М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 32
Текст из файла (страница 32)
7.26. Типичная частотная характеристика многокаскадного усилителя с точками излома на частотах 7",,ут,гт в области высоких частот. ав(сктаау о а о -го о ю кю (а юх (ого (м Частсы (Гн( Рис. 7.27. Типичный результат коррекции запаздывания в усилителе Низкочастотные сигналы, постоянный ток и дифференциальный усилитель 8.1 Введение До сих пор мы рассматривали усилители с разделительными конденсаторами в качестве существенных компонентов, которые пропускают переменные сигналы, но сквозь них не проходят установившиеся постоянные напряжения на входе и на выходе каждого каскада.
Это необходимо, чтобы ни один из каскадов не нарушал работу соседних каскалов. Па рис. 8.1 приведен двухкаскадный усилитель с разделительными конденсаторами и указаны постоянные напряжения в режиме покоя. Мы видим, что конденсатор С, изолирует коллектор транзистора Т, (на котором для правильной работы нужно иметь 4,5 В) от базы транзистора Т,, которая всего лишь на 0,6 В положительнее заземленного эмиттера„как это бывает на смещенном в прямом направлении р-и переходе. Если бы конденсатор С, был опущен и было осуществлено непосредственное соединение между каскадами, то результат был бы самым плачевным: потенциал коллектора Т, удерживался бы на уровне всего лишь 0,6 В относительно земли, а базовым током Т, был бы ток, протекающий по коллекторной нагрузке Т, и равный 2 мА, следствием чего стало бы постоянное пребывание Т, в режиме насыщения.
Это была бы неудачная конструкция! Однако в схеме специального усилителя постоянного тока можно обойтись и без разделительных конденсаторов. Этот принцип используется фактически во всей современной схемотехнике. У этого две основные причины. Первая из них весьма прозаична: в интегральной микросхеме нельзя изготовить конденсаторы емкостью больше нескольких десятков пикофарал. Вторая причина заключается в том, что разделительный конденсатор неизбежно приводит к ослаблению и сдвигу фазы на низких частотах: в конце концов, нет четкого различия между переменными сигналами низкой частоты и медленными изменениями постоянного напряжения, и поэтому невозможно обеспечить изоляцию по постоянному току, не повлияв на прохождение низкочастотных колебаний.
Ослабление на низких частотах 175 ов Рис. 8.1. Схема двухкасклдн ого усилителя с разделительными конденсаторами, на которой указаны типичные значения постоянных напряжений в режиме покоя. 8.2 Ослабление на низких частотах На рис. 8.2 показана подача сигнала на резистивную нагрузку через разделительный конденсатор. На высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора пренебрежимо мало и может быть таким же, как у отрезка проводника. Однако на низких частотах картина меняется, и в результате происходят как ослабление, так и сдвиг по фазе; поэтому такая цепь называется фильтром верхних частот. Следуюшие вычисления показывают, к чему сводится действие последовательно включенного конденсатора.
Согласно схеме на рис. 8.2, 1 коэффициент передачи А = '"' — —, (8.1) Р;„А+(1ДтС) ! +(1ДтСЯ) поэтому величина коэффициента передачи равна )А! =— е ° (ч' гс'аз) и 1А ~ падает на 3 дБ (азу раз) на частоте 7и на которой 1 =1, 4нз )'зСзЯз (8.2) Часто сигналами, которые фактически необходимо усилить, являются постоянные напряжения, например, при усилении сигнала термопары или в следяших системах автоматического регулирования, в которых напряжение сигнала может меняться так медленно, что его следует считать постоянным.
176 Низкочастотные сигналы, постоянный ток и дифференциальный усилитель то есть Сй = 1/2гф~ Подставлял это значение СЯ в (8.1), имеем: (8.3) поэтому (8.4) (А! = ~7РЯ Теперь, если7 »7о то |А~=1, если 7 « 7о то )А( = —; Х. Л' в последнем случае ~А ~ падает наполовину, когда 7 уменьшается вдвое Таким образом, происходит спад со скоростью 6 дБ/октаву, как уже это было в случае высоких частот (параграф 7.7).
Рис. 8 2. Фильтр верхних частот первого порядка. Еслибы « Д то в комплексной форме коэффициент передачи имеет вид: А=/ †. = Х Л Еслибы — фазовый угол между г, и я„, то мнимая часть А ~~~, (7 << 7. ) действительная часть А 0 Таким образом, р = 90', то есть г,„, опережает г„ на 90'. В точке — 3 дБ, то есть на частоте 7 = 7Р имеем: 18р = 1, и я,„, опережает т„ на 45'. Теперь мы можем изобразить амплитудно-частотную и фаза-частотную характеристики этого фильтра верхних частот первого порядка в виде диаграммы Боде (рис.
8.3). Ослабление на низких частотах 177 Коаффнинснт у илсния напра»сина А (ль) Ч стога (Ги) (логарнфннчсская шама) +45 Фааовай слвиг 0 с( (гроауоы) Рис. 8 3. Диаграмма Боле (амплитудио- и фазо-чвстотиая характеристики) ддя фильтра верхних частот первого порядка Если петля отрицательной обратной связи включает фильтр верхних частот, то фазовый сдвиг на низких частотах может вызывать неустойчивость точно так же, как сдвиг фаз на высоких частотах, но в данном случае этой проблемы можно избежать.
Хотя у всех усилителей коэффициент усиления на высоких частотах неизбежно падает, сопровождаемый соответствующим сдвигом фаз, можно так построить усилитель, чтобы его частотная характеристика оставачась ровной при уменьшении частоты до нуля (до постоянного тока); такая характеристика обычна практически для всех интегральных усилителей. В схемах такого рода полностью отсутствуют АС-цепи указанного на рис. 8.2 вида, и такие усилители называются усилителями постоянного тока, хотя обычно с их помощью так же хорошо усиливаются переменные сигналы, и лишь, как всегда, имеет место спад на высоких частотах.
Термин «по постоянному току» ((1(тес( сиггега, ().с.) можно, по существу, интерпретировать как «с непосредственной связью» (Йгес(-соцр1е(1), имея в внду отсутствие разделительных конденсаторов. гг з .«тзр. 178 Низкочастотные сигналы, постоянный ток и дифференциальный )силитель 8.3 Особенности усилителей постоянного тока 8.3. 1 Схема усилителя Узким местом в усилителях без разделительных конденсаторов являются допустимые значения напряжений в схеме. В частности, весьма желательно, чтобы в отсутствие сигнала потенциал как на входе, так и на выходе, был равен потенциалу земли.
Это означает, конечно, что выходное напряжение в режиме покоя больше не может равняться половине напряжения питания (1' ) относительно земли (О В). Может показаться, что в связи с этим ограничением возникает проблема: ведь до сих пор мы предполагали, что начальное значение выходного напряжения должно равняться ~' /2, чтобы были возможны отклонения сигнала как в положительную, так и в отрицательную сторону. Применительно к усилителям постоянного тока эта проблема решается путем применения двух симметричных источников питания: положительного и отрицательного (в этом случае говорят, что схема работает с раздельными источниками питания).
Простой двухтранзисторный усилитель постоянного тока показан на рис. 8.4. Он является модификацией усилителя переменного напряжения, приведенного на рис. 1.20, но здесь применены два источника питания и комплементарные транзисторы (н-р-н и р-н-р ). С помошью делителя напряжения, состояшего из резисторов Я„Я, и Яи потенциал эмиттера Т, поддерживается слегка отрицательным по отношению к земле ( — 0,6 В). Таким образом, Т, оказывается открытым, если его база привязана к земле входным резистором Аг Что касается выхода, то, с одной стороны, мы знаем, что коллектор ьв Рис. 8.4. Простой усилитель постоянного тока, иялюстрируюший использова- ние двух источников питания. Особенности усилителей настоянного тока 179 л-р-л транзистора должен быть положительным по отношению к базе, а с другой стороны, в усилителе постоянного тока нам необходимо, чтобы потенциал коллектора был равен потенциалу земли; только тогда нулевой входной сигнал будет давать нулевой сигнал на выходе.
Этот парадокс разрешается с помощью р-л-р транзистора Т,, который введен для того, чтобы сдвинуть выходное напряжение в режиме покоя обратно к нулю, осуществляя в то же самое время дополнительное усиление. На Т, реализована простая схема стабилизированного по постоянному току каскада усилителя, работающая от двух источников питания +9 В и — 9 В, в которой потенциал базы транзистора задается не делителем напряжения, а коллектором транзистора Тг Начальные условия оптимальны, когда потенциал коллектора Т, в режиме покоя равен потенциалу земли (О В), в результате чего нулевой сигнал на входе Т, дает нулевое напряжение на выходе. Если нулевой сигнал на входе не приводит к нулевому постоянному напряжению на выходе, то говорят, что у этого усилителя есть налрязкение смещения; назначение переменного резистора Я, состоит в том, чтобы с его помощью производить установку нулевого смещения для получения нуля на выходе при подаче нуля на вход, что, до некоторой степени, подобно установке нуля на аналоговом вольтметре, когда с помощью регулировочного винта стрелка устанавливается на начало шкалы в отсутствие сигнала.
Идя назад по схеме усилителя со стороны его выхода, видим, что требование нулевого потенциала коллектора Т, подразумевает падение на резисторе Я, напряжения, точно равного 9 В. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т, должен равняться (9/4700) А или 1,9 мА. Эмиттерный ток величиной 1,9 мА дает падение напряжения 1,9 В на 1-килоомном резисторе Я, в цепи эмиттера, так что потенциал эмиттера Т, будет иметь значение (9 — 1,9) В, то есть 7,1 В.
Выполнение этих условий обеспечивается только тогда, когда потенциал базы транзистора Т„являющегося р-л-р транзистором, на 0,6 В отрицательнее потенциала его эмиттера, то есть равен (7,1 — 0,6) В или 6,5 В. Это подходящее напряжение рабочей точки для коллектора Т„так что два каскада усилителя можно соединить непосредственно. Теперь, мы знаем, что в результате задания с помощью Я, нулевого смешения, режим покоя транзистора Т, автоматически устанавливается нужным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
