Ю.И. Воронцов, И.А. Биленко - Методическая разработка по радиофизике (1119794), страница 10
Текст из файла (страница 10)
5.10: Эквивалентная схема усилителя на биполярном транзисторена рис.5.10. Учтя, что i2 = −u2 /R, из уравнений (5.16) и (5.17) получимu2 = −h21 u1.h11 (h22 + 1/R) − h21 h12(5.18)Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора. В схемах с общимэмиттером и с общей базой h21 h12 < h11 h22 , h12 1 и 1/R h22 . Соответственно, отбросивв (5.18) относительно малые величины, получим (сравните с (5.7))u2h21 R=−.(5.19)u1h11Способ задания рабочей точки в схеме с транзистором.Принцип создания рабочего режима в усилителе на биполярном транзисторе отличаетсяот принципа смещения рабочей точки в схемах с полевым транзистором. У полевого транзистора ток I2 при U1 = 0 больше тока I20 в рабочем режиме.
Уменьшить его до нужногозначения помогает сопротивление Rсм в цепи истока. У биполярного транзистора ток I20меньше рабочего тока I20 . В схеме с биполярным транзистором рабочая точка (U20 , I20 )задается с помощью постоянного тока базы I10 . Для этого база соединяется с батареейпитания через сопротивлениеE − U10ERБ ='I10I10K0 ≡(рис.5.11).65ERI10RTU1IРис. 5.11: Схема усилителя на биполярном транзистореНедостатком такой схемы смещения является относительно большая зависимость режима транзистора от температуры.
Более стабильной является схема рис.12, в которойдобавлены сопротивления RБ1 и RЭ . Сопротивление RЭ в цепи эмиттера улучшает стабильность усилителя за счет отрицательной обратной связи по току, но одновременно иуменьшает усиление. При желании исключить отрицательную обратную связь на частотахсигнала, сопротивление RЭ , как и в схеме с полевым транзистором, следует шунтироватьконденсатором.ERRTR2RIРис.
5.12: Схема усилителя на биполярном транзисторе c обратной связью665.4Обратная связь в усилителях.Обратной связью (ОС) называют передачу части выходного сигнала на вход усилителя.Блок-схема усилителя с обратной связью изображена на рис.5.13. Знаком "+"обозначенузел суммирования сигнала генератора и сигнала обратной связи. В рассматриваемойSg+SinSoutKβРис. 5.13: Блок-схема усилителя с обратной связьюсхемеSin = Sg + Sβ ,Sβ = βSout ,Sout = KSin = K(Sg + βSout ).Следовательно, коэффициент передачи усилителя с обратной связьюKSout=.Sg1 − βKKβ ≡(5.20)В частотном представленииK̃β (ω) =K̃(ω).1 − β̃(ω)K̃(ω)(5.21)Представив,K̃(ω) = K(ω)eiϕK ,β̃(ω) = β(ω)eiϕβ ,найдем модуль коэффициента передачи|K̃β (ω)| = pK(ω)1 − 2βK cos ϕ + (βK)2,(5.22)где ϕ = ϕβ + ϕK — суммарный сдвиг фаз в усилителе и цепи обратной связи.Обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления, считается положительной, в противном случае — отрицательной.
Обратная связь получается положительной при cos ϕ > 0, отрицательной — при cos ϕ < 0.Сигнал обратной связи может быть пропорционален выходному напряжению или выходному току. В первом случае говорят об обратной связи по напряжению, во втором— по току. Примером последней являются схемы рис.6 и рис.12.Влияние отрицательной обратной связи (ООС) на параметры усилителя.Обратная связь (положительная и отрицательная) влияет на все параметры усилителя:67коэффициент усиления, полосу частот, входное и выходное сопротивления, стабильностьработы усилителя.Отрицательная обратная связь обладает одним замечательным свойством, широко используемым при создании стабильных усилителей с нужными характеристиками.
Из соотношения (5.21) следует, что при|βK| 1(5.23)K̃β (ω) ' −1.β̃(ω)(5.24)Коэффициент усиления в этом случае определяется только цепью обратной связи и не зависит от коэффициента усиления K базового усилителя. Цепьобратной связи обычно состоит из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности), обладающих относительно высокой стабильностью. Соответственно,стабильным будет и коэффициент усиления Kβ .Чтобы соотношение (5.23) выполнялось при малом значении β в широком диапазоне частот, базовый усилитель должен иметь в том же диапазоне частот большой коэффициентусиления. Специально разработанные для использования в качестве базовых усилителиназваны операционными усилителями.685.5Операционные усилителиОперационный усилитель (ОУ) - это усилитель (обычно выполненный в виде интегральноймикросхемы), специально разработанный для использования в схемах с глубокой отрицательной обратной связью (ОС).Операционные усилители, как правило, имеют дифференциальный вход (см.
рис.5.14), то есть усиливаемым сигналом являетсяu− _разность потенциалов между двумя входами ОУ. Один из входовuявляется неинвертирующим входом. При положительном потенu+ +циале на нем выходное напряжение также положительное. Другойвход является инвертирующим. При положительном потенциалена нем выходное напряжение отрицательно. Упрощенная эквивалентная схема ОУ изображена на рис. 5.15.u−u+Рис.5.14:Схематическоеизображение ОУRoutRinK(u+− u− )uРис.
5.15: Упрощенная эквивалентная схема ОУКоэффициент передачи операционного усилителя без обратной связиK̃оу (ω) =Kоу (0)Kоу (0)=,1 + iω/ωв1 + iKоу (0)f /f1(5.25)гдеf1 = (ωв /2π)Kоу (0)— частота, на которой коэффициент усиления равен единице (частота "единичного усиления"). Коэффициент усиления реальных ОУ на нулевой частоте 104 − 107 . Частота "единичного усиления"современных ОУ 106 − 109 Гц. Входное сопротивление Rin ОУ, входнойкаскад которых выполнен на биполярных транзисторах, составляет 105 − 107 Ом.
Если жево входном каскаде использованы полевые триоды, Rin может достигать 1012 Ом. Выходное сопротивление лежит в диапазоне от единиц до нескольких сотен Ом.В случае операций с единственным источником сигнала, он подключается к одному извходов. Другой вход "заземляется". Если при этом сигнал подается на неинвертирующийвход, усилитель называется неинвертирующим.
В другом случае — инвертирующим.5.6Неинвертирующий усилитель.Принципиальная схема неинвертирующего усилителя с обратной связью по напряжениюизображена на рис.5.16. В этой схеме напряжение обратной связи (в комплексном пред69ставлении)Z1Z2u−uu+uРис. 5.16: Неинвертирующй усилитель на ОУZ1Ũвых .Z1 + Z2Разность напряжений на дифференциальном входеŨβ = Ũ − =Ũ + − Ũ − = Ũвх + β Ũвых ,гдеβ̃ = −Z1.Z1 + Z2(5.26)Здесь и далее под символами Ũ , β̃, Z подразумеваются соответствующие комплексные функции частоты.Выходное напряжениеŨвых = Koy (Ũ + − Ũ − ) = Koy (Ũ + + β̃ Ũвых ).Следовательно, коэффициент усиления неинвертирующего усилителяK̃ + ≡5.7Koy1Z2Ũвых='− =1+ .Z1Ũвх1 − β̃Koyβ̃(5.27)Инвертирующий усилитель.Принципиальная схема инвертирующего усилителя изображена на рис.5.17. Здесь напряжение на инвертирующем входеŨ − = Ũвх − I˜вх Z1 ,а входной токŨвх − ŨвыхI˜вх =.Z 1 + Z270(5.28)(Входным током операционного усилителя Ũ − /Rin при |Z2 | Rin можно пренебречь.)Выходное напряжениеZ2+−−Ũвых = Koy (Ũ − Ũ ) = −Koy Ũ = −Koy Ũвх− β̃ Ũвых .Z1 + Z2Z2Z1u−uu+uРис.
5.17: Инвертирующй усилитель на ОУСледовательно, коэффициент усиления инвертирующего усилителяK̃ − =−KoyZ21 − β̃Koy Z1 + Z2(5.29)по модулю в |Z2 /(Z1 + Z2 )| раз меньше K + . Это связано с тем, что входное напряжениепоступает на Инвертирующий вход ОУ ослабленным в это число раз.При |β̃Koy | 1 из (5.29) получимZ2K̃ − = − .(5.30)Z1При большом усилении различие между модулями K + и K − пренебрежимо мало. Однако инвертирущие и неинвертирующие усилители существенно различаются по входномусопротивлению.Входное сопротивление неинвертирующего усилителя.По определениюŨвхZвх =.I˜вхПоскольку в этой схеме Ũвх = Ũ + и Koy (Ũ = − Ũ − ) = K̃ + Ũ + , тоZ + вх =Koy (Ũ + − Ũ − )Koy=Rin > Rin .K̃ +I˜вхK̃ +(5.31)Входное сопротивление неинвертирующего усилителя больше входного сопротивления ОУ в Koy /K̃ + раз.71Входное сопротивление инвертирующего усилителя.Из соотношений (5.28), (5.30)ŨвхŨвх − K̃ − Ũвх=.I˜вх =Z 1 + Z2Z1Следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя−Zвх= Z1 .(5.32)Оно в K − /Koy раз меньше входного сопротивления Rin ОУ.Влияние обратной связи на выходное сопротивление усилителя.По определениюŨвыхZвых =.I˜выхИзмерять выходное сопротивление можно различными способами.
Например, в соответствии с определением для измерения Zвых можно подать на выход усилителя напряжение и измерить создаваемый им ток. Входное напряжение при этом должно быть равно0. В этом измерении схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя будут идентичными. Следовательно, одинаковыми будут и их выходные сопротивления.
При такомизмерении выходной ток будет равенŨвых − Koy Ũ −.I˜вых =Rout(Током через цепь обратной связи пренебрегаем.) Когда Ũвх = 0, Ũ − = −β̃ Ũвых . Из этихсоотношений получимZвых =RoutK̃ +' Rout.Koy1 − β̃KoyЭто подтверждает общую закономерность: отрицательная обратная связьпо напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя. (Связь по напряжению — связь, при которой сигнал обратной связи снимается с нагрузки усилителя.)Также известно, что отрицательная обратная связь по току, т.е. когда напряжениеобратной связи берется с сопротивления, включенного последовательно с выходным Routи с нагрузкой, увеличивает выходное сопротивление.5.8Усилители низкой частоты на ОУ.Неинвертирующий УНЧ.Принципиальная схема неинвертирующего УНЧ на ОУ изображена на рис.5.18.
В этойсхемеR21Z1 = R 1 +, Z2 =.iωC11 + iωR2 C2Соответственно, коэффициент усиления напряжения72C2R1C1R2uuРис. 5.18: Неинвертирующй усилитель низких частотK̃ + = 1 +Z2Z21iωR1 C1'= K0,Z1Z11 + iωR2 C2 1 + iωR1 C1(5.33)где K0 = R2 /R1 . Если 1/R2 C2 1/R1 C1 , то в области низких частот определяющим будетпоследний сомножитель в (5.33), а в области высоких частот — второй. Соответственно,нижняя частота такого усилителя будет равнаωн =1,R1 C1а верхняя : ωв =1.R2 C2(5.34)Инвертирующий УНЧ.Принципиальная схема инвертирующего УНЧ на ОУ изображена на рис.5.19. И в этомслучае коэффициент усиления с точностью до знака определяется правой частью соотношения (5.33).73C2R1C1R2uuРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
