы УПТ, может потребоваться схема с двуполярным питанием или делитель напряжения 6.3. 7.3.Особенности ОУ Это универсальные, многофункциональные усилители. Основы элементной базы современной аналоговой техники. Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель, позволяющий обрабатывать электрические сигналы по алгоритму, задаваемому внешними цепями обратной связи. Термин ОУ возник из-за того, что первоначально ОУ применялись в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций (суммирование, вычитание, умножение и т.д.). Стандартное условное графическое обозначение ОУ по ГОСТ: Рис 1. На рис. 1а показано условное обозначение ОУ по ГОСТ, имеющего два входа и один выход(выводы для подключения напряжений питания и элементов частотной коррекции здесь в целях упрощения не показаны). На рис. 1б показано также нестандартное обозначение ОУ, до сих пор в технической литературе . Вход с символом кружка называется инвертирующим, т.е. повышение U’ на этом входе приводит к снижению выходного напряжения Uвых. Вход без кружка называется неинвертирующим, т.е. повышение напряжения U” приводит к повышению выходного напряжения Uвых. Таким образом, выходное напряжение пропорционально разности потенциалов на выходах U”-U’. Принято называть величину U”-U’ дифференциальным входным напряжением Uвх. Выходное напряжение Uвых пропорционально дифференциальному входному напряжению Uвх: Коэффициент пропорциональности K0 между Uвых и Uвх представляет собой коэффициент усиления ОУ. Реальные ОУ могут иметь K0 от 20000 до 1000000 и более. Для идеального ОУ в расчетах полагают K0=∞ (поэтому в условном графическом обозначении ОУ используется знак ∞) Выходное напряжение Uвых может быть как положительным так т и отрицательным. Абсолдютная величина выходного напряжения, как правило, не превышает нескольких вольт. Предположим , Uвых=10В, K0 =100000, тогда Uвх=Uвых/ K0=10-4В, т.е. 0,1 мВ. Другими словами, потенциалы входов ОУ U’ и U” при этом будут различаться всего лишь на 0,1 мВ. С увеличением коэффициента усиления Kо различие потенциалов U’ и U” станет ещё меньше. Для идеального ОУ (при Kо=∞) получается, что Uвх=0 или U’=U”. Реальные ОУ обладают высокими входными сопротивлениями Rвх и низким выходным сопротивлением Rвых. Для идеального ОУ полагают Rвх=∞, Rвых=0, т.е. считают входнве токи равными нулю. Таким образом, для идеального ОУ можно отметить следующие особенности: Потенциалы входов U’ и U” одинаковы; Входные токи равны нулю; Выходное сопротивление равно нулю. Рис. 2 Рис. 2 Использование закона Ома(а) и первого закона Кирхгофа(б) для составления расчетных формул На рисунке 3 показан фрагмент схемы с идеальным ОУ. Все напряжения (U1, U2, Ua, Uвых) Отсчитываются относительно общего провода, т.е. можно считать эти напряжения потенциалами. Рассмотрим как можно составит расчетные формулы для схемы рис 3в По закону Ома можно записать: (1) (2) (3) (4) По первому закону Кирхгофа: (5) Токи и являются входными токами идеального ОУ, следовательно: (6) Напряжения U’ и U” представляют собой потенциалы входов идеального ОУ, поэтому: U’ =U” (7) Рис.3 Использование второго закона Кирхгофа (а), метода узловых напряжений(б) и свойств идеального ОУ(в) для составления расчетных формул Так как , то из (2) получим U’=Ua. При U’=U” и из (4) получим: Из (5) получим Подставив вместо Ua и вместо вместо в (1) и в (3), получим: Преобразуем (8) к виду: 6.4. 7.4. Применение ОУ. Всё определяется цепями ОС. 7.6.4.1 Усилитель с малым входным сопротивлением (может быть инвертирующим и неинвертирующим). Для инверсного входа: параллельная по входу ОС Для неинверсного входа: последовательная по входу ОС (т.к. R1 включено последовательно) ООС параллельная по выходу(по напряжению), последовательная по входу. Отрицательная так как сигнал с выхода подается на инверсный вход( параллельная по входу) т.к. цепь обратной связи включена параллельно по выходу( по напряжению). Последовательная по входу, т.к. сигнал ООС подается на вход последовательно с входным сигналом ( см. цепь общий провод R1 второй инверсный вход ОУ). Зная коэффициент передачи β цепи обратной связи можно определить: (например R1=100 кОм, RСВ=1 кОм) 7.6.4.2 Неинвертирующий повторитель (аналог эмиттерному повторителю). Не инвертирующий, значит сигнал надо подавать на не инвертирующий прямой вход. Так как повторитель то должна быть 100% ООС, (то есть β=1), весь выходной сигнал подается на инверсный вход. Схема: параллельная по напряжению, В принципе схему можно рассматривать как предыдущую, при , . Применяется на входе для развязки между входом и выходом. Создание большого входного сопротивления усилителя, чтобы он не нагружал источник сигнала. Т.к. RООС (с которого снимается сигнал ООС, включено последовательно с Rн , то это последовательная по току обратная связь, из-за чего выходное сопротивление возврастает. Определить KU и написать соотношение для RВЫХ ООС 7.6.4.3. Не инвертирующий усилитель с большим выходным сопротивлением. Входное сопротивление и так высокое. Здесь действует последовательная ООС по току. 7.4. Частотнозависимая обратная связь в операционных усилителях. Интегрирующая цепь (ФНЧ) Дифференцирующая цепь (ФВЧ) В цепи обратной связи включается ФНЧ. Полосовой фильтр (НЧ + ВЧ) Если это ФНЧ, хорошо пропускаются нижние частоты, то ООС () будет наибольшее для НЧ, следовательно усиление НЧ будет хуже и получается фильтр высоких частот. Если в цепи ООС включен ФВЧ (он хорошо пропускает высокие частоты), то ВЧ пропускаются хорошо, поэтому ОС будет наибольшая, а коэффициент усиления меньше, то есть это будет ФНЧ. При использовании цепи ООС, и ФНЧ и ФВЧ можно получить полосовой резонансный усилитель. Интегратор (интегрирующая цепь) ведёт себя как ФНЧ, поэтому в цепи ООС включаем ФВЧ. В цепи ООС включим ФВЧ в результате получим ФНЧ. 7.4.1. Интегратор в цепи ООС включим ФВЧ в результате получим ФНЧ. ООС параллельная по входу и по выходу ООС параллельная по напряжению. Фильтр верхних частот (ФВЧ): (при R1>>RH) . Это будет ФНЧ. Так как эта схема кроме фильтрации ещё и усиливает, то это будет активный фильтр. 7.4.2. Дифференциатор. В цепи ОС включается ФНЧ, чтобы получить ФВЧ Это ФВЧ. Цепь ООС будет таковой: Коэффициент передачи напряжения при ООС равен R1 может включаться для ограничения усиления высоких частот. Идеальный интегратор с пороговым уровнем срабатывания 7.4.3 Активные фильтры на ООС Выше рассмотренные фильтры ФНЧ и ФВЧ являются фильтрами первого порядка реализованные на ООС и являются активными . И их частотная характеристика определяется частотой среза, определяется постоянной времени. Если в цепи ОС включить и ФВЧ и ФНЧ то можно создать полосовой активный фильтр, и даже с резонансной частотой. Включим такой Т-образный мост, фильтр Скотта. Достоинства: Особенно в диапазоне НЧ (до 1 МГц) удобно использовать, т.к не нужны большие катушки индуктивности. Недостаток: Так как АЧХ определяется RC элементами параметры которых нестабильны от температуры и времени, то АЧХ получается нестабильной. 7.4. 6.Пример схемы на ОУсуммирования сигналов. За счет цепи ООС коэффициент усиления составляет Ku=1. Плюс или Минус-фаза входного сигнала. Дано: амплитуды входных сигналов. Частоты сигналов одинаковые. Построить временные диаграммы входных сигналов ОУ и на выходе выходных сигналов для каждого и суммарный. Решение: 1. Входные сигналы. 2. Выходные сигналы. 3. Суммарный сигнал на выходе. 7.5. 8.Методика расчёта RC-каскада (предварительного усиления в режиме А) на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Схема с температурной стабилизацией: Дано(табл. №2по последней цифре № студ. билета) Схема 1. Тип транзистора КТ315Б. 2. Амплитуда сигнала в нагрузке В. 3. Верхняя частота по корню из двух МГц. 4. Нижняя граничная частота Гц. 5. пФ – ёмкость следующего каскада. 6. кОм. 7. Внутреннее сопротивление источника сигнала Ом. 8. Напряжение источника питания В. II).(Прилож №3) Параметры транзистора, которые берём из справочника. 1. раз. 2. Ом – объёмное сопротивление базы. 3. (иначе будет лавинный электрический пробой). 4. мВт. 5. пФ – ёмкость перехода БЭ. 6. Ёмкость коллектора С к=7 пФ. 7.Тип транзистора n-p-n Найти: рассчитать все элементы схемы. Решение: 1. Схема, которую мы нарисовали. 2. Согласно эквивалентной схемы каскада для высоких частот можно определить что .Рассчитываем транзистора, при условии максимального коэффициента усиления на верхней частоте. , где - общая ёмкость нагрузки; - ёмкость монтажа. пФ. Ом. 3. Рассчитываем Ом. 4. Определяем ток покоя (рабочую точку). Она должна быть немного больше амплитуды переменной составляющей: мА. Берём рабочую точку в раза больше, чтобы не попасть область насыщения или отсечки. Если по расчёту рабочая точка получается <2 мА её увеличивают принудительно до 2-3 мА Картина не точная!! к 5. Рассчитываем резистор в цепи эмиттера. Считаем, что , , где задаёмся напряжением Ом. 6. Ёмкость разделительного конденсатора на выходе: рассчитывается из условия пропускания нижней частоты с ослаблением в раз (вывод делается чеерез постоянную времениRC цепи 7. Рассчитаем ток (сигнала) базы (входной ток). мкА., где Ikm –амплитуда переменного тока коллектора, рассчитывамого в п.4 соответствует 0.0015 А.Это неверно!! Надо брать ток Iк в рабочей точке, т.е. 3 mа!!!!! - 8. Рассчитаем температурную стабилизацию. Чтобы она работала хорошо, ток делителя (через и ) . а) мА. б) т.к. URб2 и URЭ включены встречно для БЭ Ом. ГОСТ=56кОм. Где: (задаётся). мА. В) кОм. ГОСТ=43кОм. 9. Используя схему Джиколетто Ом (эта величина не принимается по ГОСТ, т.к. она –чисто расчетная). 10. Крутизна тока эмиттера. .[A/в] Ом. 11. Ёмкость блокировочного конденсатора . (Другой вариант расчета (упрощенный): Ёмкостное сопротивление на нижней частоте , , мкФ.) 12. Коэффициент усиления по напряжению. раз. Эта формула точней, чем в метод. Указаниях, т.к учитывает Rг. 13. Исходные данные для предыдущего каскада.(т.е. что должно быть на входе рассчитываемого каскада) а) мВ. б) Ом. (Гост не нужен) в) пФ, г) рассчитать -раздетльнй конденсатор на входе каскада.. нФ.=8,9 мкФ 7.6. 9. Усилители на полевых транзисторах. Схема с общим истоком (аналогична схеме с ОЭ) Назначение элементов: Rc – сопротивление в цепи стока, создает режим по постоянному току на выходе. С помощью него строится нагрузочная характеристика на выходных характеристиках Rи – в цепи истока транзистора главное назначении – это создание падения напряжения в нем URu=Ic ∙Ru, полярность которого на затворе относительно истока отрицательна, т.е. создается режим по постоянному току на выходе Uзи0 Rз – высокоомное сопротивление (≈1МОм), через которое прикладывается потенциал от URu к затвору. Ср1 – защищает от постоянного тока от Еп (не пропускает постоянные токи созданного постоянного напряжение Uзи0) Ср2 – защищает от постоянного тока (не пропускает постоянные токи созданного постоянного напряжение Uси0 в нагрузку, хорошо пропускает переменный ток сигнала в нагрузку) Си – блокировочный конденсатор, который пропускает переменную составляющую, шунтируя Rи , чтобы не создавалась ООС по переменному току. Проходные стокозатворные характеристики: Рабочая точка О определяется Uзи. Кроме Uзи отс подается сигнал переменного тока. Тогда изменение тока будет происходить от т.А т.В Нагрузочная характеристика строится аналогично нагрузочной линии биполярном транзисторе 1 точка: Uси и Iс = 0 2точка: Ucи=0 и Iс=const Выходные характеристики: Режим по постоянному току. При подаче переменного сигнала будет происходить изменение Ic и Uси при перемешении от точки О’, А’, В’ Расчет коэффициентов через мало сигнальные параметры си≠0=const С учетом нагрузки Ku =S Температурная стабилизация Токи в ПТ меньше зависят от температуры. Можно использовать t-ую стабилизацию 3-мя сопротивлениями (Полный аналог схеме с ОЭ): 7.6.9.1.Схема с индуцированным каналом В интегральных схемах с структурами на ПТ вместо R проще сделать транзистор, а транзистор использовать как резистор. Rз - сопротивление в цепи затвора, через которое подается напряжение Uзи0. 9.2. 7.6.2 Комплиментарная пара МДП Транзисторов Два транзистора разного типа проводимости, но их характеристики одинаковы. Не потребляет энергии, применяется во всех цифровых элементах. В любом состоянии через схему не протекает ток!!! Незначительное потребление энергии происходит при переключении транзисторов за счет перезаряда паразитных емкостей. 8 10.Дополнительные параметры усилителей (собственные помехи) 10.1.8.1. Шумы электронных приборов. 10.1.1.8.8.1 Природа возникновения. Они возникают за счет физических процессов в электронных приборах. Шум – случайное отклонение напряжения или тока от некоторого среднего значения (флуктуации). Это объясняется тепловым (хаотическим) движением электронов. На выходах могут появляться разное количество электронов, т.е. создается напряжение. 0 ≤ Δf ≤ ∞ Часто такой шум называют белым. При наличии шумящих элементов, мощность будет определяться мощностью каждой спектральной составляющей. Рш = Р1 + Р2 + Р3 + … = Р0 Δf Р0 – спектральная мощность (мощность одной гармонической составляющей; Δf – полоса частот где наблюдается шум. Р0 = 4 к Т, где к – постоянная Больцмана. 10.1.2. 8.8.2 . Напряжение шума будет определяться: 10.2. 8.2. Шумы могут приходить от источника сигналов, а также могут быть собственными. Для оценки собственных шумов усилителя используют коэффициент шума. Таким образом, как пассивные, так и активные элементы можно представить в виде шумящего сопротивления, которое работает как генератор шума. В многокаскадных схемах основным источником шума является первый каскад. UВЫХш1к = UШ1К К1 К2 К3 (без учета шумов каскада усиления) Последующие каскады оцениваются через коэффициент шума(с учетом) Таким образом, все электронные приборы можно рассматривать в виде эквивалентного резистора. За счет усиления эти суммы усиливаются от каскада к каскаду, чем больше усиление тем выше уровень входных шумов на выходе, поэтому стараются на входе цепи и первые каскады делать малошумящими. Для оценки шума создаваемого каждым каскадом, вводиться понятие коэффициента шума каскада. Который показывает во сколько уровень шума на выходе каскада. больше уровня шума на входе! С учетом этого уровень шума многокаскадного усилителя будет определяться: где Чем выше ( коэффициент по мощности )и чем меньше Рсобств, тем меньше Кш Иногда коэффициент шума оценивается по ухудшению отношения сигнал-шум, на его выходе относительно входа за счет действия собственных шумов.