- •Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет
- •Санкт-Петербург
- •1. Электрические сигналы и их модели
- •1.1. Вводная часть
- •1.2. Аналоговые и цифровые сигналы
- •1.3. Основные характеристики Электрических сигналов
- •1.3.1. Частотный спектр сигналов.
- •2. Основные положения теории электрических и магнитных цепей
- •2.1. Электрические цепи. Схемные и математические модели
- •1.3.2. Временные характеристики сигналов
- •Глава вторая
- •2.1.1. Законы теории электрических цепей
- •Глава третья
- •3. ТЕоретические основы электронных цепей.
- •3.1. Основные характеристики и параметры электронных компонент и систем
- •3.2. Амплитудно-частотная характеристика систем.
- •3.3.Теоретическое обоснование процедуры проектирования электронных устройств.
- •3.4. Связь качества электронных устройств с относительной чувствительностью характеристик к изменению параметров элементов
- •В частотную область уравнение (12) переводят с помощью преобразования Фурье формально заменяя оператор s на jω
- •3.4.1. Качество систем и принципы их построения
- •3.4.3. Связь функции относительной чувствительности с запасом
- •3.5. Структурный метод повышения качества систем
- •3.6.Основные положения теории графов
- •3.6.1. Типы графов и их элементы
- •3.6.2. Изоморфизм графов
- •3.6.3.Синтез графов.
- •3.6.3. Методика синтеза графа по смежностно-степенным таблицам .
- •Глава четвёртая
- •4. Источники питания электронных схем
- •4.1. Функциональный аспект.
- •4.2. Магнитные цепи
- •4.3. Структурный аспект. Принципы построения выпрямителей.
- •4.5.Полупроводниковый p-n переход и полупроводниковые выпрямительные диоды
- •4.6. Силовые выпрямители
- •4.7.Стабилитроны и их применение в параметрических стабилизаторах
- •4.8. Схемы диодных ограничителей
- •4.9.Специальные типы диодов
- •4.9.1.Модели светодиодов и фотодиодов и их применение
- •4.9.2.Диоды Шоттки
- •Глава пять
- •5. Однокаскадные усилители
- •4.1. Принципы построения однокаскадных усилителей
- •5.2. Транзисторы и их модели
- •5.2.1.Биполярные транзисторы
- •4.4. Оконечные каскады усиления
- •5. 3. Операционные усилители (оу) постоянного тока
- •5.3.1. Способы построения дифференциального усилителя и его модели
- •5.3.2. Дифференциальный каскад с повышенным коэффициентом усиления
- •Глава шесть
- •6. Элементы цифрОвых устройств
- •6.1. Реализация основных логических функций и эталонов.
- •6.1.1. Диодные логические компоненты «и».
- •6.1.2. Диодно-транзисторный компонент «и-не»
- •6.1.3. Транзисторно-транзисторные компоненты (ттл) «и-не»
4.4. Оконечные каскады усиления
5. 3. Операционные усилители (оу) постоянного тока
5.3.1. Способы построения дифференциального усилителя и его модели
Усилитель постоянного тока на низкой частоте не имеет спада АЧХ (рис. 5.1). Это возможно, если на пути прохождения сигнала от входа к выходу нет конденсаторов. Такая схема уже была рассмотрена (рис. 4.2), о некоторых ее недостатках уже писалось:
а) при Uc=0 через нагрузку протекает постоянный ток
IH=UK/RH=[UП-Rбал(IK+IH)]/RH;
IH(1+ Rбал/RH )= UП /RH - Rбал IK /RH;
IH= (UП -RбалIK )/ (Rбал+RH);
б) через источник uC протекает постоянный ток.

Рис. 5.1
Чтобы устранить последний недостаток, вводят второй источник питания -Uп2, а источник uC подключают к общему узлу (рис. 5.3, а). Можно сделать ток IH=0 при uC =0 за счет включения резистора RH в диагональ уравновешенного моста. напряжение на диагонали равно нулю (UK1=UK2) при отсутствии сигнала. Подсоединив базу транзистора к общему узлу создают напряжение Uбэ=Uп2 - URЭ, отпирающее транзистор. Кроме того, недостатком схемы рис. 5.3, а является то, что при изменении UП+ΔUП ,.ток коллектора остается неизменным, а его коллекторное напряжение станет равным UK1+ΔUП, в то время как в другом плече моста оно станет UK2+ ΔUП RRЭ/ (RKЭ + Rбал), приводящее к возникновению тока через Rн при отсутствии изменения uC .Очевидно, необходимо сделать мост полностью симметричным (рис. 5.3, б) и транзисторы T1 и T2 должны иметь равными следующие параметры:
h(1)21=h(2)21; I(1)K0=I(2)K0; T1=T2; Uбэ1 =Uбэ2; ΔUбэ1(T)= ΔUбэ2(T); UK1=UK2.
При выполнении этих условий напряжения UKi будут равными при изменении UП1 и UП2, так и при изменении температуры Т в широком диапазоне.
Усиление сигнала здесь выполняется только транзистором T1 и согласно (4.10) KU ≈ -( Rбал ||RН )/ RЭ и не может быть большим из-за большого сопротивления RЭ. Увеличить коэффициент усиления можно, если сигнал подавать в противофазе на транзистор T2, например, на эмиттер (рис. 5.4, а). Так как напряжение на эмиттере T1 (UЭ) повторяет по фазе и амплитуде напряжение UС, т.е. UЭ ≈UС, то Uбэ2 = - UЭ ≈ -UС. Коэффициент усиления каскада будет тем больше, чем меньше будут приращения тока I0 =IЭ2 +IЭ1 при изменении uC. В пределе все приращения ∆IЭ1 должны равняться приращениям -∆IЭ2, т.е. I0 должен оставаться постоянным, а это возможно будет, если в цепи эмиттеров вместо RЭ включить источник тока I0 . В источник тока можно преобразовать UП2, соединение последовательно с ним резистор RЭ с весьма большим сопротивлением. Это приведет к снижению I0 =IЭ2 +IЭ1 до весьма малых величин, при которых h21 станет намного меньше, чем при оптимальном значении IК опт (рис. 5.4, б). Для сохранения приемлемого значения IЭ можно с увеличением сопротивления RЭ увеличивать и UП2, но последнее совместно с UП1 не должно превышать по соображениям пробоя UКЭ мах.
Выход из противоречий можно найти, учтя разный характер требований к выходному сопротивлению источника тока для постоянного тока I0 и его приращений ∆I0 . Ток I0 должен быть достаточно большим (≈2IК опт), а приращения ∆I0 тока должны быть возможно меньшими (∆I0→0). Одновременно совместить эти требования можно с помощью нелинейного элемента (рис. 5.4, в), для которого U0 /I0= R0<< ∆U0 /∆I0=rдин. Легко видеть, что зависимость I(U) соответствует характеристике транзистора IK(UKЭ), при Iб=const
Таким образом, приходим к схеме рис. 5.5, а, называемой токовым зеркалом. Заменив сопротивление RЭ в схеме рис. 5.4, а источником тока, получим схему дифференциального каскада рис. 5.5, в. Считая ,в первом приближении, выходное сопротивление Rвых источника тока I0 много больше входного сопротивления RвхОБ транзистора T2, включенного в данном случае по схеме с общей базой, можно схему усилителя рис. 5.5, в для приращений преобразовать в схему рис. 5.5, г.
Коэффициент усиления напряжения для
дифференциального сигнала, поданного
на один вход (
),
найдем из схемы замещения (рис. 5.6, а)
усилителя (рис. 5.5, в). Дифференциальный
сигнал отличаем от синфазного
(рис.
5.6, б), подаваемого на оба входа усилителя
и имеющего идентичные мгновенные
значения и фазы. Синфазными сигналами
являются атмосферные и сетевые помехи,
изменения напряжения источников питания
и
,
приведенного к входу усилителя выходного
напряжения в зависимости от изменения
температуры и т.п.
При выводе Ku учтем, что для приращения напряжений (рис. 5.6, а) Rвх.об включено параллельно Rвых.Iо, а поэтому в цепи эмиттера Т1 Будет сопротивление примерно равное Rвх.об = h11/(h21+1). В соответствии с уравнением (5.11) и, учтя, что ∆Iэ1 = ∆Iэ2 имеем
,
(5.1)
где коэффициент 2 отражает взаимосвязь транзисторной пары Т1 и Т2 дифференциального каскада.
Отметим, что в интегральной схеме трудно выполнить из-за технологических и экономических ограничений Rбал >>Rн, поэтому для повышения Kuдиф. Балластные сопротивления заменяют подобно замене Rэ двумя источниками одинакового постоянного тока I1 =I2 =I0/2 =IкА (рис. 5.7).
Входное сопротивление дифференциального каскада, как видно из (4.2), равно
Rвх.диф≈2h11, (5.3)
а выходное
Rвых.диф ≈ Rбал. (5.4)
Для синфазного сигнала (рис. 5.6, б) приращения эмиттерных токов I1 и I2 одинаковы при равных h21 и направлены к источнику тока I0 Поэтому оба транзистора работают по схеме усилителя с общим эмиттером, в цепи которого включено весьма большое сопротивление эмиттера, равное Rвых.диф ≈ rк* источника I0.. Коэффициент усиления такого каскада
(5.5)
будет скорее всего меньше 1 из-за большого
rк* и α= =h21/(h21+1)≈1.
При полной симметрии схемы ∆Uк1=∆Uк2
и усиление синфазного сигнала будет
равно нулю. Реально имеются отклонения
Rбал =Rбал1
=Rбал2 ±ΔRбал,
α=α1=α2±Δα
Следовательно, получим некоторое
небольшое значение коэффициента
усиления. Для сравнения различных
усилителей по
и
вводят относительный коэффициент
ослабления синфазного сигнала
, (5.6)
которое в реальных усилителях имеет значение –(60-120) дБ для различных типов усилителей.
Таким образом, дифференциальный усилитель позволяет весьма эффективно подавлять синфазные помехи. Это и определяет его широкое применение в различных сложных электронных устройствах.
