22372

Усилители постоянного тока (УПТ)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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 ...

Русский

2013-08-04

209.5 KB

26 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 1Uвых 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 = Eк1IэRк / 2, где Rк= Rк1 = Rк2. Данное состояние схемы характеризует режим баланса каскада или режим покоя.

Uвх1 = Uвх2 = 0,      Uвых = Uк1Uк2 = 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 = Ек1Iк1Rк1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения -∆Uк1, противоположное по знаку напряжению входному Uвх1. Напряжение Uк2 = Ек1Iк2Rк2 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 2Uвых 1Iэ·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 ΔU > 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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30468. Основные модели организации публичной власти на местах в зарубежных странах 14.74 KB
  Для первых характерно избрание местной администрации местными представительными органами из своего состава причем нередко глава администрации мэр и т. но и главы местной администрации а также некоторых других должностных лиц исполнительной и судебной власти казначея прокурора мирового судьи вплоть до шерифа начальника полиции. Оно предполагает наличие у местной единицы собственной компетенции охватывающей вопросы местного значения; гарантированной конституцией и законом самостоятельности па отношению к государственной власти в...
30469. Договоры и конституционные процедуры разрешения конфликтов между федерацией и ее субъектами в зарубежных странах 15.77 KB
  Следует отметить возможность федеральной интервенции в случае конфликта между федеральной властью и властями субъектов федерации или в случае когда по каким либо причинам власть субъекта федерации не может функционировать нормально. Если земля не выполняет федеральные обязанности возложенные на нее Основным законом или иным федеральным законом то...
30470. Конституционная ответственность, ее субъекты и виды в зарубежных странах 14.2 KB
  В последнее время в литературе стали признавать наличие особого вида ответственности “конституционной†хотя до сих пор многие ее положения остаются дискуссионными. Так трудно согласиться с тем что конституционная ответственность является разновидностью политической ответственности а равно с тем что конституционная ответственностью объединяет в себе политическую моральную и юридическую ответственность. Конституционная ответственность это самостоятельный вид...
30471. Особенности Конституции и конституционного права США 14.92 KB
  Особенности Конституции и конституционного права США. Ныне действующая конституция США была принята 17 сентября 1787 г. Конституция США является выдающимся политикоправовым актом. Конституция США первая в истории писаная конституция крупного государства.
30472. Порядок выборов Президента и Конгресса США 14.83 KB
  Высшим органом законодательной власти является Конгресс США состоящий из двух палат: Палаты представителей и Сената. Палата представителей представляет интересы народа в целом. Выборы в Палату представителей проходит в первый вторник после первого понедельника ноября каждого четного года. Члены Палаты представителей избираются по мажоритарной системе относительного большинства без требования кворума.
30473. Система сдержек и противовесов в форме правления США 15.06 KB
  Влиятельная фигура в ранней Америке Джон Адамс говорил что целью конституционного правительства является создание правительства законов а не правительства людей. Для Адамса великой идеей к наделению широкими полномочиями правительства и в то же время подчинению его букве закона стал принцип разделения правительственных полномочий. Эта концепция разделения властей исторически ассоциируемая со школой французского философа Монтескье предотвратила злоупотребление властью путем отказа от концентрации власти в одной ветви или одном...
30474. Особенности конституционного права Соединенного королевства 16.64 KB
  Британский конституционализм представляет собой весьма своеобразное явление правовой действительности. Древние и крепкие корни парламентаризма англосаксонская правовая система монархическая форма правления все это делает фактическую и юридическую конституцию Великобритании уникальной. Эта страна по сей день не имеет в качестве основного закона единого писаного нормативного правового акта. Возводимое в течение многих столетий здание британского конституционализма имеет в качестве прочного и надежного фундамента общее право...
30475. Британский парламент, его взаимоотношения с Королевой и Правительством 16.23 KB
  Законодательная власть в Великобритании принадлежит парламенту но по точному смыслу британской конституции парламент триединое учреждение: оно включает главу государства монарха палату лордов исторически палату знати и высшего духовенства и палату общин исторически палату простолюдинов. Это понятие связано с тем что закон становится таковым если он принят двумя палатами есть некоторые исключения из этого правила в пользу нижней палаты и подписан монархом. Теоретически монарх в Великобритании считается...
30476. Реформа политико-территориального устройства Соединенного Королевства 14.64 KB
  Поэтому для других трех регионов в большей или меньшей степени всегда были свойственны стремление к усилению самоуправления или даже сепаратизм. право первичного законодательства в сферах здравоохранения образования местного самоуправления и политикоадминистративного деления жилищного и коммунального хозяйства окружающей среды и т. В каждой Местной единице действуют органы местного самоуправления: выборные непосредственно населением советы и исполнительные органы. Компетенция органов местного самоуправления традиционна однако...