Стабилизированный источник напряжения

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 15Следующая ⇒

Данная схема является основой ряда стабилизаторов. При подключении схемы к нестабилизированному источнику питания открывается транзистор Т₁. Как только ток через Т₁ достигнет такой величины, что на делителе окажется 10 В, а на базе Т₂ – соответственно 5 В, откроется транзистор Т₂, и избыточный ток базы Т₁ через транзистор Т₂ и стабилитрон будет «уходить» на землю. Таким образом, транзистор Т₂ «следит» за состоянием выхода схемы и за счет ООС регулирует величину U_ВЫХ.

Рис. 7.9. Пример схемы транзисторного стабилизатора напряжения

Усилительный каскад с высокочастотной (ВЧ) коррекцией

В схеме на рис. 7.10, а ВЧ-коррекция осуществляется за счет индуктивности, включенной последовательно с R_К. На низких частотах импедансом индуктивности можно пренебречь и считать , если R_Э||Z_C = r_Э. На высоких частотах , где , причем так как

Усилитель с низкочастотной (НЧ) коррекцией

В первом варианте схемы (рис. 7.10, б) R_К, R¢ _Ки С_К образуют ФНЧ с где R_ЭКВ= R_К||R¢ _К, за счет чего усиление на низких частотах больше, чем на высоких.

Во втором варианте схемы (рис. 7.10, в) из-за шунтирования части коллекторной нагрузки R_Кконденсатором С_К усиление на низких частотах больше, чем на высоких. На низких частотах , если , а На высоких частотах если .

а б в

Рис. 7.10. Примеры схем усилителей с частотной коррекцией:

а – ВЧ-коррекция при помощи индуктивности;
б – НЧ-коррекция за счет ФНЧ;
в – НЧ-коррекция путем емкостного шунтирования части коллекторной нагрузки

Контрольные вопросы к лекции

1. Каким образом определяется входное и выходное сопротивление ЭП с учетом модели Эберса – Молла?

2. Какими свойствами обладает ДУ и как они объясняются на основе модели Эберса – Молла?

3. Какими параметрами характеризуется ДУ?

4. Для чего используют источники тока в эмиттерной цепи ДУ?

5. Что обеспечивает токовое зеркало в качестве активной нагрузки ДУ?

6. Для каких целей используют мостик Уитстона?

7. Каким образом проявляется влияние емкостей p-n-переходов транзисторов на свойства схемы усилителя с ОЭ?

8. В чем заключается эффект Миллера и каковы способы его устранения?

9. В чем заключается принцип работы транзисторного стабилизатора напряжения?

10. В чем заключается принцип ВЧ- и НЧ-коррекции в усилителе с ОЭ?

ЛЕКЦИЯ 8

Операционные усилители (ОУ) и обратная связь

ОУ представляют собой дифференциальные усилители с очень большим коэффициентом усиления и очень большим входным сопротивлением. ОУ используются с ООС.

Рис. 8.1. Условное обозначение ОУ

ООС – это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. ООС может быть зависимой по какому-то параметру, например по амплитуде или частоте. За счет ООС и высокого коэффициента усиления ОУ «сводит» разность напряжений между входами к нулю. За счет высокого сопротивления входы тока почти не потребляют.

Рассмотрим влияние ООС на свойства ОУ. Пусть – коэффициент усиления ОУ, не охваченного ООС (фактически это коэффициент усиления дифференциального сигнала), а – коэффициент передачи цепи ООС. Таким образом, . Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного ООС, , где АВ – петлевое усиление, а (1 + АВ) – глубина ООС.

Рис. 8.2. Обратная связь в ОУ

При больших значениях . Таким образом, чем глубже ООС, тем больше свойства ОУ начинают от нее зависеть и в пределе определяются исключительно параметрами цепи обратной связи.

Основные схемы включения ОУ

Инвертирующий усилитель

Данная схема имеет ООС по току, так как часть выходного тока подается в противофазе обратно на вход. Поскольку за счет ООС разность напряжений и на входах ОУ сводится к 0, то . Тогда , . Так как входы ОУ тока не потребляют, то , а значит, и . Данный вариант ОУ не обладает высоким входным сопротивлением, поскольку .

Рис. 8.3. Инвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель

Данная схема имеет ООС по напряжению, так как часть выходного напряжения подается в противофазе обратно на вход.

Рис. 8.4. Неинвертирующий усилитель

Так как за счет ООС разность напряжений U_– и U₊ на входах ОУ сводится к 0, то . Тогда , а . Таким образом, .

По сравнению с предыдущим вариантом (рис. 8.3) схема обладает большим входным сопротивлением, поскольку вход ОУ не потребляет тока, и меньшим выходным сопротивлением, так как цепь ООС с подключена параллельно выходу ОУ.

Усилитель переменного тока

При подаче на ОУ сигнала через емкость необходимо предусмотреть цепь смещения. При двухполярном питании достаточно сопротивления R, соединенного с землей, величина которого должна быть R £ 0, 1R_ВХ, где R_ВХ – входное сопротивление ОУ. Расчет ФВЧ, образованного цепью RC, производится с учетом нижней граничной частоты сигнала: . Для данной схемы f_Н = 16 Гц.

Рис. 8.5. Усилитель переменного тока на ОУ

При однополярном питании ОУ необходимо предусмотреть смещение с помощью делителя, исходя из условия симметричности входного сигнала.

Рис. 8.6. Усилитель переменного тока на ОУ с однополярным питанием

Рис. 8.7. К выбору смещения при однополярном питании ОУ

В ряде случаев в сигнале имеется постоянная составляющая, усиливать которую вместе с сигналом нежелательно. Например, такая постоянная составляющая возникает при задании смещения в неинвертирующем ОУ с однополярным питанием. Для ее устранения в цепь ООС устанавливают конденсатор.

Рис. 8.8. Устранение постоянной составляющей в усилителе переменного тока
на ОУ с однополярным питанием

В результате коэффициент усиления ОУ для постоянной составляющей , так как , а для частот сигнала . Выбор С₁ производится, исходя из нижней граничной частоты сигнала f_Н. Если , то для частот сигнала . Для данной схемы при
f_Н = 16 Гц ½ Z_C½ = 2 к и К_U » 5, 5.

Повторитель (буфер) на ОУ

Неинвертирующий ОУ с единичным коэффициентом усиления ( ) называют повторителем или буфером. Повторитель предназначен для согласования каскадов. Действительно, данная схема имеет , поскольку она эквивалентна инвертирующему ОУ с , в цепи ООС которого , а .

Поскольку вход повторителя ток практически не потребляет, то его входной импеданс очень велик, а поскольку повторитель имеет 100-процентную ООС по напряжению, то его выходное сопротивление очень мало.

Рис. 8.9. Повторитель (буфер) на ОУ

Источники тока на ОУ

Включив нагрузку в цепь ООС, можно получить через нее ток, не зависящий от параметров нагрузки. Действительно, поскольку за счет ООС U_– =
= U₊ = U_ВХ, то ток через нагрузку равен .

Рис. 8.10. Источник тока на ОУ с незаземленной нагрузкой

Недостаток рассмотренного выше источника тока заключается в том, что нагрузка не заземлена. «Привязать» нагрузку к земле можно путем подключения транзистора к выходу ОУ. ООС при этом снимается с эмиттера транзистора.

Рис. 8.11. Источник тока на ОУ с заземленной нагрузкой

Действительно, так как U_– = U₊ = U_ВХ = U_Э, то , причем . Однако в данном варианте схемы входное напряжение фиксируется не относительно земли, а относительно напряжения питания, что затрудняет внешнее управление источником тока. Устранить этот недостаток можно двухкаскадной схемой, в которой задано от внешнего устройства относительно земли и фиксируется первым источником тока на ОУ₁ и Т₁ относительно напряжения питания U. Для этого R₁= R₂. Заземленная нагрузка подключена ко второму источнику тока на ОУ₂ и Т₂, вход которого, в свою очередь, подключен к выходу первого источника тока. Как и в предыдущем варианте схемы, .

Рис. 8.12. Источник тока на ОУ с заземленной нагрузкой
и входным управляющим напряжением, задаваемым относительно земли

Логарифмический усилитель

В логарифмическом усилителе . Данная схема представляет собой инвертирующий ОУ, цепь ООС которого является амплитудно-зависимой и выполнена с использованием р-n-перехода транзистора. Действительно, так как за счет обратной связи U_– = U₊ = 0, то U_ВЫХ = U_БЭ. В свою очередь, так как , а , то с учетом .

Рис. 8.13. Логарифмический усилитель на ОУ

Дифференциальный усилитель

Покажем, что нижеприведенная схема формирует выходное напряжение , пропорциональное разности двух входных сигналов и , т.е. . На схеме одинаковыми индексами обозначены одинаковые резисторы одинаковых номиналов.

а б

Рис. 8.14. Дифференциальный усилитель на ОУ (а)
и делители, образуемые входной и выходной цепью (б)

Относительно уровня входного напряжения потенциал , где . С другой стороны, . Поскольку за счет ООС , то или . Таким образом, , причем .

Суммирующий усилитель

На рис. 8.15 приведена схема суммирующего усилителя. Фактически это вариант инвертирующего усилителя. Действительно, поскольку входы ОУ тока не потребляют, , а из-за ООС , то или .

Рис. 8.15. Суммирующий усилитель на ОУ

8.2.9. Простейший цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП)
на основе суммирующего ОУ

Для построения ЦАП входная цепь ОУ составлена из резисторов, номиналы которых кратны двум.

Рис. 8.16. Схема простейшего ЦАП

В этом случае получаем суммирование входных напряжений с весовыми коэффициентами. Действительно, , а так как , то .

Поскольку , , (и т. д., если увеличить число входов), то наличие соответствующего цифрового кода на входе схемы приводит к соответствующей величине аналогового напряжения на ее выходе.

U_ВХ, ед.	Двоичный код	U_ВЫХ, В
U₃	U₂	U₁

Рис. 8.17. Иллюстрация принципа ЦАП

Недостаток схемы – большая номенклатура резисторов. Поэтому на практике для построения ЦАП в цепи ООС применяется резистивная матрица , в которой используются только два номинала резисторов.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒