8. Основы аналоговой схемотехники.

8.1. Особенности построения интегральных схем.

Стараются избежать в схемах индуктивностей и емкостей. Транзистор как усилительный элемент стараются создать с наибольшим коэффициентом усиления. Часто используются составные транзисторы по схеме Дарлингтона.

I_кVT1

I_к

К

Э

VT1

Б

I_б = I_бVT1

VT2

I_бVT2

I_э = I_эVT2

I_к

I_б

β₁ , β₂ = β_Σ ≈ β₁ х β₂ I_кVT1 = I_бVT1 х β₁₌ I_б х β₁

УПТ (усилители постоянного тока):

Условие построения схем без конденсаторов определило создание УПТ.

Рассмотрим обычный (не УПТ) усилительный RC каскад.

+Е_П−

R_б

R_к

R_к

I_Б

С_р2

I_К0 = β I_Б0

С_р1

VT

≈

I_Б0

Е_и

вых

U_БЭ0

R_н

вх

R_и

U_БЭ

U_БЭ0

U_БЭ0 напряжение, определяющее I_Б0 (режим по постоянному току),

создается от E_П источника питания через гасящий резистор R_Б.

С_Р1 – разделительный конденсатор на входе, он разделяет ( не пропускает) постоянный ток и пропускает переменный. Он не пропускает постоянный ток (режимный) через источник питания (сигнала). И сам источник сигнала не шунтирует по постоянному току вход транзистора. Сигнал переменного тока от источника сигнала проходит, так как Х_Ср = .

Ср2 – разделительный конденсатор на выходе. Он не пропускает постоянную составляющую тока I_К (источника питания) в нагрузку, поэтому R_Н не влияет на режим транзистора по постоянному току.

АЧХ

К

К_СР

f_Н

f_В

нижняя граница АЧХ

верхняя граница АЧХ

8.2.* Резисторный каскад с температурной стабилизацией (эмиттерной стабилизацией, стабилизацией тремя резисторами).

I_к

I_Б

t = 60 º C

t = 20 º C

t = 60 º C

I_Б0

0

t = 20 º C

I’_Б0

U_КЭ

U_БЭ

U_БЭ0

U’_БЭ0

С

+Е_П−

I_К

изменением температуры статические характеристики транзистора изменяются, из-за чего может изменяться режим по постоянному току, что может сказаться на качестве усиливаемого сигнала. Поэтому используют схему с температурной стабилизацией рабочей точки.

R_Б1

R_К

С_р2

I_Д

С_р1

VT1

≈

Е_и

R_Н

С_Э

U_БЭ0

вх

R_Э

R_и

R_Б2

В рабочей точке транзистора напряжению U_Б0 сответствует ток I_Б0.

U_Rб2 = I_Д R_Б2 I_К0 = β I_Б0 U_Rэ = I_Э R_Э ≈ I_К R_Э так как I_Э = I_К + I_Б ≈ I_К

U_БЭ = U_Rб2 – U_RЭ = U_Rб2 –I_К R_Э

При росте температуры растет ток коллектора транзистора, следовательно, растет напряжение на резисторе R_Э. Напряжение база эмиттер в рабочей точке падает так как U_БЭ = U_Rб2 –I_К R_Э. Из-за падения напряжения на базе транзистора падает и ток базы I_Б. Ток коллектора транзистора прямо пропорционален току его базы (I_К = β I_Б), следовательно, он падает. То есть рабочий точка на выходе стабилизировалась.

1. Режим по постоянному току задается с помощью U_БЭ;

2. В этой схеме U_БЭ0 = U_Rб2 – U_RЭ = I_Д R_Б2 – I_К R_Э, где I_Д – ток делителя напряжения из резисторов R_Б1 и R_Б2;

3. При изменении (увеличении) температуры изменяется (увеличивается) ток коллектора транзистора I_К и падение напряжение на R_Э (U_Rэ = I_К R_Э);

4. Изменяется напряжение U_БЭ0 = U_Rб2 – (I_К R_Э=U_Rэ); уменьшается U_БЭ

5. По входной характеристике видно, что это ведет к уменьшению тока базы (переход с точки 0 на точку 0^’);

6. Так как I_К0 = β I_Б0, то I_К0 уменьшается, и восстанавливается прежний режим работы на выходе транзистор.

С

R_Э

100

1

ω_НС_Э

_Э – блокировочный конденсатор по переменному току. Х_Сэ= =

I_к

t

8.3.* Постоянные и переменные составляющие тока в схеме.

Коэффициент усиления через h - параметры.

У

Б

прощенную эквивалентную схему RC – каскада можно представить следующим образом:

≈

Е_С

≈

R_ВХ = h₁₁

усиленный сигнал

R_ВЫХ

R_Н

R_И

Э

К

Транзистор (коллектор-эмиттер) представляется как генератор усиленного сигнала.

R_Б1

R_К

+Е_П−

I_Д

С_р2

С_р1

VT1

Е_С

≈

R_Н

R_Э

С_Э

R_Б2

R_И

а) токи во входной цепи:

1. п остоянные: I_Д идет - + Е_П → R_Б1 → R_Б2 → → - Е_П

I _Б0 идет - + Е_П → R_Б1 → БЭ VT → R_Э→ → - Е_П;

2. п еременные: I_{ИСТ.СИГ} от Е_С → С_р1 → БЭ VT → С_Э→ → R_И → Е_С I_{ИСТ.СИГ} от Е_С → С_р1 → R_Б2 → → R_И → Е_С I_{ИСТ.СИГ} от Е_С → С_р1 → R_Б1 → Е_П → → R_И → Е_С.

по последнему току пояснения:

для переменного тока Е_П является хорошим конденсатором с большой емкостью, поэтому через него проходит переменная составляющая, это позволяет определить входное сопротивление по переменному току: R_ВХ~ = R_ВХVT ║ R_Б2 ║ R_Б1 где R_ВХVT = h₁₁ К_I = h₂₁ следовательно заменяя ∆I_К, ∆I_Б, ∆U_БЭ Транзистор (К-Э) генератор напряжения усиленного переменного тока сигнала.

2. т оки в выходной цепи: 1)К_VT (коллектор транзистора) → R_К → Е_П → → С_Э→ Э_VT (эмиттер транзистора) К_VT (коллектор транзистора) → С_р2 → R_Н → → С_Э→ Э_VT (эмиттер транзистора) отсюда следует, что R_ЭКВ.Н = R_К ║ R_Н 2)постоянные токи на выходе: I_К= = I_К0 идет + Е_П → R_К → К_VT → Э_VT → R_Э→ → - Е_П

Схемы без разделительных конденсаторов с гальванической

(непосредственной) связью.

+Е_П −

R_Б1

R_К1

R_К2

R_К3

R_К4

С_р

VT1

VT2

VT3

VT4

R_Б2

R_Э1

R_Э2

R_Э3

R_Э4

U_БЭVT2 = U_КЭVT1 + U_Rэ1 – U_Rэ2

R_Б1, R_Б2 соответствует R_К1, КЭ_VT1, R_Э

U_БЭ0 для любого каскада это необходимое напряжение (0,7 – 1 В). Поэтому при большом числе каскадов трудно это сделать (создать небольшое напряжение) в последних каскадах, поэтому перед ними ставятся схемы сдвига уровня. Поэтому используют схему на VT3, так как на R_Э3 можно создать маленькое падение напряжения, а следовательно легко получить маленькое U_БЭ0 на VT4. Так как R_Б1 = R_К + КЭ_VT2 и R_Б2 ≡ R_Э.

8.4. УПТ (усилители постоянного тока 20 Гц – 20 КГц).

В них используется вышерассмотренная схема без конденсаторов.

И

К_U

х особенности: они могут усиливать сигналы постоянного тока (медленно меняющиеся).

f

f_Н

f_В

+ Е_П −

Схема УПТ.

R_Б1

R¹_д.вх

R_К1

R_К2

R_К3

R_К4

R¹_д.вых

Е_С

R_Н

≈

VT1

VT2

VT3

VT4

R_Б2

R¹¹_д.вх

R_Э1

R_Э2

R_Э3

R_Э4

R¹¹_д.вых

φ₁ – φ₂ = 0

Особенность:

Если U_ВХ = 0, то на выходе U_ВЫХ = U_К =например≈ 5 В. Чтобы получить U_ВЫХ = 0 на выходе включается делитель R¹_д.вых и R¹¹_д.вых с выходным напряжением равным U_К, тогда

φ1 – φ2 = 0, на выходе 0. Аналогично делается и на входе. Чтобы источник сигнала Е_С подключался к нулевому потенциалу («входу»). φ1¹ – φ2¹ = 0

Недостаток:

Дрейф нуля.

Быстрые изменения обусловлены, например, случайными изменениями напряжения источника питания, из-за чего изменяются режимы работы транзисторов в схеме, и на выходе сигнал становится не равным нулю.

Медленные изменения обусловлены старением элементов.

8.5. Дифференциальный усилитель.

В нем устранены вышеуказанные недостатки.

R_K1

R_K2

R_H

VT1

VT2

Е_П/2

+

Выход

Вход 1

+

Е_П/2

Вход 2

R_Э

Это усилитель постоянного тока, но у него нет дрейфа нуля.

Схема состоит из двух симметричных плеч VT1 и VT2 Благодаря им устраняется дрейф нуля:

1. быстрые изменения (например: за счет изменения источника питания) устраняются за счет того, что токи одинаково меняются в обоих плечах, поэтому нулевая разность потенциалов на выходе сохраняется;

2. медленные дрейфы нуля: за счет старения элементов.

За счет того, что все элементы расположены на близком расстоянии (микроны) друг от друга, старение идет одинаково и поэтому нулевая разность потенциалов сохраняется.

Для стабильного поддержания тока используется R_Э, как генератор тока.

Особенности схемы: не усиливает синфазные сигналы на обоих входах, т. к. оба транзистора будут открываться одинаково (усиливать на одинаковую величину) и нулевая разность сохраняется. Для разнофазных сигналов один транзистор будет открываться, а другой будет подзакрываться и выходное напряжение будет удвоенно усиливаться (каскадом на VT1 и VT2). Поэтому схему называют дифференциальной. Она разделяет синфазные сигналы (не усиливает) и усиливает разнофазные.

8.6. Усилители на полевых транзисторах.

Во многом аналогичны с усилителями на биполярных транзисторах.

+ Е_П −

R_С

R_Д1

С_Р

I_С

С_Р

0

VT

С_ИСТ

R_Д2

R_ИСТ

U_ЗИ0

U_ЗИ

где следовательно

отсюда следует, что

Удобнее использовать транзисторы со встроенным каналом.

+ Е_П −

I_С

R_С

Выход

VT

Вход

U_ЗИ

0

Удобнее вместо сопротивления использовать транзистор (проще создавать ИМС с однотипными элементами).

VT1

VT2

R_С

=

Выход

Вход

8.7. Операционный усилитель.

Он предназначен для выполнения операций над электрическими сигналами (сложение, вычитание, умножение, деление, усиление). Как правило, эта полупроводниковая микросхема имеет два входа. Один прямой, другой инверсный. Следовательно, на входе у него стоит дифференциальный усилитель.

∞

Вход 1

Выход

Вход 2

Сигнал поданный на инверсный вход, усиливаясь на выходе, будет в противофазе.

В идеальном ОУ – вводится обозначение ∞, так кат считается, что

коэффициент усиления = ∞ и составляет десятки тысяч раз. Входное сопротивление должно быть очень большим, что бы не шунтировать входной сигнал. R_ВХ = ∞ (сотни кОм), R_ВЫХ = 0 (единицы Ом). Операционный усилитель может быть построен не только на биполярных транзисторах, но и на полевых.

Требуемое усиление достигается за счет отрицательно обратной связи.

Вход 1

Вход 1

Выход

Выход

Вход 2

Вход 2

ЧЗОС – частотнозависимая ОС

R_ОС1

R_ОС2