ID: 22372

Название работы: Усилители постоянного тока (УПТ)

Категория: Лекция

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: Благодаря этому при входных сигналах равных нулю достигается баланс моста напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение снимаемое с диагонали Uвых = Uвых 1 Uвых 2 = 0. Uвх1 = Uвх2 = 0 Uвых = Uк1 Uк2 = 0. Ек1 Iк1 Iк2 Rк2 Rк1 Uвых 1 Uвых Uвых 2 ...

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-08-04

Размер файла: 209.5 KB

Работу скачали: 27 чел.

Лекция 8

Содержание лекции

Усилители постоянного тока (УПТ). Балансный УПТ. УПТ с М-ДМ. Дифференциальный усилитель.

8.Усилители постоянного тока (УПТ)

8.1.  УПТ на биполярных транзисторах

У этих УУ  fн= 0. Такие УПТ нужны для многих устройств автоматики.

В таких усилителях нужно передавать постоянные уровни, т.е. нельзя применять C и L. Сигнал входной надо подавать прямо на базу и управлять его токами.

Рассмотрим УПТ на БТ (рис.8.1.)   и покажем его недостатки.

Рассмотрим основные соотношения на VT1 и VT2:

Откуда

Если токи транзисторов VT1 и VT2 одинаковы, то

Однако, если  RK1=RK2 , то KU1>KU2>...>KUn, т.е. коэффициент усиления падает с увеличением числа каскадов, где

Кроме этого в этом УПТ  есть дрейф нуля.

Дрейф нуля: наличие напряжения на выходе при его отсутствии на входе.

Любые изменения напряжений источников питания, режимов работы транзисторов, параметров элементов вызывают медленные изменения токов, которые передаются на выход усилителя. Эти изменения напряжений не связаны с входным сигналом.

Различают абсолютный дрейф нуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный по входу усилителя.

Абсолютный дрейф - максимальное изменение выходного напряжения при короткозамкнутом входе за определенное t.

Приведенный дрейф - отношение абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления усилителя по U:    К u.

Величина    приведенного дрейфа ограничивает  min различимый входной сигнал, т.е. определяет чувствительность усилителя.

   Пример. Пусть  К u = 1000,    U вых = 1 В, тогда  U вх= 1 мВ и значит усиливать сигналы  менее 1  мВ нет смысла. Это и есть чувствительность усилителя.

Итак, у УПТ на БТ есть 2 недостатка:

- уменьшение коэффициента усиления каждого каскада в многокаскадном усилителе;

- наличие дрейфа нуля.    

                  8.2.УПТ с МДМ (модулятором-демодулятором)

Указанные недостатки можно здесь устранить. Схема на рис.

Рис.  8.2.УПТ с МДМ

                              

8.3.Балансный усилитель (БУ)

В основе работы БУ заложен принцип четырехплечного моста (рис. 8.3). Если мост сбалансирован (Iн=0), то R1·R4=R2·R3. При этом изменение Е не нарушает баланс моста. Баланс моста не нарушается, если пропорционально изменяются R1, R2 или R3, R4.

Рис. 8.4. Четырехплечный мост

В БУ (рис. 8.5) R1 и R3 соответствуют RК1 и RК2, а R2, R4 - VT1 и VT2. R0 - для балансировки.

Если плечи симметричны и Uвх = 0, то начальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом UК1 = UК2 и на сопротивлении нагрузки Uн = 0.

Изменение напряжения Е и других факторов вызывает одинаковые приращения токов транзисторов ΔUk1 = ΔUk2 и Uн=0 . Баланс сохраняется.

Рис. 8.5.Схема БУ

При подаче Uвх, приращения коллекторных токов равны, но противоположны по знаку, что приводит к разбалансу моста и Uн ≠ 0.

                8.4.Дифференциальный каскад усиления  (ДУ)

    Наиболее распространенной схемой, на базе которой создаются усилители постоянного тока и ОУ, является дифференциальный каскад. ДУ представляет собой БУ с несимметричной нагрузкой и источником  тока в цепи эмиттера.

    Дифференциальный усилительный каскад (рис.8.6) выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rк1 и Rк2, а два других – транзисторами VТ1 и VТ2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста).

    На транзисторе VТ3 собрана схема источника стабильного тока Iэ, определяющего сумму эмиттерных токов Iэ1 и Iэ2 транзисторов VТ1 и VТ2. Для определения тока Iэ необходимо знание напряжения между точками схемы 1 и 2.

Iэ=(U1–2 – 0,6) / R3 = (I1R2 – 0,6) / R3.

    Питание каскада производится от источников +Ек1 и – Ек2 с равными напряжениями относительно общей точки (земли).

    С помощью напряжения Ек2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов VТ1 и VТ2 относительно общей точки схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных смещений.

    Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов VТ1, VТ2 и равенства сопротивлений Rк1, Rк2.

    Благодаря этому, при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, Uвых = Uвых 1 – Uвых 2 = 0. Идентичность параметров транзисторов VТ1 и VТ2 легко достигается при интегральном исполнении.

    Если Uвх1 и Uвх2 замкнуты на общую точку схемы (землю), то Uвх = 0. Ток Iэ делится поровну между двумя транзисторами Iэ1= Iэ2= Iэ/2. Значение эмиттерных токов определяются входными токами смещения (базовыми токами покоя):

.

Равенству эмиттерных токов транзисторов будет соответствовать равенство  их  коллекторных  токов   Iк1 = Iк2 = αIэ / 2 ≈ Iэ / 2  и  напряжений на коллекторах: Uк1 = Uк2 = Eк1 – IэRк / 2, где Rк= Rк1 = Rк2. Данное состояние схемы характеризует режим баланса каскада или режим покоя.

Uвх1 = Uвх2 = 0,      Uвых = Uк1 – Uк2 = 0.

    Пусть Uвх1 ≠ 0, при Uвх2 = 0. Предположим, что напряжение входного сигнала Uвх1 имеет положительную полярность.

    Под воздействием входного сигнала через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток Iвх, увеличивающий ток базы транзистора VТ1 и уменьшающий ток базы транзистора VТ2, а значит токи Iэ1 и Iк1 увеличиваются, а токи Iэ2 и Iк2 уменьшаются (изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же величину, поскольку сумма токов Iэ1+Iэ2 = Iэ остается неизменной). При этом напряжение Uк1 = Ек1 – Iк1Rк1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения -∆Uк1, противоположное по знаку напряжению входному Uвх1. Напряжение Uк2 = Ек1 – Iк2Rк2 возрастает, что создает соответственно приращение напряжения +∆Uк2 того же знака, что и напряжение входного сигнала.

.

                                                                               + Ек1

                           Iк1                     Iк2             Rк2      

                      Rк1 

                  Uвых 1                  Uвых                    Uвых 2  

                                             

                                   VТ1         VТ2

          Uвх 1                      Iэ1       Iэ2                              Uвх 2

                         

                                       Iэ                    1        R1    

                                                                                +

                                                

                                        R3         R2                       

                                                                        I1     

                                                         2                         - Eк2  

                                                                                            

     Рис.8.6.Схема дифференциального усилителя  

Таким образом, для рассматриваемого способа подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора VТ1 (Uвых1) является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VТ2 (Uвых2) – неинвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:

.

           Изменения выходных напряжений схемы под воздействием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного тока ток базы одного из транзисторов становится равным нулю, а ток Iэ протекает только через один из транзисторов (VТ1). Тогда:

Uвых 1 = Ек 1 - Iэ·Rк

Uвых 2 = Ек 1

Uвых = Uвых 2 – Uвых 1 ≈ Iэ·Rк

    Подобно описанным, но с иными знаками приращений, протекают процессы в схеме при изменении полярности входного сигнала или при подключении его к другому входу.

Итак:

1)Режим покоя. Через Rэ протекает ток Iо. Тогда через Rk1 и Rk2 и  будет протекать ток Io/2                                                             и   

Uвых1=Uвых2, т.е. ΔUвых=0.

2)Режим синфазного сигнала.

Входные сигналы, одинаковые на входах по фазе и по амплитуде называются синфазными.     

Uвх1=Uвх2,       ΔUб1= ΔUб2,       ΔUk1= ΔUk2,    и    ΔUвых=0.

Если на входах одинаковые изменения сигнала, то на выходе ΔUвых=0.

3) Режим дифференциального сигнала.

Пусть на первом входе действует сигнал е, а на втором – сигнал –е.

При этом для первого транзистора

а) ΔUб1>0,  ΔIб1>0, ΔIk1>0, ΔIэ1>0,

и тогда ΔUkэ1 = E - ΔIk1Rk1 < 0.

При этом для второго транзистора

б) ΔUб2<0,  ΔIб2<0, ΔIk2<0, ΔIэ2<0,

и тогда ΔUkэ2 = E - ΔIk2Rk2 > 0.

Напряжение ΔUвых = ΔUkэ2 - ΔUkэ1 = 2 ΔUkэ > 0.

Т.е. в данном случае ДУ работает в режиме усиления разности входных сигналов.

4) Неинвертирующие и инвертирующие входы в ДУ

а) Пусть на первом входе действует сигнал Uвх1 = е, а на втором – сигнал – Uвх2 = 0.

Тогда   ток Ik1 возрастает (ΔIk1>0), а т.к. сумма коллекторных токов = Io, то ΔIk2<0 и поэтому               ΔUкэ1<0, а ΔUкэ2>0 и

ΔUвых = ΔUkэ2 - ΔUkэ1 > 0.

Это неинвертирующий вход - вход 1.

б) Пусть на первом входе действует сигнал Uвх1 = 0, а на втором – сигнал – Uвх2 = е.

Проведя аналогичные рассуждения, получим

ΔUвых = ΔUkэ2 - ΔUkэ1 > 0,

т.е. вход 2 - инвертирующий (происходит инвертирование входного сигнала).

8.5.Стабилизаторы напряжения и тока

Стабилизаторы напряжения

Хоровиц, стр. 75,80

В различных схемах используют широко стабилизаторы напряжения и тока. Особенно в ИМС.

В качестве стабилизатора напряжения используют схему с ОК (рис. 8.7).

Пояснения к схеме

Т.к. это эмиттерный повторитель, то

Uст= Uбэ + Uвых, т.е. Uст > Uвых.

Если Uвых возрастает, то при неизменном Uст Uбэ падает и транзистор призакрывается                                 и    напряжение на выходе уменьшается.

В ИМС часто применяют диодную стабилизацию (рис.8.8). 

Рис.8.7.Схема стабилизатора напряжения   (Uст=UБ=UVD)

                                                       Можно так (рис.     )        

Стабилизаторы тока

Создает ток постоянного уровня. Поддерживает уровень (рис.     ).

Надо стабилизировать ток I K=I Н . Если     и      изменяются одинаково, то I K стабилизирован.

Рис.8.8.Схема стабилизатора тока

Пояснения к схеме

    Пусть          , тогда на                    и т.к.                         ,

то            и              . Но, если                    , то и

В др.виде         

8.6. Источники тока

В качестве источника тока в электронике обычно используются токовые зеркала.

Транзисторы должны быть с одинаковыми параметрами.

-

Входные каскады работают в режиме микротоков.

Токовые зеркала используются в ЦАП:

Используются двоично - взвешенные токи, формируемые токовыми зеркалами.

Эта схема имеет симметричный выход. Зеркало с VT5, VT6 включается для увеличения  .

Контрольные вопросы и задания

Решить задачи N 212,268,269,271 из Долженко “Сб. задач и упр.”

R2

R1

RК1

UКЭ1

UВЫХ

VT1

RЭ2

RК2

VT2

вх

+UП

RЭ1

UК1

UЭ1

UЭ2

UБЭ2

Рисунок 8.1. Схема усилителя постоянного тока на биполярных транзисторах

Модулятор

Усилитель переменного тока

Генератор

Демодулятор

Вход

Выход

R1

R2

R3

R4

RH

Е

IH

RH

UВХ2

UВХ1

UВЫХ2

UВЫХ1

VT2

VT1

RБ4

RБ3

RБ1

RБ2

R0

RЭ

RК1

RК2