Истоковый повторитель: схема и основные соотношения.

Схема с общим стоком обладает значительно большим входным сопротивлением, чем схема с общим истоком. В большинстве случаев, однако, это не имеет особого значения, поскольку оно достаточно велико и для схем с общим истоком. Преимуществом такой схемы является то, что она существенно уменьшает входную емкость каскада. В отличие от эмиттерного повторителя выходное сопротивление истокового повторителя не зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала.

 

 

Усилительный каскад на полевом транзисторе

Усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большим входным сопротивлением.

В этом каскаде резистор Rc, с по­мощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока включен резистор Rи,создающий необходимое паде­ние напряжения в режиме покояU30,являющееся напряжением сме­щения между затвором и истоком.

Резистор в цепи затвора R3обе­спечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следователь­но, потенциал затвора ниже потен­циала истока на величину падения напряжения на резисторе Rи от по­стоянной составляющей токаIи0.Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относитель­но потенциала истока.

Входное напряжение подается на резистор R3через раздели­тельный конденсатор С.При подаче переменного входного напряже­ния в канале полевого транзистора появляются переменные состав­ляющие тока истокаiии тока стокаiс, причемiиiс. За счет паде­ния напряжения на резисторе Rиот переменной составляющей тока iи,переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значи­тельно меньше входного напряжения:

Это явление, называемое отрицательной обратной связью, при­водит к уменьшению коэффициента усиления усилительного кас­када. Для его устранения параллельно резистору Rивключают конденсатор Си, сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше со­противления резистора Rн.При этом условии падение напряжения от тока истока iи на цепочке Rи—Си, называемой звеном автомати­ческого смещения, очень небольшое, так что по переменной состав­ляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.

Выходное напряжение снимается через конденсатор связи Сс между стоком и общей точкой каскада, т. е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Обратные связи в усилителях

Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выход­ного сигнала усилителя на его вход.

Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Од­нако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют пара­зитными.

Если при наличии обратной связи входное напряжение uвх складывается с напряжением об­ратной связи uос,в результате чего на усилитель подается уве­личенное напряжение u1,то такую обратную связь называют поло­жительной.

Если после введения обратной связи напряжения u1на входе иuвыхна выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычита­нием напряжения обратной связи из входного напряженияuвх, то такую обратную связь называют отрицательной.

Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току.В обратной связи по напряжениюuoc=βuвых, где β — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В об­ратной связи по токуuос=Rосiвых, гдеRос— взаимное сопротив­ление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все об­ратные связи подразделяют на последовательные, при которых цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями уси­лителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления.

Вывод: введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1+βК раз.

Введение положительной обратной связи по­вышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительная обратная связь в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухуд­шается.

Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя:

а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;

б) снижается уровень нелинейных искажений;

в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивле­ния усилителя, и т. д.

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение:

Вывод: всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1+βК раз.

Если значение βК много больше единицы, что представляет собой глубокую отрицательную обратную связь, то

В случае положительной обратной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается:

Введение последовательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление.

Схема усилителя с параллельной обратной связью:

При глубокой отрицательной обратной связи

Виды паразитных обратных связей:

1) паразитная связь между каскадами через цепи питания;

2) емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

3) магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

Усилители постоянного тока

Устройства, предназначенные для усиления сигнала очень низких частот (порядка долей Гц), имеющие амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот называются усилителями постоянного тока (УПТ).

Требования к характеристикам УПТ:

 - в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

- при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

- напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Наилучшим образом данным требованиям удовлетворяют УПТ, построенные на дифференциальных балансных каскадах. Они так же обеспечивают эффективную борьбу с так называемым дрейфом нуля УПТ. Построены по принципу четырехплечевого моста.

 

Уравнение баланса моста:

При изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rнток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2или R3, R4,баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R2, R3транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ.

 

В дифференциальном усилителе сопротивления резисторов R2, R3в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R1, который стабилизирует ток транзисторов. Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением Rl, увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е2Е1, а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R1применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2—4 транзисторах.

Переменный резистор Rп служит для балансировки каскада (для установки нуля). Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениямиR2, R3. При изменении положения движка потенциометра Rп изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометра Rп добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе Rнв отсутствие входного сигнала.

При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е1или смещения Е2изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R2, R3в точности равны, то тока в резисторе R_H за счет изменения э. д. с. El, Е2не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.

Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе.

В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора Т1изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе Rн.

 

При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от —50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз.

По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах. Аналогичные балансные схемы могут быть построены на основе эмиттерных и истоковых повторителей.

 

Операционные усилители

Операционный усилитель – дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного и переменного тока с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью.

Позволяет реализовывать большое количество электронных устройств, но традиционно называется усилителем.

Можно сказать, что операционные усилитель являются основой всей аналоговой электроники. Широкое распространение ОУ связано с их универсальностью (возможность построения на их основе различных электронных устройств, причём, как аналоговых, так и импульсных), широким диапазоном частот (усиление сигналов постоянного и переменного токов), независимость основных параметров от внешних дестабилизирующих факторов (изменение температуры, напряжения питания и др.). В основном используются интегральные усилители (ИОУ).

Присутствие в названии слова "операционные" объясняется возможностью выполнения данными усилителями ряда математических операций - суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования и др.

На рисунке 5 изображены УГО ИОУ. Усилитель имеет два входа – прямой и инверсный, и один выход. При подаче входного сигнала на неинвертирующий (прямой) вход, выходной сигнал имеет ту же полярность (фазу) – рисунок 5, а.

 

Условно-графические обозначения операционных усилителей

Рисунок 5 – Условно-графические обозначения операционных усилителей

 

При использовании инвертирующего входа фаза выходного сигнала будет сдвинута на 180˚ по отношению к фазе входного сигнала (полярность изменяется на противоположную)- рисунок 6, б. Инверсные входы и выходы обозначают кружком.

Рисунок 6 - Временные диаграммы ОУ: а) – неинвертирующего, б) - инвертирующего

 

При подаче напряжения на обои входы выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений. Т.е. сигнал на инвертирующем входе берётся со знаком «-». Uвых=К(Uнеинв – Uинв), где К – коэффициент усиления.

 

Рисунок 7 – Амплитудная характеристика ОУ

 

Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника, обычно +15В и -15В. Также допускается однополярное питание. Остальные выводы ИОУ указывают по мере их использования.

Работу ОУ поясняет амплитудная характеристика – рисунок 7. На характеристике можно выделить линейный участок, на котором с увеличением входного напряжения пропорционально увеличивается выходное, и два участка насыщения U+нас и U-нас. При определённом значении входного напряжения Uвх.max усилитель переходит в режим насыщения, при котором выходное напряжение принимает максимальное значение (при значении Uп=15 В примерно Uнас=13 В) и остаётся неизменным при дальнейшем увеличении входного сигнала. Режим насыщения используется в импульсных устройствах на ОУ.

Усилители мощности применяются в оконечных каскадах усиления и предназначены для создания необходимой мощности в нагрузке.

Их основная особенность - работа при больших уровнях входного сигнала и больших выходных токах, что вызывает необходимость использовать мощные усилительные приборы.