Вопрос 4. Типовые усилительные каскады….

Усилительный каскад – минимальная часть усилителя, сохраняющая его функции. Обычно содержит один или несколько усилительных элементов и относящиеся к нему пассивные элементы, обеспечивающие его работу.

Различают три основных вида усилительных каскадов. В соответствии со способом подачи и снятия сигнала в каскаде, по названию общего для входного и выходного токов вывода транзистора, они называются: общий эмиттер (ОЭ), общая база (ОБ) и общий коллектор (ОК), так же называемый эмиттерным повторителем.

1. Усилительный каскад в схеме с общим эмиттером

Резистор R_Б задаёт рабочую точку транзистора, обеспечивая протекание начального тока смещения через база-эмиттерный переход транзистора. Входной сигнал переменного тока, протекающий через разделительную ёмкость (или ёмкость связи) С_С1 обеспечивает увеличение или уменьшение начального тока базы, также вызывая изменение тока коллектора. Выходное напряжение снимается с коллектора через разделительную ёмкость С_С2 и поступает в нагрузку – потребитель усиленного сигнала. Разделительные ёмкости С_С служат для предотвращения протекания постоянных составляющих тока через цепь нагрузки и через цепь источника сигнала, и, следовательно, предотвращения изменения положения рабочей точки.

2. Усилительный каскад в схеме с общей базой

Принцип действия этой схемы такой же как и у схемы ОЭ, за исключением того, что входное напряжение подаётся на эмиттер, а база транзистора заземлена по переменной составляющей ёмкостью С_С1.

3. Усилительный каскад в схеме с общим коллектором

В данной схеме коллектор транзистора заземлён по переменному току через нулевое сопротивление источника питания, и является общим контактом для входного и выходного сигнала. В этой схеме так же входной ток изменяет ток коллектора, а, следовательно, и эмиттера. Это приводит к изменению напряжения на эмиттерном сопротивлении, которое через разделительную ёмкость передаётся в нагрузку.

1.

2.

Идеальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:

• дифференциальный коэффициент передачи (усиления) − неограниченно большая величина,

• бесконечно большое входное сопротивление,

• нулевое выходное сопротивление,

• полностью подавляет синфазную составляющую сигнала,

• бесконечная полоса пропускания.

,

3.

4.

Сигнал, равный разности напряжений на входах ДУ, называется дифференциальным ( ).

Билет 5 Стабилизация режима работы и параметров усилительных элементов. Приемы, методы и схемы стабилизации. Источники и величина нестабильности.

Пусть I_эп и I_бп – токи эмиттера и базы в рабочей точке. Тогда для коллекторного тока покоя можно записать I_кп=I_кб0+I_эпh_21б, где I_кб0 – обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОБ. Можно выделить три основные причины изменения тока коллектора I_кп при изменении температуры T: 1) ток I_кб0 с ростом температуры увеличивается; 2) коэффициент передачи тока базы h_21э с ростом температуры также увеличивается; 3) напряжение перехода база – эмиттер U_бэ с ростом температуры T уменьшается. Температура T усилительных элементов может изменяться из-за изменения температуры окружающей среды или самонагрева усилительных элементов. Сильнее всего от температуры T зависит ток I_кб0. Так как I_кэ0=(h_21э+1)I_кб0, то ток I_кэ0 во много раз больше I_кб0, поэтому смещение рабочей точки за счет изменения I_кб0 особо опасно для схемы с ОЭ и менее существенно для схемы с ОБ.

Схема со стабилизацией фиксированным током базы. Величина тока покоя базы задается номинальным значением сопротивления R_б (рис. 3.19 а), так как . Таким образом, ток I_бп почти не изменяется при изменении U_бэ с ростом температуры T, но ток I_кп относительно последней оказывается незастабилизированным. Это является основным недостатком данной схемы стабилизации. Сопротивление резисторов делителя R₁ и R₂ выбирают так, чтобы выполнялось соотношение I_дел(510)I_бп для маломощных транзисторов и I_дел(25)I_бп для мощных (рис. 3.19 б). В этом случае при изменении температуры напряжение на базе.

транзистора остается почти неизменным. Недостаток данной схемы тот же, что и у схемы с фиксированным током базы.

Схема эмиттерной температурной стабилизации. Наиболее распространенной является схема эмиттерной термостабилизации, представленная на рис. 3.19 в. Здесь для температурной стабилизации рабочей точки введена отрицательная обратная связь (ООС) по току, для чего в цепь эмиттера включено сопротивление R_э. Резистивный делитель R₁, R₂ предназначен для поддержания неизменным потенциала на базе транзистора.

Схема коллекторной температурной стабилизации. Введение ООС по напряжению с помощью резистора R₁ улучшает термостабильность усилительного каскада, называемого в этом случае каскадом с коллекторной термостабилизацией (рис. 3.19 г).

Коэффициент нестабильности. Влияние изменения тока I_кб0 на ток коллектора I_к количественно принято характеризовать коэффициентом нестабильности  (или S) . Чем меньше коэффициент , тем меньше изменение I_кб0 влияет на изменение коллекторного тока

Нелинейные преобразования гармонических сигналов на ОУ. Ограничители, выпрямители, детекторы, схема сжатия входного сигнала. Принципиальные схемы, принцип работы, рекомендации по выбору элементов схемы.

О граничителями называются схемы, выходное напряжение которых не может превышать определенную величину. Эффективное ограничение можно обеспечить в схемах с инвертирующим включением ОУ, установив стабилитрон между выходом и инвертирующим входом. Достоинство такого способа состоит в том, что ОУ не входит в режим ограничения выходного тока.

Активные выпрямители. Под выпрямлением аналогового сигнала понимается нелинейная операция над ним, при которой все его текущие значения на выходе схемы выпрямления при одной из его полярностей воспроизводятся неискаженно, а при другой – не воспроизводятся вообще, так как отсекаются. При этом двухполярный сигнал преобразуется в однополярный. В результате с помощью схемы выпрямителя можно осуществлять операцию эффективного и неискаженного выпрямления сигналов любого уровня, в том числе и сигналов очень малой интенсивности. Схема простейшего однополупериодного активного выпрямителя построена на основе неинвертирующего повторителя. Он пропускает в нагрузку лишь положительные полуволны в ходного напряжения. Даже при очень малом положительном на­пряжении на входе выходное напряжение ОУ уже достаточно для открывания диода VD. При идеальном ОУ U_{вх д} = 0 и все устрой­ство в рабочем полупериоде является идеальным повторителем на­пряжения. При отрицательном напряжении на входе диод закрыт выход­ным напряжением ОУ, которое, следовательно, не передается ни в нагрузку, ни в цепь ОС. Поэтому U_{вх д} = U_вх >0.

П иковые детекторы предназначены для измерения максимального за некоторый отрезок времени значения сигнала. Работу пикового детектора можно пояснить на примере простой схемы, состоящей из идеальных диода и конденсатора. Пиковые детекторы могут работать в двух различных режимах – слежения и хранения. В режиме слежения входной сигнал больше ранее запомненного пикового значения, и выходное напряжение детектора соответствует входному до тех пор, пока входное напряжение не начнет снижаться. В этот момент устройство переходит в режим хра­нения, в котором будет оставаться до тех пор, пока входное напряжение вновь не превысит ранее достигнутого уровня. Показанный на рис. простой детектор имеет несколько недо­статков. Во-первых, зафиксированное выходное напряжение не остается постоянным из-за разряда конденсатора. Во-вторых, при выборе емкости конденсатора приходится учитывать два противоречивых требования: уменьшения скорости спада и повышения скорости нарастания.

П ростой двухкаскадный пиковый детектор изображен на рис. В этой схеме ОУ А₁ заряжает конденсатор до пикового значения, а ОУ А₂ выполняет роль буферного повторителя. Когда входное напряжение пре­высит хранимое на конденсаторе С, тогда выходное напряжение ОУ А₁ начнет уве­личиваться, а конденсатор – заряжаться через диод VD₁. Таким образом, пока напряжение U_вх растет, петля обратной связи ОУ А₁ замкнута через диод VD₁ и напряжение на конденсаторе С отслеживает входное. Как только входное напряжение начинает уменьшаться, ОУ А₁ переходит в состояние отрицательного насыщения, поскольку цепь его обратной связи размыкается. Конденсатор С оказывается изолированным от выхода А₁ и хранит установившееся на нем напряжение.

В ряде случаев динамический диапазон входного сигнала может превышать динамический диапазон линейных аналоговых устройств. Одним из путей решения этого вопроса является применение схем сжатия сигнала, коэффициент передачи которых обратно пропорционален уровню входного сигнала Схема выглядит как двухсторонний логарифми­ческий преобразователь, однако отличается тем, что не имеет разрыва в нуле, свойственного лога­рифмической функции. Сопротивление R_ос обеспечивает линейную зону около нуля, что обеспечи­вает конечное усиление сигналов очень малой амплитуды. Если диоды Д₁ и Д₂ включить параллельно сопротивлению R₁ , то схема (см. рис. 4) будет работать как схема расширителя. Схема расширения используется для преобразова­ния сжатых сигналов к их первоначальной форме или для различения близких по амплитуде малых сигналов.

Билет 6

Анализ оконечного каскада на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером с резистивно-емкостной связью с нагрузкой. Амплитудно-частотная, фазочастотная и переходная характеристики.

Активный фильтр верхних частот. ФВЧ второго порядка. Схемы, амплитудно-частотная характеристика, принцип работы, параметры. Рекомендации по выбору элементов фильтра.

В большинстве случаев электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное устройство. Следовательно, он пропускает сигналы определенных частот и задерживает или ослабляет сигналы других частот. фильтры верхних частот (пропускают высокие частоты и не пропускают низкие). Более точно характеристику частотно-избирательного фильтра можно описать, рассмотрев его передающую функцию . Величины U₁ и U₂ представляют собой соответственно входное и выходное напряжения (рис. 1). Для установившейся частоты p = j (j² = -1) передаточную функцию можно переписать в виде , где |Н(j)| – модуль передаточной функции или амплитудно-частотная характеристика; () – фазочастотная характеристика, а частота , рад/с, связана с частотой f, Гц, соотношением  = 2f. Диапазон или полосы частот, в которых сигналы проходят, называются полосами пропускания, и в них значение амплитудно-частотной характеристики |Н(j)| относительно велико, а в идеальном случае – постоянно. Интервал частот, в котором характеристика постоянно спадает, переходя от полосы пропускания к полосе задержания, называют переходной областью.

На рис. изображены идеальная и реальная амплитудно-частотные характеристики.

П ередаточную функцию фильтра верхних частот с частотой среза _с можно получить из переда­точной функции нормированного фильтра нижних частот (имеющего _с, равную 1 рад/с) с помощью замены переменной p на _с/p. Следовательно, функция фильтров верхних частот Баттерворта и Чебышева будет содержать следующие сомножители второго порядка:

С хема на ИНУН, реализующая функцию фильтра верхних частот Баттерворта или Чебышева второго порядка вида (1), изображена на рис.. Анализируя эту схему, получаем

Коэффициент усиления схемы – неинвертирующий, а значения сопротивлений определяются следующим образом:

7.Анализ промежуточного каскада на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером с резистивно-емкостной связью с нагрузкой. Амплитудно-частотная, фазочастотная и переходная характеристики.

Проанализируем каскад с ОЭ при емкостно-резистивной нагрузке. Принципиальная схема каскада приведена ниже.

Рис. 1

Для анализа этого каскада составим эквивалентную схему каскада. За основу возьмём упрощенную эквивалентную малосигнальную схему Джиаколетто.

Рис. 2

Здесь r_Б – распределённое сопротивление базы транзистора. r_Э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода транзистора, которое можно рассчитать как r_Э = 0.026/I_К.

Тогда полная эквивалентная схема каскада:

Рис. 3

Обобщённый анализ такой схемы достаточно сложен. Но, зная, что усилитель достаточно широкополосный, т.е. отношение f_В/f_Н велико, можно упростить данную схему для различных частотных диапазонов АЧХ этого каскада.