Схемы с диодами и стабилитронами на основе оу

Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы - диоды и стабили­троны. Однако часто такие схемы анализируют, без ис­пользования ЭВМ, как линейные. При этом часто диоды и стабилитроны считают идеальными и заменяют откры­тые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны - разрывами, а стабилитроны, работаю­щие в режиме пробоя, - источниками напряжения.

При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, что­бы перед анализом определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент. Здесь большую помощь может оказать опыт анализа подобных схем. Пусть сдела­но некоторое предположение о состоянии нелинейных элементов (например, предполагается, что первый диод открыт, второй закрыт и т. д.). Тогда после анализа схемы, выполненного на основе этого предположения, необходи­мо проверить его правильность. Например, необходимо убедиться, что через предположительно открытый диод, замененный закороткой, ток протекает в прямом направ­лении. При машинном анализе схемы, подобные рассмат­риваемым, анализируются как нелинейные.

Для примера выполним анализ схемы на рис. 9, предполагая, что диоды - идеальные. Пусть вначале и_вх = 1В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 - закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10. Из дан­ной схемы следует, что

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток i_D1 диода D₁ и напряжение u_D2 диода D₂. Используя допущение о том, что и_диф =0, по­лучаем u_D2 = -2 В и i_D1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D₂ отрицательное, а ток через диод D₁ положителен, можно утверждать, что предположение было правильным.

Пусть теперь и_вх = -1 В. Предположим, что диод D₁ закрыт, а диод D₂ открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 11, из которой получаем, что

Для проверки правильности сделанного предположения определим i_D2:

Очевидно, что i_D1=0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.

Усилители постоянного тока

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может исполь­зоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являю­щиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее ус­тройство операционных усилителей не рассматривалось.

Для того, чтобы постоянные или медленно изменяю­щиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. По­лученные переменные сигналы могут быть усилены с по­мощью усилителей переменного тока, в которых гальва­нические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальваничес­кой связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом вход­ном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя яв­ляются: изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окру­жающей среды; изменение питающих напряжений; посто­янное изменение параметров активных и пассивных эле­ментов схемы, вызванное их старением. Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэто­му при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа явля­ются жесткая стабилизация источников питания усилите­лей, использование отрицательных обратных связей, при­менение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью па­раметров от температуры для компенсации температурно­го дрейфа, применение УПТ с промежуточным преобра­зованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является так­же согласование потенциалов соседних каскадов, согласо­вание источника входного сигнала с УПТ, а также подклю­чение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении напряжение на нагрузке было так­же равно нулю. Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и со­единенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недо­статков УПТ строят в виде параллельно-балансных каска­дов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое -источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 12.

Коллекторные сопротивления R_K1 и R_К2, транзисторы Т₁ и Т₂, резистор R_Э образуют мост, к одной диагонали кото­рого подключен источник питания Е_К, а в другую диаго­наль - между коллекторами транзисторов - включается нагрузка.

Рисунок 12

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (R_К1 = R_K2, Т₁ и Т₂ одинаковы) потенциалы коллек­торов транзисторов Т₁ и Т₂ одинаковы и и_вых, равное u_K1-u_K2, равно нулю. Высокая стабильность схемы объяс­няется тем, что при изменении напряжения источника пи­тания или при одинаковых изменениях параметров тран­зисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, сле­довательно, выходное напряжение остается равным нулю. В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и зна­чительно меньше, чем в других схемах. Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Представив R_Э в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 12), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизаци­ей, объединенных соответствующим образом (см. верти­кальные разделительные линии). Включив последователь­но с R_Э дополнительный источник Е_Э, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возмож­но убрать из схемы сопротивления делителей R₁ , R₂, R₃, R₄. В результате получится схема дифференциального усили­теля.