 |
Приведите схемы и поясните принцип работы дифференциального усилителя.
|
|
|
|
Малое входное и большое выходное сопротивления, зависимость коэффициента усиления от параметров нагрузки. Эти недостатки частично или полностью исключены в дифференциальном усилителе.
Простейшая схема дифференциального каскада приведена на рис.21.7, б. Транзисторы Т1 и Т2, а также резисторы Rк1 и Rк2 образуют мост. В диагональ 1 - 1' моста включены источники питания + Ек и - Ек, а также Rэ. В диагональ 2 - 2' включена нагрузка - RH. Для нормальной работы каскада мост должен быть строго сбалансирован, т.е. Rк1 = Rк2, а транзисторы должны иметь одинаковые параметры, т.е. должны быть изготовлены по одной технологии, на одном кристалле. Поэтому дифференциальные каскады изготовляют в заводских условиях в виде микросхем.
Пусть 
. Токи транзисторов Т1 и Т2 создают на сопротивлении Rэ падение напряжения URэ, причем,
. (21.9)
Это напряжение является напряжением смещения для обоих транзисторов. Так как параметры транзисторов одинаковы, то и токи транзисторов одинаковы, т.е. 
, 
, 
. Равные коллекторные токи создают на равных сопротивлениях Rк1 и Rк2 равные падения напряжений Uк1=Uк2. Поэтому
.
Резистор Rэ образует цепь ООС по току, обеспечивает температурную стабилизацию и устраняет дрейф нуля (отклонение Uвых от нуля за счет нестабильности Ек).
Источник сигнала может подключаться к входу одного из транзисторов (при этом вход другого транзистора заземляется) либо между базами двух транзисторов. Рассмотрим первый вариант включения. Пусть источник сигнала е(t) включен к входу транзистора Т1, т.е. Uвх1 = е. Вход транзистора Т2 заземлен. Пусть также е > 0. Под воздействием входного сигнала увеличиваются ток базы 
; ток коллектора 
и ток эмиттера 
первого транзистора. Приращение тока эмиттера DIэ1 вызывает приращение падения напряжения URэ, т.е. напряжения ООС на участке база-эмиттер транзистора Т2. Это приводит к уменьшению тока Iэ2 так, что
|
|
|
.
Следовательно,
; 
; 
.
Таким образом, благодаря ООС по току воздействие сигнала на вход одного из транзисторов вызывает равные по величине и противоположные по знаку изменения токов и напряжений в обоих транзисторах.
Отметим, что при подаче сигнала на вход транзистора Т2 физические процессы каскада не изменятся. Однако полярность выходного сигнала будет противоположной входному, всвязи с этим, вход транзистора Т1 называют прямым, а вход транзистора Т2 – инверсным. Кроме того, к входам транзисторов можно подключать независимые источники сигналов Uвх1 и Uвх2. В этом случае выходной сигнал (в классе А) может быть найден методом суперпозиции от воздействия каждого из сигналов.
Оценим основные параметры каскада. Для этого учтем, что за счет ООС всегда 
, а приращения тока базы протекают через входные цепи (участки база - эмиттер) двух транзисторов. Значит
. (21.10)
Тогда
.
Если RH= 
, то
. (21.11)
Из (21.11) следует, что ООС не влияет на коэффициент усиления каскада. Следовательно, Rэ может быть достаточно большим.
Входное сопротивление каскада определим с учетом (21.10)
. (21.12)
Аналогично найдем, что и 
.
Таким образом, дифференциальный каскад при его сравнении с усилителем по схеме с общим эмиттером имеет в два раза большие сопротивления Rвх и Rвых, а его коэффициент усиления не зависит от значения Rэ.
59. Операционные усилители. Структурная схема, основные параметры. Применение ОУ для усиления сигналов.
Современные разработчики электронной аппаратуры стремятся использовать готовые функциональные узлы в виде ИМС. Схемные решения ИМС тщательно проработаны и обеспечивают высокое качество аппаратуры. Предприятия, выпускающие микросхемы, заинтересованы в их сбыте. Поэтому они стремятся разработать универсальные микросхемы, которые можно применять в качестве различных функциональных узлов. Это повышает их спрос. Одной из таких ИМС является операционный усилитель (ОУ).
|
|
|
ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки и даже сотни тысяч), большое входное сопротивление (сотни кОм), малое выходное сопротивление (десятки - сотни Ом). Он усиливает широкий спектр частот, вплоть до постоянной составляющей.
Схемное обозначение ОУ приведено на рис. 21.8, а. В обозначении треугольник символизирует усиление и показывает направление со входа на выход. У ОУ пять основных выводов: два для подключения питания, два для подачи входных сигналов и один для снятия выходного сигнала. Один из входов называют неинвертирующим. При подаче сигнала на этот вход выходной сигнал имеет ту же фазу, что и входной. Второй вход ОУ инвертирующий. Полярность выходного сигнала противоположна полярности сигнала, поданного на этот вход. Инвертирующий вход обозначается кружком или знаком «-». Входная цепь, обеспечивающая независимую подачу двух входных сигналов, называется дифференциальной. Дифференциальным называется и ОУ с двумя независимыми входами.
Схема включения дифференциального ОУ для усиления сигналов приведена на рис. 21.9, а.
Динамические свойства ОУ определяются двумя параметрами: частотой единичного усиления f1 и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения vUвых макс.
с ростом частоты модуль коэффициента передачи тока базы транзистора | β | уменьшается и появляется запаздывающий фазовый сдвиг. Это приводит к зависимости КU ОУ от частоты, а именно: с ростом частоты КU также уменьшается. Частота, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы, называется частотой единичного усиления f1. Значение f1 определяет частотную полосу ОУ. У большинства ОУ f1 лежит в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения vUвых макс – это отношение изменения Uвых от 10 до 90% номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение, если на вход подан идеальный скачок напряжения
vUвых макс = dUвых/dt [В/мкС].
|
|
|
Ограниченное значение vUвых макс может приводить к искажению сигнала на выходе ОУ, если его частота больше максимально допустимой fмакс, причем,
, (21.16)
где νн – номинальное значение скорости нарастания выходного напряжения, Um вых – максимальное значение выходного сигнала.
Недостатки операционного усилителя:
1. Коэффициент усиления ОУ КU меняется от экземпляра к экземпляру
в очень широких пределах. Например, для ОУ серии К153УД1 КU = 20000 ÷ 80000.
2. Коэффициент усиления КU сильно зависит от температуры окружающей среды. Это обусловлено зависимостью от температуры коэффициента передачи тока базы транзисторов - b.
3. Большое значение КU ограничивает линейный участок передаточной характеристики ОУ очень малыми напряжениями по входу.
Приведенные недостатки сильно затрудняют применение ОУ непосредственно в качестве усилителя.
Значительно уменьшить недостатки ОУ позволяет применение ОС. Схема ОУ с ОС приведена на рис. 21.10, б. Входной сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС через делитель R1R2 поступает на инвертирующий вход ОУ
, (21.17)
Выходное напряжение ОУ определяется разностью Uвх - UОС. Такая ОС называется отрицательной (ООС
Схема инвертирующего ОУ с ООС приведена на рис. 21.10, в. В схеме входной сигнал и сигнал ООС поступают на инвертирующий вход ОУ. При
этом происходит сложение токов Iвх и Ioc.
Таким образом, введение ООС в схему ОУ позволяет повысить стабильность коэффициента усиления и расширить линейный участок передаточной характеристики.
Полоса пропускания ОУ с ОС лежит в диапазоне от 0 до fмакс, причем,
.
60. Поясните принцип работы, приведите основные параметры однополупериодного выпрямителя.
|
|
|
