Параметры и характеристики аналоговых устройств (стр. 2 )

В усилительных каскадах расширение полосы пропускания связано с потерей части выходной мощности в резисторах корректирующих цепей (КЦ) либо цепей обратной связи. От выходных каскадов усилителей требуется, как правило, получение максимально возможной выходной мощности в заданной полосе частот. Из теории усилителей известно, что для выполнения указанного требования необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого можно достигнуть, включив выходную емкость транзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ.

2.1.4. Каскады предварительного усиления Основным требованием, предъявляемым к каскадам предварительного усиления, обычно является наибольший коэффициент усиления при заданной частотной, фазовой или пере­ходной характеристике. Исходя из этого, в каскадах предваритель­ного усиления используют маломощные усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления и так выбирают режим их ра­боты, способ включения и детали схемы, чтобы получить возможно большее усиление сигнала при малом расходе питающей энергии.  Усилительные каскады с общим эмиттером При положении рабочей точки в середине входных величин на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет одно центральное устойчивое состояние, отклонения от центрального состояния и крайние состояния — неустойчивы, каскад при этом является усилителем гармонических сигналов. При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет два устойчивых крайних состояния и неустойчивое центральное состояние, каскад при этом является переключательным, работает в ключевом режиме, как реле (закрыт, открыт) и применяется как инвертор в логических элементах. Как и контактные группы реле, переключательные каскады могут быть нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки на проходной характеристике.

Истоковый и эмиттерный повторители Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало. В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.  В истоковом повторителе все выходное напряжение прикладывается к входу с противоположным знаком. Следовательно, в этом случае образуется стопроцентная отрицательная обратная связь по напряжению. По переменному току сток соединен с общей шиной и является общим для входных и выходных сигналов.

2.1.5.  Оконечные каскады В оконечных каскадах, начиная с первого серийного типа усилителей, используется только двухтактная схема включения ламп. В отношении типов ламп, используемых в оконечных каскадах, можно наблюдать, как успехи в развитии советской вакуумной техники непосредственно определяли выбор ламп. Однотактные усилители в ламповых приемниках применяются при выходной мощности не более 4...5 Вт. При больших выходных мощностях, как правило, используются двухтактные усилители. Наиболее простая схема оконечного каскада - схема с непосредственным включением нагрузки. В большинстве широко распространенных бестрансформаторных усилителей мощности звуковой частоты выход предварительного каскада, работающего в режиме класса А, не симметричен по отношению к входу оконечного двухтактного каскада, симметричного по своей природе. Это обстоятельство не позволяет обеспечить оптимальное согласование каскадов усилителя, что приводит к возникновению дополнительных нелинейных искажений. В предлагаемом усилителе мощности колебаний звуковой частоты, схема которого показана на рис. 1, предварительный каскад, как и оконечный, выполнен двухтактным. Использование единой принципиальной основы для построения всех каскадов усилителя создает условия для оптимального согласования каскадов и, как следствие этого, для снижения нелинейных искажений усилителя. Кроме того, общеизвестно, что двухтактные каскады обладают такими немаловажными преимуществами, как пониженная чувствительность к пульсациям питающего напряжения и меньший уровень четных гармоник. Симметричность всех каскадов усилителя позволила без принятия специальных мер устранить щелчки, которые слышны в динамических головках громкоговорителя при включении и отключении питания. Двухтактный каскад усиления мощности. Свойства двухтактного каскада. Данный тип каскадов является основным для каскадов усиления мощности. Разновидности двухтактного каскада – трансформаторный и безтрансформаторный. Особенности: 1) Каскад состоит из двух симметричных плеч;2) Оба плеча возбуждаются противофазно. вухтактные каскады обладают следующими свойствами:1) В двухтактном каскаде отсутствует постоянный ток подмагничивания трансформатора, поэтому магнитная проницаемость сердечника трансформатора возрастает, поэтому при заданной идуктивности первичной обмотки можно уменьшить габариты трансформатора.2) В безтрансформаторной схеме через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток, нагрузку можно подключать через разделительный конденсатор.3) В разностном токе отсутствуют четные гармоники. хемы трансформаторных двухтактных каскадов. Используются в основном схемы с общим эмиттером и общей базой. 1) Классическая схема с общим эмиттером 2) Схема с дифференциальным каскадом. Вместо сопротивления Rэ можно включить генератор стабильного тока. Транзисторы двухтактного каскада включены по схеме с общим эмиттером. Данная схема обладает минимальной мощностью возбуждения (повышенным коэффициентом усиления), но также бльшими нелинейными искажениями по сравнению со схемой, где транзисторы включены с общей базой. 3) Схема с общей базой. Сопротивления R1, R2- делитель цепи смещения. Схема с общей базой требует на входе дополнительной мощности для возбуждения, поэтому предоконечный каскад должен также быть усилителем мощности. На выходе каскада получаем большую мощность по сравнению со схемой с общим эмиттером при меньших нелинейных искажениях, так как во входной цепи присутствует последовательная отрицательная обратная связь по току. Схемы с общим коллектором в трансформаторном варианте не рассматриваются. Безтрансформаторные каскады обладают меньшими массогабаритными параметрами, в них отсутствуют линейные и нелинейные искажения за счет трансформатора.

2.1.6.  Усилители постоянного тока Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, терминУПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе. В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

Причины возникновения дрейфа:1) Температурный дрейф, вызванный температурной нестабильностью режима покоя в каскадах. Наиболее существенный вклад в дрейф усилителя вносят первые каскады, так как их дрейф усиливается последующими каскадами.
2) Старение элементов схемы. С течением времени изменяются как параметры самих транзисторов, так и остальных элементов каскада.
3) Нестабильность источников питания. Колебания напряжения источника питания приводит к колебаниям напряжения покоя и положения рабочей точки. При возникновении дрейфа нуля происходит смещение амплитудной характеристики усилителя. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ДРЕЙФА НУЛЯ 1) Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура. 2) Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима. 3) Использование ООС. 4) Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из основных каскадов операционного усилителя. Дифференциальный каскад (ДК) представляет собой мостовую схему, в плечах которой включены идентичные элементы. В аналоговых интегральных микросхемах вследствие того, что все элементы создаются в едином технологическом процессе, практически обеспечивается идентичность резисторов и транзисторов. ДК питается от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, что позволяет подавать сигналы непосредственно на базы транзисторов. Если входы транзисторов заземлены, то токи транзисторов одинаковы, и вследствие идентичности резисторов Rk1 и Rk2 напряжение на дифференциальном выходе Uвых. д меду колекторами будет равно нулю.

2.1.7.  Операционные усилители и их применение Операционным (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления с двумя высокоомными входами и одним низкоомным выходом, предназначенный для построения разно­образных узлов электронной аппаратуры. Первые ОУ появились до разработки интегральных микросхем. Они были выполнены на электронных лампах и впервые использовались в узлах аналого­вых ЭВМ, реализующих различные математические операции: суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время на основе ОУ выполняют более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры. Для ОУ общего применения В ряде случаев к параметрам ОУ не предъявляется особых требований. Тогда на первое место выходят экономические соображения. Как известно, цены на микросхемы в значительной степени зависят от массовости их выпуска. Применяя стандартные микросхемы, можно быть уверенным в их дешевизне и доступности. Мы рекомендуем следующие типы ОУ общего назначения: одиночные - uA741, сдвоенные - LM358 и счетверенные - LM324. Эти усилители обладают сбалансированными параметрами и чрезвычайной распространенностью. В каждом из вышерассмотренных классов ОУ тоже есть определенные <лидеры> с экономической точки зрения. Так, в классе прецизионных ОУ, самым доступным является OP07; среди ОУ с высоким входным сопротивлением - серия TL071/2/4 - TL081/2/4; из микромощных можно рекомендовать TL061/2/4; из аудио - NE5532/34; недорогими быстродействующими (до определенной степени) можно считать OP27/37 или LF357. Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладаютстабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ. Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ. Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах. Инвертирующий усилитель Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу). Третий резистор с сопротивлением, равным (сопротивление параллельно соединенных резисторов Rf и Rin), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещенияЕсли Rin = 0, то схема реализует собой линейный преобразователь ток-напряжение. Неинвертирующий усилитель Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы) Третий резистор с сопротивлением, равным (сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения. RC-фильтры В выпрямителях малой мощности в некоторых случаях применяют фильтры, состоящие из активного сопротивления и ёмкости. В таком фильтре относительно велико падение напряжения и потери энергии на резисторе R, но габариты и стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-емкостного. Значение сопротивления фильтра R определяется исходя из оптимальной величины его коэффициента полезного действия. Оптимальное значение КПД лежит в пределах от 0.6 до 0.8. Расчёт П-образного активно-емкостного фильтра производится так, как и в случае П-образного LC - фильтра, путём разделения этого фильтра на емкостной и Г-образный RC-фильтры.