Принципы построения генераторов

Дифференциальный каскад

Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие

= . (2.18)

Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.

На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I_э. В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15), а два других транзисторами Т и Т (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Т в одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R . Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.

Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального

моста усилительного каскада

При наличии в составе схемы дифференциального каскада источника стабильного тока I базы транзисторов Т и Т находятся под положительным потенциалом относительно “земли”, и транзисторы работают в режиме класса А.

Особенностями дифференциального усилительного каскада являются:

- использование двухполярного источника постоянного напряжения, для чего каскад имеет три клеммы питания + Е ,- Е и “земля”;

- наличие двух входов для подачи усиливаемых сигналов;

- отсутствие заземления одной из выходных клемм, т.е. нагрузка оторвана от «земли» (в отличие от схемы на рис.2.2).

Представляется важным определить, чем отличаются друг от друга входы дифференциального усилителя. С этой целью проводится сравнение двух вариантов подачи входного сигнала:

а) входной сигнал подается на первый вход каскада (на базу транзистора Т ), а второй вход заземлен;

б) входной сигнал подается на второй вход каскада (на базу транзистора Т ), а первый вход заземлен.

При анализе следует иметь в виду, что в дифференциальном усилителе единая линия нагрузки, поскольку в его схеме отсутствуют конденсаторы.

Рис.2.17. Подача входного сигнала положительной полярности

в дифференциальном каскаде: а - со стороны транзистора Т₁,

б – со стороны транзистора Т₂

Пусть на базу транзистора Т при заземленной базе транзистора Т (вариант «а») подается напряжение входного сигнала положительной полярности, при котором происходит увеличение базового тока транзистора Т относительно этого тока в точке покоя. Ток базы транзистора Т также изменится, но в противоположную сторону, т.е. уменьшится. Это иллюстрируется рис.2.17,а, где пунктиром отмечен контур, по которому протекает ток I , обусловленный подачей входного сигнала. Видно, что ток I протекает в направлении к транзистору Т , но от транзистора Т . Изменение базовых токов транзисторов Т и Т вызывает изменение их коллекторных токов. Как следует из рис.2.18,а, где приведены выходная характеристика и линия нагрузки, ток коллектора транзистора Т увеличивается, а транзистора Т - уменьшается. Изменение этих токов относительно тока точки покоя будет одинаковым, поскольку схемой дифференциального каскада обеспечивается постоянство суммы эмиттерных токов

I + I = I = const .

Выходное напряжение дифференциального каскада, снимаемое с коллекторов транзисторов Т и Т , можно представить как

U = U - U = (Е - I R ) – (Е - I R ). (2.19)

С учетом того, что сопротивления резисторов R и R одинаковы, а

I = I - ∆ I и I = I +∆ I , где ∆ I - изменение коллекторных токов транзисторов относительно тока в точке покоя, следует

U = 2 R ∆ I .

Выходное напряжение имеет положительную полярность.

Рис.2.18. Положение рабочих точек транзисторов Т₁ (1) и Т₂ (2)

на выходной характеристике при подаче входного сигнала

положительной полярности: а - со стороны транзистора Т₁,

б – со стороны транзистора Т₂

При подаче на базу транзистора Т входного сигнала отрицательной полярности, направление тока I изменится на противоположное относительно того, что показано на рис.2.17,а. В результате величина базового тока транзистора Т уменьшится, а транзистора Т - увеличится. Соответствующим образом изменятся величины коллекторных токов, и выходное напряжение будет отрицательным

U = -2 R ∆ I .

Таким образом, при подаче сигнала на базу транзистора Т и заземленной базе транзистора Т (вариант «а») усиление в дифференциальном каскаде происходит без изменения полярности сигнала, т.е. его инверсия отсутствует.

Случай подачи входного сигнала положительной полярности на базу транзистора Т и заземленной базе транзистора Т (способ “б” подачи входного сигнала) иллюстрируется рис.2.17,б и 2.18,б. Анализ, аналогичный проведенному выше, позволяет заключить, что в этом случае выходное напряжение дифференциального каскада

U = -2 R ∆ I .

При подаче входного сигнала отрицательной полярности

U = 2 R ∆ I .

Следовательно, при усилении происходит изменение полярности сигнала, т.е. его инверсия.

В связи с различным характером усиления один вход дифференциального усилительного каскада является неинвертирующим, а второй – инвертирующим. При подаче входного сигнала на инвертирующий вход усиление сопровождается инверсией полярности. Иными словами, выходной сигнал по фазе сдвинут относительно входного сигнала на 180⁰. При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход при усилении инверсия полярности отсутствует, выходной и входной сигналы синфазны.

Обратные связи в усилителях

Под обратной связью понимается передача информации с выхода устройства или системы на его или ее вход. В электронных устройствах, в частности, в усилителе она используется для улучшения его показателей или придания ему новых свойств. На рис.2.19 представлена структурная схема усилителя с обратной связью. Усилитель характеризуется комплексным коэффициентом усиления напряжения _u, а цепь обратной связи – комплексным коэффициентом передачи напряжения _u.

Рис.2.19. Структурная схема усилителя с обратной связью

Как видно из рис.2.19, на входе усилителя происходит суммирование входного сигнала (напряжения ) и сигнала (напряжения _ос), поступившего по обратной связи. Поэтому для напряжения на входе усилителя можно записать

= + . (2.20)

Если левую и правую части соотношения (2.20) разделить на (напряжение на выходе усилителя), то нетрудно получить

= + , (2.21)

где _u = - коэффициент усиления собственно усилителя;

_u _ос = - коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью;

= - коэффициент передачи напряжения.

Откуда _u _ос = . (2.22)

Из соотношения (2.22) следует, что наличие обратной связи в усилителе может оказать существенное влияние на величину коэффициента усиления. Это влияние зависит от условий суммирования входного напряжения и напряжения обратной связи на входе усилителя. Наиболее интересны два случая: когда суммирование напряжений происходит в фазе и противофазе. В первом случае, при положительной обратной связи, на входе усилителя напряжения складываются. Во втором случае, отрицательной обратной связи, они вычитаются. Для упрощения анализа этих случаев целесообразно соотношение (2.22) записать для модулей коэффициентов и . Тогда

(2.23)

Случай, когда 1 > К_u χ_u > 0, соответствует положительной обратной связи, при которой коэффициент усиления становится больше коэффициента усиления собственно усилителя. Случай, когда К_u χ_u < 0, соответствует отрицательной обратной связи, при которой коэффициент усиления становится меньше коэффициента усиления усилителя без обратной связи.

Отрицательная обратная связь часто вводится в схему усилителя для достижения стабильности коэффициента усиления (при уменьшении его величины). В этом можно убедиться, продифференцировав соотношение (2.23) при изменении знака в знаменателе, т.е. записанного для случая отрицательной обратной связи

d К_u _ос= = .

Деление этого соотношения на K_uoc, записанного для случая отрицательной обратной связи, дает выражение для относительных изменений коэффициентов усиления

= ∙ . (2.24)

Откуда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, обусловленное нестабильностью электрического режима его работы, в (1 + К_u χ_u) раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без такой связи.

Из соотношения (2.24) в частности следует, что отрицательная обратная связь повышает стабильность выходного напряжения усилителя при неизменной величине входного напряжения, но при действии внешних дестабилизирующих факторов. Одним из таких факторов является изменение тока в нагрузке, связанное с изменением ее сопротивления. Согласно закону Ома стабилизация выходного напряжения в этом случае обеспечивается тем, что при охвате усилителя отрицательной обратной связью его выходное сопротивление уменьшается в (1 + К_u χ_u) раз. Таким образом, величина выходного сопротивления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью

R_вых _ОС = , (2.25)

где R_вых – выходное сопротивление собственно усилителя.

Необходимо отметить, что отрицательная обратная связь используется в схеме усилительного каскада на рис.2.2 для температурной стабилизации положения точки покоя на выходной характеристике транзистора. Действительно, при наличии резистора R повышение температуры транзистора приводит к уменьшению величины базового тока, в результате чего происходит смещение точки покоя в направлении, противоположном тому, которое получается при повышении температуры (см. разд. 2.5).

Принципы построения генераторов

Синусоидальных колебаний

Генераторы, как и усилители, являются преобразователями энергии источника постоянного тока в энергию выходного сигнала определенного спектра. Однако это преобразование энергии происходит без подачи входного сигнала от внешнего источника. Поэтому в генераторе имеются лишь клеммы для подключения источника постоянного питания и вывода выходного сигнала. С выходных клемм генератора синусоидальных колебаний снимается переменное напряжение определенной частоты.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний приведена на рис.2.20. Генератор построен на базе усилителя, в качестве входного напряжения которого используется часть выходного, переданного по цепи положительной обратной связи. Такая схема может перейти в режим самовозбуждения, если выполняется условие

(2.26)

Рис.2.20. Структурная схема генера- Рис.2.21. Построение для определе тора синусоидальных колебаний ния напряжения U_вх ₀ на входе уси-

лителя в составе генератора

Знак равенства в этом соотношении соответствует установившемуся генераторному режиму. Действительно, при К_u χ_u = 1 знаменатель соотношения (2.23) равен нулю и К_u _ос → ∞, т.е. выходной сигнал обеспечивается только за счет усиления сигнала, поступающего по цепи обратной связи. Условие К_u χ_u > 1 соответствует установлению в усилителе генераторного режима, однако этот режим не будет стационарным.

Поскольку

= К е и _u = χ_uе^jφ ^ос,

где φ и φ - сдвиги фазы сигнала при усилении и при прохождении цепи обратной связи, то установившийся режим генератора достигается при выполнении следующих условий

К χ _u= 1 (2.27)

φ + φ = 2 π n, (2.28)

где n = 0, 1, 2…, т.е. целое число.

Соотношение (2.27), называемое амплитудным условием стационарного режима генератора, соответствует такому режиму, при котором величина переменного напряжения, поступающая на вход усилителя по цепи обратной связи, обеспечивает его работу с коэффициентом усиления К . Графическое решение уравнения (2.27) иллюстрируется построениями на рис. 2.21, на котором приведена амплитудная характеристика усилителя и прямая 1/χ, учитывающая тот факт, что параметр обратной связи не зависит от напряжения на входе усилителя. Точка пересечения на рис.2.21 определяет величину напряжения на входе усилителя U при его работе в составе генератора. Видно, что условие (2.27) может обеспечиваться лишь при работе усилителя в режиме насыщения.

Соотношение (2.28) является фазовым условием стационарного режима, условием баланса фаз. Согласно этому условию сумма фазовых сдвигов в усилителе и в цепи обратной связи должна быть кратна 2π, что реализуется при положительной обратной связи.

В схемах генераторов синусоидальных колебаний вводится элемент с частотной зависимостью электрических параметров, которым определяется рабочая частота. Такими элементами являются колебательные LC-контуры и RC-фильтры. Рабочая частота LC-генератора практически совпадает с резонансной частотой контура

f_рез = .

Как следует из этого соотношения, что при переходе к низким частотам увеличиваются значения емкости конденсатора и индуктивности контура, а, следовательно, их массо-габаритные параметры. Поэтому LC-контуры используются в генераторах высоких частот, а RC-фильтры – в генераторах низких частот.

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!