Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Skhemotekhnika_PE

.pdf
Скачиваний:
178
Добавлен:
12.05.2015
Размер:
1.28 Mб
Скачать

 

71

 

 

Ср.1

R1

R3

 

 

 

+

 

 

VT1

 

 

EПЛ

 

 

 

СОС

R2

RН

 

 

RОС

 

UBX.1

 

 

 

Ср.2

 

 

 

 

 

VT2

+

UBX.2

 

R4

EПЛ

 

 

 

 

 

Рис. 3.19

 

R1

 

 

 

 

 

IК.П1

T1

IБ.П1

 

VT1

EК.1

С1

 

 

 

+

R2

 

RН

 

 

 

R3

 

IК.П2

UBX

IБ.П2

 

EК.2

 

VT2

 

 

 

С2

+

 

 

R4

 

 

 

IД

 

 

 

Рис. 3.20

В этом случае предоконечным каскадом является КПУ по схеме ОТУМ. Режим АВ задается входными делителями R1 и R2.

Расчет ДУМ

Расчет производится для одного плеча, исходными данными являются

РН, RН.

1) По заданным величинам РН и RН определяются амплитудные значе- ния тока и напряжения в нагрузке по формулам:

I H .М = 2 PH RH ;

72

UН.М = IН.М · RН.

2) Определяется напряжение питания EК.ПЛ = ЕК1 = ЕК2 по формуле

EК.ПЛ = UН.М + DUКЭ.

Напряжение DUКЭ на данном этапе расчета принимается равным 1¸2 В, после выбора транзистора и построения нагрузочной прямой по пе- ременному току DUКЭ может быть уточнено.

3) Определяется UКЭ.MAX с некоторым запасом: UКЭ.MAX = 2,5ЕК.ПЛ – (максимальное напряжение UКЭ достигается на закрытом транзисторе одно-

го плеча в случае, когда транзистор другого плеча полностью открыт, и мо- жет составлять 2ЕК.ПЛ).

4)

Выбирается транзистор из условий: UКЭ.ДОП ³ UКЭ.MAX;

IК.ДОП³ (1,25 ¸ 1,5)IH.M; РК.ДОП ³ (0,5 ¸ 1)РН; fh21Э > (3¸5) · fВ.

5)

Дальнейший расчет производится с использованием ВАХ транзи-

стора. Построения на семействе выходных ВАХ представлены на рис. 3.21, построения на входной ВАХ аналогичны построениям, производимым при расчете ДТУМ.

Особенностью ДУМ является то, что UКЭ.П = ЕК.1. Это видно из урав- нения для выходной цепи транзистора, например, для плеча на транзисторе VT1, составленного по 2-му закону Кирхгофа (рис. 3.20)

UКЭ.П1 + (IК.П1 IК.П2) · RН = EК.1,

откуда при IКП.1 = IКП.2 получаем UКЭ.П = ЕК.1 = ЕК.ПЛ.

Для входной характеристики, снятой при UКЭ = UКЭП, проводится ка- сательная к ее линейной части, находится точка пересечения касательной с осью UБЭ. Восстанавливается перпендикуляр из этой точки на ВАХ, нахо- дится положение точки покоя входной цепи транзистора П/ с координатами IБ.П, UБЭ.П. Точка покоя выходной цепи П лежит на ВАХ, соответствующей IБ = IБ.П и имеет координату UКЭ = UКЭ.П. Через точку П и точку на оси на- пряжений UКЭ = ЕК.ПЛ проводится нагрузочная прямая по постоянному току (показана на рис. 3.21 штриховой линией). Она проходит параллельно оси токов IК.

IК

ЕК.ПЛ/RH

 

IБ

UКЭ.П

 

А

 

IБ.2=IБ.МАХ

А/

IК.МАХ

 

IБ.МАХ

 

 

 

 

 

IК.П

П IБ.1=IБ.П

П/

 

 

UКЭ

IБ.П

UБЭ

 

UБЭ.П

UКЭ

ЕК.ПЛ

UБЭ.МАХ

UH.M

 

UВХ.М

 

 

Рис. 3.21

73

Особенностью ДУМ, как и ДТУМ, является то, что нагрузочная пря- мая по переменному току не проходит через точку покоя. При переходе UВХ через нуль переменная составляющая тока IК равна нулю, а напряжение UКЭ равно ЕК.ПЛ. Нагрузочная прямая пересекает ось напряжений В точке

UКЭ = ЕК.ПЛ, Ось токов в точке IК = ЕК.ПЛ/RН. (показана на рис. 3.21 сплош- ной линией).

На нагрузочной прямой по переменному току находится точка А, как точка пересечения с началом линейного участка выходной ВАХ, определя- ется ее координата по току IK.MAX. Изменение переменной составляющей коллекторного тока происходит от 0 до IK.MAX = IH.M. Эта величина должна быть больше или равна определенной в п.1. Если последнее условие выпол- няется, проверка отдаваемой плечом мощности не требуется. Невыполнение

условия IK.MAX = IH.M возможно, если UKЭ, определенное по ВАХ, больше задаваемого в п.2. В этом случае необходимо изменить ЕК.ПЛ и повторить

расчет.

6) Далее производится проверка РК.MAX по формуле

РК.МАХ = 0,202 Р Н · Е2К.ПЛ /(ЕК.ПЛ UКЭ)2.

Мощность РК.MAX не должна превышать (0,8÷0,9)·РК.ДОП, в противном случае необходимо выбрать транзистор с большей РК.ДОП и повторить рас- чет.

7)Определяется IБ.2 = IБ.MAX, как ток, соответствующий выходной ВАХ, проходящей через точку А; на входной ВАХ находится точка А/, оп- ределяется UБЭ.MAX, соответствующее этой точке.

8)Определяются RВХ = RВХ.ПЛ и требуемая для управления каскадом мощность РВХ. Для рассматриваемой схемы RВХ = h11Э и определяется по

формуле

h11.Э = (UБЭ.MAX UБЭ.П)/(IБ.MAX IБ.П),

в которую в данном случае подставляют IБ.П = 0.

Мощность РВХ определяется по формуле

РВХ = I2Б.MAX · RВХ/2.

Величины RВХ и РВХ являются исходными данными для расчета пре- доконечного каскада.

9) Рассчитываются сопротивления входного делителя R1 ÷ R4. Для это- го задается ток IД = (0,5 ÷ 2) ·IБ.MAX, искомые сопротивления определяются

по формулам

R1 = (ЕК.ПЛ UБЭ.П) /(IД + 2·IБ.П);

R2 = UБЭ.П /(IД + IБ.П);

R3 = (ЕК.ПЛ UБЭ.П) /(IД + IБ.П);

R4 = UБЭ.П /IД.

10) Рассчитывается ηУМ по формуле:

74

ηУМ =

РН

 

,

 

 

(I Д + IБ.П + IК.П +

1

IK.МАХ ) × 2EК.ПЛ

 

π

его величина должна быть близка к максимально возможной для ДУМ ре-

жима АВ, ηmax = (0,6 ÷ 0,7).

3.8 ДУМ на транзисторах разного типа проводимости

Принципиальная схема ДУМ представлена на рис. 3.22. Транзисторы включены по схеме с ОК, имеется внутренняя отрицательная обратная связь.

R1

IБ.П1

IК.П1 +

 

 

VT1

EК.1

 

 

RН

VD1

 

2UБЭ.П

 

Ср1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VT2

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EК.2

UBX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IК.П2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IБ.П2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IД

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.22

В качестве предоконечного каскада для такого ДУМ используется КПУ по схеме с ОЭ. Выходным током транзистора является ток эмиттера

IЭ = (1 + h21.Э) · IК / h21.Э. Так как h21.Э >> 1, IЭ » IК, выходным током транзи- стора можно считать ток IK, что позволяет использовать для расчета каскада

ВАК транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Расчет схемы производится для одного плеча и во многом совпадает с расчетом ДУМ на транзисторах одного типа проводимости. Последователь- ность расчета следующая.

1) Рассчитываются амплитудные значения тока и напряжения в на-

грузке

I H .М = 2 PH RH ;

UН.М = IН.М · RН.

2)Определяется напряжение питания EК.ПЛ = ЕК1 = ЕК2 = UН.М + DUКЭ.

3)Определяется UKЭ.MAX = 2,5ЕК.ПЛ.

4) Выбирается транзистор из условий: UКЭДОП ³ UКЭ.MAX;

IК.ДОП ³ (1,25 ¸ 1,5)IH.M; РК.ДОП ³ (0,5¸ 1)РН; fh21.Э > (3 ¸ 5) · fВ. Транзистор

75

второго плеча выбирается другого типа проводимости и с такими же пара- метрами (так называемый комплиментарный транзистор).

5) Дальнейший расчет производится с использованием ВАХ транзи- стора. Особенностью ДУМ является то, что UКЭ.П = ЕК.1

UКЭ.П1 + (IК.П1 IК.П2) · RН = EК.1,

откуда при IКП.1 = IКП.2 получаем UКЭ.П = ЕК.1 = ЕК.ПЛ.

Для входной характеристики, снятой при UКЭ = UКЭ.П, проводится ка- сательная к ее линейной части, находится точка пересечения касательной с осью UБЭ. Восстанавливается перпендикуляр из этой точки на ВАХ, нахо- дится положение точки покоя входной цепи транзистора П/ с координатами IБ.П, UБЭ.П. Точка покоя выходной цепи П лежит на ВАХ, соответствующей IБ = IБ.П и имеет координату UКЭ = UКЭ.П. Через точку П и точку на оси на- пряжений UКЭ = ЕК.ПЛ проводится нагрузочная прямая по постоянному току (показана на рис. 3.23 штриховой линией). Она проходит параллельно оси токов IК.

IК

ЕК.ПЛ/RH

 

IБ

UКЭ.П

 

А

 

IБ.2=IБ.МАХ

А/

IК.МАХ

 

IБ.МАХ

 

 

 

 

 

IК.П

П IБ.1=IБ.П

П/

 

 

UКЭ

IБ.П

UБЭ

 

UБЭ.П

UКЭ

ЕК.ПЛ

UБЭ.МАХ

UH.M

 

UБЭ.М

 

 

 

Рис. 3.23

 

 

Построения на семействе входных и выходных ВАХ представлены на рис. 3.23. В рассматриваемой схеме UBX.M ¹ UБЭ.M, по входной ВАХ опреде-

ляется UБЭ.M.

6) Производится проверка РК.MAX = 0,202 Р Н · Е2К.ПЛ /(ЕК.ПЛ UКЭ)2.

7)Определяется IБ2 = IБ.MAX, как ток, соответствующий выходной ВАХ, проходящей через точку А; на входной ВАХ находят точку А/, опре- деляется UБЭ.MAX, соответствующее этой точке.

8)По входной ВАХ определяется UБЭ.M = UБЭ.MAX UБЭ.П, далее опре-

деляется

UBX.M = UБЭ.M + UH.M.

9) Рассчитываются сопротивления входной цепи каскада R1 и R2 и вы-

бирается диод. Для этого задается ток делителя IД = (2 ÷ 3) · IБ.MAX, искомые

сопротивления определяются по формуле

R1 = R2 = (ЕК.ПЛ UБЭ.П) /(IД + IБ.П).

 

 

76

 

 

Выбор

диода

осуществляют по

допустимому прямому

току

IПР.ДОП > IД

и току

начала линейного

участка прямой ветви

ВАХ

IНАЧ < IД IБ.MAX. От протекания тока IД на диоде должно быть падение на- пряжения UБЭ.П. Выбор диода по последним двум условиям производится

по прямой ветви ВАХ диода. В случае если не удается выбрать диод с тре- буемым падением напряжения, применяют цепочку из двух и более после- довательно включенных диодов.

10) Определяется RВХ = RВХ.ПЛ, по формуле

RВХ = R1 || [h11Э + (1 + h21.Э)RH],

где h11.Э и h21.Э можно определить по ВАХ транзистора, либо по его пас- портным данным. В справочной литературе, как правило, приводится диа-

пазон изменения h21.Э. Для расчетов берется среднее значение h21.Э. Величины UВХ.M и RВХ являются исходными данными для расчета

предоконечного каскада.

11) Рассчитывается КПД УМ

ηУМ =

РН

 

.

 

 

(I Д + IБ.П + IК.П +

1

IK.МАХ ) × 2EК.ПЛ

 

π

4 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Обратной связью (ОС) в усилителях называют явление передачи сиг- нала из выходной цепи во входную. Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, носят название цепей обратной связи. Структурная схема уси- лителя, охваченного ОС, приведена на рис. 4.1. В нем выходной сигнал уси- лителя 1 (в виде напряжения UВЫХ или тока IВЫХ) через цепь обратной связи 2 частично или полностью подается к схеме сравнения. В ней происходит вычитание (или сложение) входного сигнала UВХ или IВХ и сигнала ОС UОС или IОС. В результате этого на вход усилителя поступает сигнал, равный разности или сумме входного сигнала и сигнала обратной связи.

UBX, IBX

U1, I1

 

UBЫX, IBЫX

1

 

 

 

 

 

 

 

UОС, IОС

2

Рис. 4.1

Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения.

77

Местной обратной связью (местной петлей обратной связи) принято называть ОС, охватывающую отдельные каскады или части усилителя, а общей обратной связью - такую ОС, которая охватывает весь усилитель.

Обратную связь называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается, а при положительной увеличивается. Из-за схемных особенностей усилите- ля и цепи ОС возможны варианты, когда обратная связь существует либо только для медленно изменяющейся составляющей выходного сигнала, ли- бо только для переменной составляющей его, либо для всего сигнала. В этих случаях говорят, что обратная связь осуществлена по постоянному, по переменному, а также как по постоянному, так и по переменному токам.

В зависимости от способа получения сигнала различают обратную связь по напряжению (рис. 4.2, а), когда снимаемый сигнал ОС пропорцио- нален напряжению выходной цепи; обратную связь по току (рис. 4.2,б), ко- гда снимаемый сигнал ОС пропорционален току выходной цепи; комбини- рованную ОС (рис. 4.2, в), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.

>

Z1

>

UBЫX

>

Z1

UBЫX

UBЫX

 

 

ZOC

 

Z2

 

 

 

 

 

Z2

 

 

 

UОС

UОС

 

 

Z3

 

 

UОС

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.2

По способу введения во входную цепь сигнала обратной связи разли- чают: последовательную схему введения ОС (рис. 4.3, а), когда напряжение сигнала ОС суммируется с входным напряжением; параллельную схему введения ОС (рис. 4.3, б), когда ток цепи ОС суммируется с током входного сигнала; смешанную схему введения ОС (рис. 4.3, в), когда с входным сиг- налом суммируются ток и напряжение цепи ОС.

Для количественной оценки степени влияния цепи обратной связи ис- пользуют коэффициент обратной связи χ, показывающий, какая часть вы- ходного сигнала поступает на вход усилителя. В общем случае χ =

РОС/РВЫХ.

Однако значительно чаще χ определяют как отношение напряжений или токов:

χU = UОС/UВЫХ ; χi = IОС/IВЫХ,

 

78

причем при рассмотрении обратной связи по напряжению индекс U обычно

опускается.

 

а)

б)

Z1

 

 

 

UBX

I1

>

 

IОС

UОС

 

 

в)

 

Z1

Z2

 

 

 

 

UBX

 

Z3

Z1

 

UBX

>

UОС

 

>

 

Z4

 

UОС

 

Рис. 4.3

Рассмотрим, как изменяются основные параметры усилителя, охва- ченного обратной связью.

Коэффициент усиления. Для простоты и наглядности будем cчитать, что фазовые сдвиги в цепях усилителя и обратной связи отсутствуют. Цепь положительной обратной связи охватывает весь усилитель (рис. 4.1). Сиг- нал обратной связи пропорционален выходному напряжению (обратная связь по напряжению).

Коэффициент усиления усилителя, охваченного такой цепью ОС,

KOC = UВЫХ /UВХ

Из рис. 4.1 видно, что

 

 

U1

= UВХ + UОС;

 

 

 

 

 

 

 

UОС = χUВЫХ;

 

 

 

 

 

 

 

UВЫХ = K · U1

 

 

 

 

 

где K коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

Тогда

KU1

 

 

 

 

KU1

 

 

 

K

 

KOC =

 

=

 

 

=

 

 

.

U1

UOC

 

U1

K χ U1

1

K χ

 

 

 

 

 

Произведение K χ называют петлевым усилением, а (1 – K χ) – глуби- ной обратной связи.

Так как входной сигнал и сигнал обратной связи суммируются, то в рассматриваемом случае имеет место положительная ОС. Она увеличивает значение коэффициента усиления усилителя. Значение петлевого усиления

при положительной обратной связи ограничено условием

K χ < 1.

79

При Kχ ³ 1 усилитель теряет устойчивость и не может рассматривать- ся как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зави- симым от входного сигнала (первое условие потери устойчивости). При этом возможны возникновение автоколебаний, когда выходное напряжение мало зависит от входного сигнала и периодически изменяется с какой-либо частотой, или появление триггерных «эффектов», при которых усилитель

скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния в другое при определенном уровне входного сигнала. Сущность этих режимов заключа- ется в следующем: если Kχ ³ 1, то любой малейший входной сигнал, вы- званный наводками или колебаниями параметров активных элементов, уси- лится и вернется обратно на вход усилителя. Причем значение этого при- шедшего сигнала равно (Kχ = 1) или больше входного сигнала. Суммируясь с ним, он вызывает появление большего выходного сигнала, который, в свою очередь, снова суммируется с входным и вызывает дальнейшее увели- чение выходного сигнала. В итоге любой малый входной сигнал, возник- ший в линейной усилительной цепи, охваченной положительной ОС, вызо- вет появление выходного сигнала, значение которого стремится к бесконеч- ности. В реальном усилителе такое усиление невозможно из-за ограниче- ний, наступающих при каком-то значении выходного сигнала. В результате будет не «бесконечно» большое усиление, а появятся незатухающие авто- колебания или на выходе будет максимальное напряжение, которое может появиться в усилителе. Форма автоколебаний зависит от характера и пара- метров цепи обратной связи и коэффициента петлевого усиления.

Так как сигнал обратной связи суммируется с входным сигналом, т. е. фазовый сдвиг между ними равен нулю, то можно сформулировать второе условие возникновения автоколебаний: фазовый сдвиг, вносимый усилите- лем и цепью обратной связи, должен быть равен на частоте автоколеба- ний.

Таким образом, если на какой-то частоте выполняются условия |Кc| > 1 и φ = 0°, то усилитель потеряет устойчивость. Если эти условия вы- полняются только на одной частоте, то сигнал автоколебаний будет иметь синусоидальную форму.

Когда условия самовозбуждения выполняются в полосе частот от ωН до ωВ, причем ωН > 0, то выходной сигнал имеет несинусоидальную форму. При выполнении условий потери устойчивости на нулевой частоте автоко- лебания отсутствуют, и наблюдается появление триггерного эффекта.

Если усилитель или цепь ОС вносит фазовый сдвиг, равный 180°, то

входной сигнал и сигнал обратной связи вычитаются друг

из друга:

U1 = UВХ U0C, а ОС становится отрицательной.

 

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью

 

 

K

 

KOC =

 

.

(4.1)

1+ K χ

80

Так как положительная обратная связь ухудшает характеристики уси- лителя, в усилителях измерительных устройств в основном используют от- рицательную обратную связь.

Применение отрицательной обратной связи обеспечивает: повышение стабильности коэффициента усиления при смене активных компонентов, изменении напряжений питания и т.д.; расширение полосы пропускания усилителя; уменьшение фазового сдвига между выходным и входным на- пряжениями; снижение уровня нелинейных искажений и собственных по- мех, возникающих в той части усилителя, которая охвачена отрицательной ОС.

Для количественной оценки действия цепи обратной связи проанали- зируем стабильность коэффициента усиления усилителя с ОС. Для этого продифференцируем выражение (4.1), учитывая, что в общем случае изме- няются и коэффициент обратной связи χ, и коэффициент усиления усилите- ля K:

dK

OC

= K (1+ K χ) - K χ K - K 2χ =

 

1

 

K -

 

K 2

χ . (4.2)

(1+ K χ )2

(1

+ K χ)2

 

(1+ K χ)2

 

 

 

 

 

 

 

Относительное изменение коэффициента усиления получим, разделив

обе части выражения (4.2) на (4.1):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dKOC =

 

 

1

 

K -

 

 

K

 

χ

 

 

(4.3)

 

 

 

K(1+ K χ)

 

 

+ K χ )

 

 

 

 

KOC

 

 

(1

 

 

 

 

Учитывая, что в большинстве случаев применения отрицательной об-

ратной связи Kχ >> 1, выражение (4.3) преобразуем к виду

 

 

 

 

dKOC »

1

dK

- dχ

 

 

 

 

 

(4.4)

 

 

1+ K χ

K

 

 

 

 

 

 

 

KOC

 

 

χ

 

 

 

 

 

 

Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, вызванное относительным из- менением коэффициента усиления самого усилителя, уменьшается в (1 + Kχ) раз. Колебания параметров цепи обратной связи существенно влияют на коэффициент усиления усилителя, поэтому к их стабильности предъявляют повышенные требования. В прецизионных усилителях dχ стре- мятся сделать близким к нулю. Например, пусть усилитель имел параметры K = 104; χ = 0,1; KОС = 9,99. В результате старения элементов и изменения

напряжения питания коэффициент усиления усилителя уменьшился в два раза и стал K = 5 ×103. Тогда относительное изменение коэффициента усиле-

ния всего усилителя

 

DKOC =

 

dK

;

 

 

KOC

K (1+ K χ )

 

 

DKOC =

5×103

 

=1,996×10−3

» 2 ×10−3

5×103(1+ 5×102 )

KOC