Аналоговые электронные устройства (стр. 1 )

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В. В. ДУРКИН

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ

УСТРОЙСТВА

ЧАСТЬ II

Конспект лекций

для студентов специальности 200700
“Радиотехника” всех форм обучения

НОВОСИБИРСК

2001

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

4 5 5 7 11 13 14 16 16 17 20 20 20 21 22 22 23 25 26 26 27 29 29 29 30 30 33 33 33 33 35 36 39 40 40 41

 

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ……………………………………………….………… 5

1.  Обратные связи в АЭУ…………………………………………………………. 6

1.1.  Основные понятия…………………………………………………………. 6

1.2.  Влияние обратной связи на передаточные свойства устройства………. 8

1.3.  Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления……… 12

1.4.  Влияние обратной связи на стабильность коэффициента передачи……

1.5.  Влияние обратной связи на амплитудно-частотную, фазочастотную

и переходную характеристики……………………………………………. 15

1.6.  Влияние обратной связи на внутренние помехи……………………….… 17

1.7.  Влияние обратной связи на нелинейные искажения……………………. 17

1.8.  Устойчивость устройств с обратной связью…………………………….. 18

2.  Режимы работы и цепи питания усилительных элементов………………. 21

2.1.  Режимы работы усилительных элементов………………………………. 21

2.1.1.  Режим А………………………………………………………………… 21

2.1.2.  Режим В………………………………………………………………… 22

2.1.3.  Режим C………………………………………………………………… 23

2.1.4.  Режим D………………………………………………………………… 23

2.2.  Температурная нестабильность режима биполярного транзистора…… 24

2.3.  Температурная нестабильность режима полевого транзистора……….. 26

2.4.  Методы стабилизации…………………………………………………….. 27

2.5.  Обобщенная схема задания и стабилизации рабочей точки…………… 27

2.6.  Схема эмиттерной стабилизации………………………………………… 28

2.7.  Схема коллекторной стабилизации……………………………………… 30

2.8.  Цепи питания полевых транзисторов……………………………………. 30

2.8.1.  Цепи питания с фиксацией напряжения на затворе…………………. 30

2.8.2.  Схемы истоковой стабилизации………………………………………. 31

2.9.  Генераторы стабильного тока…………………………………………….. 31

3.  Каскады предварительного усиления………………………………………... 34

3.1.  Особенности каскадов предварительного усиления…………………….. 34

3.2.  Резисторный каскад на биполярном транзисторе……………………….. 34

3.2.1.  Принципиальная и эквивалентная схемы…………………………….. 34

3.2.2.  Область средних частот………………………………………………… 36

3.2.3.  Область нижних частот и больших времен…………………………… 37

3.2.4.  Область верхних частот и малых времен……………………………… 40

3.3.  Коррекция амплитудно-частотных и переходных характеристик………. 41

3.3.1.  Общие сведения…………………………………………………………. 41

3.3.2.  Схема эмиттерной высокочастотной коррекции………………………. 42

3.3.3. 

42 43 45 45 46 47 50 50 50 51 52 52 53 54 57 60 61 64 64 66 67 68 69 73 75 80 80 81 85 87 89 89 90 92 95

Схема индуктивной высокочастотной коррекции……………………... 43

3.3.4.  Схема низкочастотной коррекции………………………………………. 44

3.4.  Дифференциальный каскад………………………………………………… 46

3.4.1.  Общие сведения…………………………………………………………. 46

3.4.2.  Принцип действия………………………………………………………. 47

3.4.3.  Параметры дифференциального каскада……………………………… 48

3.5.  Усилительные каскады на составных транзисторах…………………….. 51

3.5.1.  Общие сведения………………………………………………………… 51

3.5.2.  Резисторный каскад на составном транзисторе……………………… 51

3.6.  Усилительные каскады с динамическими нагрузками…………………. 52

4.  Устойчивость операционных усилителей…………………………………… 53

4.1.  Устойчивость многокаскадного усилителя постоянного тока………….. 53.

4.2.  Условия устойчивости операционных усилителей……………………… 54

4.3.  Коррекция АЧХ операционных усилителей…………………………….. 55

4.4.  Косвенные признаки относительной устойчивости…………………….. 58

4.5.  Влияние емкости нагрузки и входной емкости на устойчивость ОУ….. 61

4.6.  Частотная коррекция в цепи ОС…………………………………………. 62

5.  Обработка аналоговых сигналов операционными усилителями……….. 65

5.1.  Инвертирующий усилитель ……………………………………………… 65

5.2.  Неинвертирующий усилитель……………………………………………. 67

5.3.  Суммирующий усилитель………………………………………………… 68

5.4.  Дифференциальный усилитель…………………………………………… 69

5.5.  Интегратор…………………………………………………………………. 70

5.6.  Дифференциатор…………………………………………………………... 73

5.7.  Логарифмирующий и антилогарифмирующие усилители……………... 76

6.  Перемножители напряжений………………………………………………….. 80

6.1.  Общие сведения……………………………………………………………. 80

6.2.  Перемножители с переменной крутизной………………………………... 82

6.3.  Интегральные перемножители и их параметры…………………………. 86

6.4.  Особенности применения интегральных перемножителей……………… 88

7.  Компараторы напряжения…………………………………………………….. 90

7.1.  Назначение, параметры…………………………………………………… 90

7.2.  Особенности применения полупроводниковых компараторов………… 91

7.3.  Спезиализированные компараторы на операционных усилителях…… 93

8.  Литература………………………………………………………………………. 96

Основные сокращения

АЧХ – амплитудно – частотная характеристика

АЭУ – аналоговое электронное устройство

БТ – биполярный транзистор

ВСП – входная статическая погрешность

ГСТ – генератор стабильного тока

ДК – дифференциальный каскад

ДС – дифференциальные сигналы

ДУ – дифференциальный усилитель

ДФ – дифференциатор

ИМС – интегральная микросхема

ИУ – инвертирующий усилитель

КОП – канал обратной передачи

КПД – коэффициент полезного действия

КПП - канал прямой передачи

КПУ – каскады предварительного усиления

ЛУ – логарифмический усилитель

НУ – неинвертирующий усилитель

ОБ, ОК, ОЭ – схемы включения с общей базой, эмиттером и коллектором

ОС – обратная связь

ООС – отрицательная обратная связь

ОУ – операционный усилитель

ПН – перемножитель напряжений

ПОС – положительная обратная связь

ПТ – полевой транзистор

ПХ – переходная характеристика

СС – синфазные сигналы

СТ – составной транзистор

УИТ – управляемый источник тока

ЦОС – цепь обратной связи

УПТ – усилитель постоянного тока

УЭ – усилительный элемент

ФЧХ – фазочастотная характеристика

1. Обратные связи в АЭУ

1.1. Основные понятия

Рис.1.1. Общая схема АЭУ с обратной связью

Об обратной связи (ОС) говорят тогда, когда выходная величина устройства может воздействовать на входную. Элемент, передающий это воздействие, называ
ется цепью ОС (ЦОС) (рис. 1.1). В узле 1 происходит сложение сигналов (напряжений или токов), поступающих от источника сигнала и с выхода ЦОС. Если эти сигналы складываются в фазе, т. е. при введении ОС уровни сигналов в узлах 1 и 2 повышаются, то такая ОС называется положительной (ПОС). Если же сложение сигналов происходит в противофазе, что приводит к снижению уровней сигналов в узлах 1 и 2, то это отрицательная ОС (ООС).

Если сложение сигналов в узле 1 происходит со сдвигом по фазе и , то такая ОС называется комплексной. Причём, если уровни сигналов в узлах 1 и 2 возрастают, то это комплексная ПОС, а если убывают то комплексная ООС. Очевидно, что в зависимости от частоты сигнала ОС может оказаться отрицательной, положительной или комплексной в одном и том же устройстве. Это объясняется тем, что в устройстве с ОС содержатся элементы (пассивные и активные), вносящие частотно-зависимые фазовые сдвиги. Поэтому при изменении частоты в широком диапазоне ОС может поменять свой знак (вид) не один раз. Если говорят, что усилитель охвачен ООС, то имеют ввиду вполне определенный, достаточно узкий, диапазон частот вблизи средней частоты f0 (для усилителя переменного тока). Хотя на краях полосы пропускания, а тем более вне её, ОС может изменить свой знак. В дальнейшем слово "комплексная" в определении ОС мы будем опускать, называя ОС положительной, если происходит возрастание сигналов в узлах 1 и 2 и отрицательной при их убывании.

В АЭУ в основном используется ООС, так как правильно выбранная ООС способствует стабилизации характеристик АЭУ, уменьшению линейных и нелинейных искажений, подавлению внутренних помех, повышению входного и уменьшению выходного сопротивлений. Ограниченное применение ПОС связана с тем, что этот вид ОС часто (но не всегда!) приводит к самовозбуждению устройства, т. е. превращает его в генератор незатухающих колебаний.

ОС принято называть частотно-независимой, если коэффициент передачи ЦОС не зависит от частоты, в отличие от частотно-зависимой, где эта зависимость имеет место.

Если ОС возникает за счет элемента, чаще всего активного, который является неотъемлемой частью АЭУ, то такая связь называется внутренней

Внешняя ОС реализуется с помощью отдельного четырехполюсника, который определенным образом подключается между выходом и входом устройства. В зависимости от способа подключения ЦОС к выходу АЭУ различают ОС по напряжению и току, а по способу её подключения к выходу АЭУ ОС подразделяется на последовательную и параллельную ( рис. 1.2).

Действие ОС по напряжению (рис.1.2, а и в) не проявляется в режиме короткого замыкания на выходе (Z2 = 0), а ОС по току – в режиме холостого хода (). Последовательная ОС (рис.1.2, а и б) не функционирует при возбуждении устройства от источника сигнала с бесконечно большим сопротивлением (), т. е. в режиме холостого хода на входе, а параллельная ОС – в режиме короткого замыкания (Z1 = 0).

На рис. 1.3 приведены принципиальные схемы устройств с последовательной ООС по напряжению. На рис. 1.3, а напряжение от источника сигнала подается на неинвертирующий вход, т. е. полярности входного U1 и выходного U2 сигналов совпадают. ОУ реагирует на разность сигналов , где – напряжения на выходе ЦОС. Значит связь – отрицательная. В режиме короткого замыкания на выходе (R2 = 0) или в режиме холостого хода на входе (R1 = ) ОС не проявляется, т. е. это последовательная ООС по напряжению. Особенностью схемы рис. 1.3, б является равенство выходного напряжения U2 и напряжения ОС (100% ОС). Эквива -

лентное сопротивление источника сигнала включает в себя как сопротивление реального источника R1, так и сопротивления элементов связи (С1, Rб1, Rб2).

Рис. 1.3. Схемы устройств с последовательной ООС по напряжению: а - неинвертирующий усилитель; б - эмиттерный повторитель

 

Если в коллекторную цепь транзистора в схеме рис. 1.3, б включить резистор R3 и выход снимать с коллектора, то получим последовательную ООС по току, т. к. при коротком замыкании на выходе (R3 = 0) ОС будет работать.

В инвертирующем усилителе (рис.1.4) имеет место параллельная ООС по напряжению. Связь отрицательная, т. к. ток источника сигнала i1 втекает в узел 1, а ток ОС i2B вытекает. Параллельность ОС следует из её исчезновения при коротком замыкании на входе (R1 = 0), поскольку в этом случае ЦОС оказывается нагруженной на идеальный генератор ЭДС с нулевым внутренним сопротивлением.

Кроме вышеперечисленных ОС следует различать местную и общую ОС. Под первой понимают ОС, охватывающую один каскад усилителя, а под второй – весь усилитель или несколько каскадов.

1.2. Влияние ОС на передаточные свойства

устройства

Основное назначение ОС – передача сигнала с выхода устройства на его вход. Кроме того, существует и побочное (как правило нежелательное) влияние ОС на параметры и характеристики устройства. Во-первых, ЦОС шунтирует вход и выход устройства. Во-вторых, через ЦОС сигнал может просачиваться и в прямом направлении: с входа устройства на его выход. Классическая теория ОС пренебрегает побочным влиянием ОС, считая устройство с ОС однонаправленной системой (передача сигнала происходит только по направлениям, указанным стрелками на рис. 1.1), состоящей из взаимно независимых функциональных элементов: устройства и ЦОС. Однако, если допущение об однонаправленности системы имеет место для большинства реальных схем с ОС, то пренебрежением шунтирующим влиянием ЦОС может привести не только к количественным, но и качественным неверным выводам о характере воздействия ОС на параметры устройства.

Проблема учета взаимного влияния устройства и ЦОС решается наиболее просто, если для исследования систем с ОС использовать метод четырехполюсника (разд. 3.2 в [1] ), основанный на представлении устройства с ОС в виде регулярного встречного соединения двух трехполюсников: устройства без ОС и ЦОС, так как вход ЦОС подключен к выходу устройства, а выход ЦОС – к его входу. Так, например, параллельную ОС по напряжению (рис.1.2 в) можно рассматривать как встречное регулярное параллельное соединение этих трехполюсников. В табл. 3.1 [1] приведены y – параметры согласного соединения (вход со входом, выход с выходом) трехполюсников. Индексы "I" и "II" означают принадлежность y – параметров к устройству и ЦОС. Для перехода к y – параметрам встречного соединения необходимо сделать замену: , , , . Зная y – параметры соединения и воспользовавшись табл. 4.1 [1], можно найти выражение для параметров устройства с ОС.

Рассмотрим изложенную методику на примере вывода выражения для сквозного коэффициента передачи по напряжению усилителя, охваченного параллельной ОС по напряжению (рис. 1.2, в).

Для встречного регулярного параллельного соединения двух трехполюсников (ЦОС и устройством без ОС)

(1.1)

Допущения об однонаправленности системы математически записывается как и .

Подставляя y – параметры из (3.1)в выражения для сквозного коэффициента передачи по напряжению любого линейного четырехполюсника (табл. 4.1 [1])

(1.2)

и полагая, что условие однонаправленности системы выполняется, получим

, (1.3)

где индекс "F" означает принадлежность данного параметра устройству, охваченного ОС, , - проводимости источника сигнала и нагрузки.

При исследовании конкретных схем с ОС разделение схемы на ЦОС и основное устройство часто вызывает затруднения. Поэтому логичнее устройство с ОС представить в виде соединения каналов прямой и обратной передач (КПП и КОП). КПП отвечает за передачу сигнала в прямом направлении, т. е. с входа устройства на его выход, а КОП – в обратном: с выхода на вход. Если принять допущения классической теории ОС (однонаправленность и взаимная независимость каналов), то коэффициенты передачи КПП и КОП будут совпадать с коэффициентами передачи устройства без ОС и ЦОС.

При определении коэффициента передачи КПП (* ) будем учитывать шунтирующее влияние КОП (ЦОС). При нахождении же коэффициента передачи КОП влиянием КПП пренебрегаем, т. к. взаимное влияние каналов было уже учтено при определении * . Такое разделение КПП и КОП обладает достаточной наглядностью и дает аргументированный ответ о возможности применения допущения о взаимной независимости этих каналов.

Из (1.3) следует, что ,

.

Умножая и деля второй член в квадратных скобках на проводимость и вводя обозначение

, (1.4)

получим

, (1.5)

где B– коэффициент передачи ЦОС.

Таблица 1.1. Значения параметров выражения (1.5) для различных видов ОС

Вид ОС
Параллельная по напряжению
Последовательная по напряжению
Параллельная по току
Последовательная по току

Обратите внимание, что коэффициент передачи КПП Ke* – это коэффициент передачи устройства с учетом шунтирующего влияния ЦОС!

Выражение (1.5) справедливо для любого вида ОС, только в зависимости от вида ОС будут изменяться значения параметров, входящих в это выражение (табл. 1.1).

Как видно из рис.1.2, в КПП и ЦОС составляют замкнутое кольцо, которое принято называть петлей обратной связи. Для количественной оценки ОС применяют коэффициент усиления вдоль разомкнутой петли ОС, который называется коэффициентом петлевого усиления и обозначается через . Очевидно, что

(1.6)

Наряду с используется возвратное отношение

(1.7)

и глубина ОС (возвратная разность)

(1.8)

– параметр, показывающий, как изменится коэффициент передачи устройства при введении ОС.

Из (1.5), (1.6) и (1.8) следует, что

. (1.9)

Если шунтирующим влиянием ЦОС можно пренебречь то, вне зависимости от вида ОС, из табл. 1.1 получим, что

, (1.10)

а выражение (1.9) примет классический вид

. (1.11)

Возвратное отношение (1.7) – величина комплексная, характеризуемая модулем T и аргументом , где и – аргументы комплексных коэффициентов передачи и . Отрицательный знак перед в (1.7) говорит о том, что петля ОС спроектирована таким образом, что включает постоянный (частотно-независимый) фазовый сдвиг равный .

Аргумент же зависит от частоты и при фазовый сдвиг вдоль петли ОС будет равен или , а при – , т. е. в первом случае ОС – положительная, а во втором – отрицательная (см. разд. 1.1). Так как на разных частотах значения различно, то вид ОС при изменении частоты от 0 до будет меняться не один раз, в зависимости от числа нулей и полюсов передаточной функции T(p).

Таким образом, при , т. е. при ООС

и глубина ОС

, (1.12)

т. е. ООС уменьшает коэффициент усиления в F раз, что является наиболее существенным недостатком такого вида ОС.

При ПОС и , а

. (1.13)

При T = 1 F = 0 и , что физически соответствует самовозбуждению устройства, т. е. оно превращается в генератор незатухающих колебаний. Возбудившееся устройство не может выполнять свои прямые функции, поэтому самовозбуждения устройства в эксплуатационных условиях недопустимо. Более подробно вопросы устойчивости устройств с ОС будут изложены в разд. 1.8.

1.3. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления

Влияние ОС на входное сопротивление зависит от знака, глубины и способа подачи ОС на вход устройства и не зависит от способа снятия ОС с его выхода.

Для получения количественных соотношений следует воспользоваться теоремой Блекмана.

(1.14)

где , – сопротивление между двумя любыми точками схемы без ОС и при наличии её; – глубина ОС в режимах короткого замыкания и холостого хода между этими же точками.

Для входного сопротивления выражение (1.14) примет вид

, (1.15)

где индекс "1" у глубины ОС говорит о том, что соответствующие режимы осуществляются на входе устройства.

Если связь параллельная (рис. 1.2,в и рис. 1.2,г), то F1КЗ = 1 (ОС в режиме короткого замыкания, т. е. при Z1 =0, не действует) и

. (1.16)

При ООС и , т. е. параллельная (не важно по току или напряжению) ООС уменьшает входное сопротивление устройства.

Выражение для через y-параметры можно найти, если воспользоваться табл.1.1. Например, для параллельной ООС по напряжению и при отсутствии шунтирующего влияния ЦОС.

и

. (1.17)

Из неравенства следует, что ОС сильнее влияет на входное сопротивление, чем на коэффициент передачи. Причем это утверждение относится к любому способу подачи ОС на вход устройства. Физически это можно объяснить следующим образом. Входное сопротивление устройства с ОС (рис.1.2 в) . При введении ООС , т. е. ЦОС подает на входной узел ток ОС, но не нагружает этот узел дополнительной проводимостью (мы сделали допущения об отсутствии шунтирующего влияния ЦОС). Выходное напряжение . Коэффициент передачи K=U2/U1=const определяется только параметрами АЭУ и не зависит от того, есть ОС или нет, . Таким образом, при введении ООС возрастает ток , потребляемый от источника сигнала, уменьшая напряжение и , а значит и коэффициент передачи . Входное сопротивление будет изменяться сильнее, так как будет не только уменьшаться напряжение , но и возрастать ток .

При последовательной ОС (рис. 1.2 а и рис. 1.2 б) (ОС не действует в режиме холостого хода на входе) и из (1.15) следует, что

. (1.18)

Таким образом, последовательная ООС () увеличивает входное сопротивление устройства, что во многих случаях является положительным фактором.

Если воспользоваться формулой Блекмана для выходного сопротивления, то

(1.19)

где ,– глубина ОС в режиме короткого замыкания (Z2 = 0) или холостого хода (Z2 = ) на выходе устройства.

Влияние ОС на выходное сопротивление определяется знаком ОС, её глубиной и способом снятия с выхода устройства и не зависит от способа подачи на его вход.

При ОС по напряжению = 1 и

. (1.20)

Таким образом, ООС данного типа уменьшает выходное сопротивление, т. к. при этом , что очень часто является положительным фактором.

При ОС по току = 1 и

, (1.21)