Усилители переменного напряжения

В усилителях переменного напряжения ООС по постоянному току, как правило, выполняется 100 %-й. Так, в схеме (рис. 8.28, а)коэффициент передачи по постоянному току равен единице, а по переменному:

К = 1 + R₂ / R₁.

Входное сопротивление в данном усилителе очень большое, так как здесь осуществляется компенсация входного тока:

R_вх = R₃K_y  / K.

При R₂ = 0 схема (рис. 8.28, а) преобразуется в повторитель напряжения с высоким входным сопротивлением (рис. 8.28, б).

В усилителях переменного напряжения целесообразно использовать только один источник питания положительной или отрицательной полярности. Однако при этом на входе ОУ необходимо включать цепь для формирования напряжения смещения, с помощью которой на выходе ОУ устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания.

Так, в схеме (рис.8.29, а) напряжение смещения формируется делителем напряжения R₃, R₄, при этом R₃ = R₄. Коэффициент передачи для данной схемы при x_с1 << R₁ равен:

К = R₂/R₁.

Конденсатор С₂ предназначен для подавления пульсаций. В схеме (рис. 8.29, б) напряжение смещения формируется делителем R₁, R₄. Для данной схемы при x_c1 << R₃ и х_с2 << R₁||R₄ коэффициент передачи равен:

К = 1+R₂ /(R₁||R₄).

В рассмотренных схемах используется емкостная развязка входных цепей. Очевидно, что при подключении входного сигнала разделительный конденсатор С₁ будет заряжаться с постоянной времени τ = R₁C₁ (рис. 8.29, a), что обусловливает большое время установления номинального режима работы ОУ.

УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Компараторы

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу}) велик, то значение выходного напряжения (U_вых = ±U_{вых max})  достигается при очень малых входных напряжениях:

U_вх= ±U_{вых max} / K_{U оу}.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторы представляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда U_вх подается на инвертирующий вход и U_оп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при U_вх > U_оп, и положительным при U_вх < U_оп.

Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние (рис. 9.2).

Если, например, изменение выходного напряжения составляет 5 В, а коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (U_вх – U_оп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:  

 мВ,

то есть сравнение двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к U_оп, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов  и  (рис.9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -U_вых.max происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатывания (U_ср), а возвращение в исходное состояние
(U_вых = +U_вых.max) происходит при снижении U_вх до напряжения (порога) отпускания
(-U_отп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U₀ = 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при  = 0 является схема (рис. 9.5). Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

; ; .

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряжений  и , можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

4.2. Мультивибратор

Схема симметричного мультивибратора на ОУ в автоколебательном режиме, представляющего собой генератор прямоугольных импульсов (рис. 9.7, а) содержит как цепь отрицательной ОС на элементах , С, так и цепь положительной ОС, образованную делителем R₁, R₂.

В момент подключения к схеме напряжения питания на инвертирующий вход ОУ поступает напряжение , так как конденсатор С не успевает зарядиться, а на неинвертирующий вход с делителя R₁, R₂ поступает напряжение

.

Так как усилитель охвачен цепью безинерционной ПОС, а напряжение на его инвертирующем входе равно нулю, на выходе ОУ равновероятно может установиться любое из его максимально возможных напряжений. 

Пусть U_вых.max > 0, тогда и U₂> 0 . При этом конденсатор С (рис. 9.7, б) начнет заряжаться через резистор  током  (интервал времени 0 – ), стремясь зарядиться до напряжения +U_вых.max. В момент времени  напряжение на конденсаторе достигнет уровня +U₂, а затем несколько превысит его (на доли милливольт), то есть напряжение на инвертирующем входе ОУ окажется больше, чем на неинвертирующем.

Выходное напряжение при этом скачком изменяет свою полярность, делаясь равным -U_вых.max, после чего начинается перезаряд конденсатора током I₂ противоположного направления. Как только конденсатор С зарядится до напряжения -U₂ (момент времени t₂) полярность выходного напряжения вновь скачком изменится, то есть станет положительной. Затем начинается перезаряд конденсатора С током I₁, и процесс повторяется.

Таким образом, схема генерирует последовательность импульсов со скважностью 2 и полным размахом выходного напряжения 2·U_вых.max. Длительность выходного импульса равна:

.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1

Вариант задания соответствует сумме двух последних цифр учебного шифра студенческого билета.

Перед выполнением контрольной работы необходимо изучить теоретический материал.

Ответы на теоретические вопросы должны быть ясными, сформулированными самостоятельно. В процессе расчета каждого параметра необходимо сначала привести его расчетную формулу, затем подставить числовые значения и записать ответ, указывая единицы полученной величины. При расчетах сопротивлений резисторов или емкостей конденсаторов необходимо полученные значения округлять до ближайших стандартных значений. Схемы и графики выполняются карандашом с использованием чертежных инструментов в соответствии с принятыми стандартными требованиями.

Задание

Выполнить расчет усилительного каскада с общим эмиттером.

Исходные данные для расчёта:

1. напряжение на выходе каскада ;

2. сопротивление нагрузки ;

3. нижняя граничная частота ;

4. допустимое значение коэффициента частотных искажений каскада в области низких частот .

Объяснить:

1) назначение элементов и принцип работы усилителя на транзисторе, включенного по схеме с ОЭ;

2) причины нестабильности параметров транзисторных усилителей.

Определить:

1) сопротивление коллекторной нагрузки ;

2) сопротивление в цепи эмиттера ;

3) напряжение источника питания ;

4) тип транзистора;

5) режим работы транзистора;

6) сопротивления делителя напряжения  и , стабилизирующие режим работы транзистора;

7) коэффициент усиления каскада по напряжению ;

8) коэффициент усиления каскада по току ;

9) коэффициент усиления каскада по мощности ;

10) входное  и выходное  сопротивления;

11) ёмкости разделительных конденсаторов  и ;

12) ёмкость конденсатора в цепи эмиттера .

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ