Цуркин А.П., Мосолов Д.Н. Учебное пособие по курсу электротехники и электроники

Подождите немного. Документ загружается.

121

Рис. 13-18. Схема двухтактного усилителя мощности.

Транзисторы VT1 и VT2 усилителя работают в режиме класса В аналогично как в

двухтактном трансформаторном усилители. При поступлении на вход положительной

полуволны VT1 работает в режиме усиления, а VT2 в режиме отсечки. При подаче на вход

отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Максимальная мощность на

нагрузке Rн:

Rн

















(13.17)

Чтобы уменьшить нелинейные искажения следует применять для таких усилителей

режим класса АВ.

Импульсные усилители (ИУ).

ИУ предназначены для усиления импульсных сигналов и работает такой усилитель

аналогично усилителю изображённому на рис. 2-8.Импульсные сигналы любой формы –

сумма постоянной состовляющей и гармонических колебаний различных частот. Импульс на

выходе усилителя не будет искажаться, только при достаточно широкой полосе пропускания

усилителя. Удлинение фронта и выброс является следствием завала частотной характеристики

в области верхних частот, а скос вершины – завала в области низких частот. Для устранения

искажения импульса вводят корректирующие цепи.

а) низкочастотная коррекция (рис.13-19)- коррекция плоской вершины импульса.

122

Рис. 13-19 Низкочастотная коррекция

Искажение плоской вершины импульса происходит из-за наличия

. При зарядке

на

низких частотах ее сопротивление увеличивается (





), а следовательно

увеличивается падение напряжения на нем,что приводит к снижению

вых

Целью коррекции явл. увеличение

ус

по мере уменьшения частоты. Для этого в цепь

коллектора включается цепочка

фф

выбирается большой для того, чтобы на верхних

частотах его сопротивление было маленьким, и оно шунтировало бы

. В этом случае цепь

не оказывает влияние на работу усилителя.

С уменьшением частоты

сф

увеличивается и

уже не шунтирует

и общее

сопротивление

сфф

ХR

возрастает, а следовательно возрастает общее сопротивление

коллекторной нагрузки.(

фк

RR 

), а вместе с тем увеличивается и напряжение

вых

,что

приводит к увеличению

ус

В этом случае увеличивается полоса пропускания за счет низких частот и устранияется

скос плоской вершины импульса.

б) Высокочастотная коррекция(рис. 13-20) – коррекция форнта импульса.

Рис. 13-20. Высокочастотная коррекция

123

Рис. 13-21. Схема замещения высокочастотной коррекции.

Корректирующая индуктивность

выбирается маленькой, чтобы на Н.Ч. и С.Ч.

LLk



2

было мало и не оказывало влияния на работу цепи. Емкость

выхмн

ССCC 

образует с

параллелный резонанский контур, где

- емкость нагрузки;

- емкость

монтажа;

вых

-выходная емкость транзистора (13-21)

При высокой частоте контур находится вблизи резонанса и сопротивление его

возрастает. Возрастает

вых

ус

, расширяется полоса пропускания за счет

вч



Усилители постоянного тока (УПТ). УПТ называют усилитель, предназначенный для

усиления постоянных и медленно изменяющихся электрических сигналов. Схема УПТ

представлена на рис. 13-22.

Рис. 13--22. Схема УПТ

АХЧ усилителя постоянного тока представлена на рис. 2-23.

124

Рис. 13-23 АЧХ для УПТ.

Полоса пропускания частот УПТ должна иметь нижнюю границу



В схеме УПТ не должно быть конденсаторов (между каскадами, а также блокировочных

и разделительных). При

0

вх

0

вых

. В УПТ

вых

может самопроизвольно изменятся

независимо. Это называют дрейфом нуля усилителя. Дрейф нуля искажает усиливаемые

сигналы и нарушает работу цепи. Причиной является температурная и временная

нестабильность элементов.

Дифференциальные усилители. Дифференциальные усилители (ДУ) по своей

структуре являются УПТ. Схема ДУ приведена на рис. 13-24. Они имеют два входа и два

выхода. Рассмотрим схему замещения дифференциального каскада.

Рис. 13-24 Схема ДУ Рис. 13-25 Схема замещения ДУ

Если

(рис.13-25), то мост сбалансирован и ток через

0

Схема ДУ аналогична схеме моста. Если выбрать

21 кк

RR 

, а

идентичны, то

схема ДУ будет симметрична.

Если на вход ДУ подать

21 вхвх

UU 

в одинаковых фазах (синфазных), то потенциалы

баз

, а следовательно и потенциалы коллекторов изменятся на одну и ту же величину.

Тогда

0

выхаб

125

Если на вход подать

1вх

2вх

, но в противофазе, т.е.

2112 вхвхвх

UUU 

(дифференциальные сигналы), то потенциалы одного эмиттере

(следовательно и коллектора) увеличится, а другого уменьшиться на

12вх

, т.е. на одну и ту же

величину. На выходе (аб) появится

21 выхвыхвыхаб

UUU 

Таким образом, ДУ реагирует на разность входных сигналов, почему и называется

дифференциальным.

Так. как синфазный сигнал ДУподавляется, то дрейфа нуля не существует. Помехи,

являясь синфазными, тоже подавляются усилителем.

Если за ДУ следует каскад с одним входом, то у него используется только один выход.

Если

вх

совпадает с

вых

по знаку, то такой вход называется неинвертирующим. Если

вх

противоположно по знаку

вых

- инвертирующим выходом.

Операционные усилители (ОУ). ОУ называется усилитель постоянного тока с

дифференциальным входным каскадом с широкой полосой пропускания (до

Гц), большим

коэффициентом усиления по напряжению (

1010 

) большим

вх

(

)10кОМR

вх



малым

100( 

выхвых

ОМ).

Операционный (решающий) усилитель используется для выполнения математических

операций над сигналами (сложение, умножение, дифференцирование, интегрирование и др.)

Современные ОУ выполняются на базе интегральной микросхемы на основе нескольких

ДУ. (Четырехкаскадные и трехкаскадные, и т.д.)

Условное графическое обозначение операционного усилителя показано на рис. 13-27.

Рис13-27. Условные графическое обозначения ОУ (а)

и его амплитудная характеристики (б)

Вх

, обозначенный (+) называется неинвертирующим (прямым). Здесь сигнал на выходе

и входе имеет одинаковый знак.

Вх

, обозначенный (-), наз. инвертирующим. Здесь сигнал на выходе имеет

противоположную полярность по отношению к сигналу на входе.

Рассмотрим некоторые схемы включения ОУ:

1) Инвертирующий операционный усилитель (13-28):

126

Рис. 13-28. Схема инвертирующего операционного усилителя.

Усилитель охвачен отрицательной обработкой связью через R

между выходом и

инвертирующим входом. Допустим, что входное сопротивление усилителя велико Rвх-0, а Rвых-

0, то при большом коэффициенте усилителя (К

=10

) Iвх=Iвых и находятся как Iвх=

Uв

Iвых=

Uввы

…………………………………………………………………………………(13.18)

Коэффициент усиления по напряжению с учётом обратной связи равен

Ku 

, (13.19)

где знак “-“ показывает на то, что при усилении происходит инверсия полярности входного

сигнала на 180

Если изменять соотношения R

и R

, то можно получить требуемый коэффициент усиления.

В том случае когда R

, то схема будет работать в режиме повторителя.

2) Неинвертирующий усилитель.

Рис. 13-29. Схема неинвертирующего операционного усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению составляет

Ku 

(13.21)

Из уравнения видно, что Ku можно задать любым, изменяя соотношение сопротивлений

и R

, а при R

=0 можно получить схему повторителя напряжения.

Работа операционных усилителей связана с тем, что коэффициент усиления зависит от

частоты сигнала и уменьшается с увеличением частоты. Для типового операционного

127

усилителя Ku уменьшается начиная с частоты 10

Гц и достигает практически нулю при

частоте порядка 10

Гц.

В настоящее время особое место в операционных усилителях занимают

быстродействующие импульсивные операционные усилители в интегральном исполнении. В

таких усилителях скорость нарастания выходного импульса 4000В за 1 мкс.

Электрические фильтры.

В системах связи часто используется частотный способ разделения электрических

сигналов, то есть каждому виду сигнала соответствует своя полоса частот. Все

радиостанции, телевидение и другие виды связи работают в определенном диапазоне частот,

и это разделение частот производится электрическими фильтрами. Электрические фильтры

пропускают сигналы только определенной частоты, а остальные подавляет. По способу

построения электрические фильтры могут быть пассивными, которые состоят из R,C,L

элементов, и активными, если в их схеме используется усилительные элементы. По

характеру полосы пропускающих частот делятся на фильтры низких частот (ФНЧ, до

100кГц), фильтры высоких частот(ФВЧ), полосовые фильтры(ПФ) и заграждающие

фильтры(ЗФ). Здесь рассмотрим только электрические фильтры ФНЧ и ФВЧ.

Обозначения в схемах электрических фильтров показано на рис 13-30.

Рис.13-30. Условное обозначение электрических фильтров.

Часто в вычислительной технике задающий генератор вырабатывает импульсы

прямоугольной формы, которые предназначены для управления работой узлов

вычислительных устройств. Каждый из узлов требует, чтобы на него подавались импульсы

определенной формы, длительности и амплитуды, отличающиеся в общем случае от

исходных импульсов по своим параметрам. Отсюда возникает необходимость

предварительного преобразования параметров импульсов задающего генератора.

Характер преобразования импульсов может быть разнообразным. Например, может

потребоваться изменение длительности исходных импульсов, амплитуды или полярности,

осуществление задержки во времени и выполнение операций дифференцирования или

интегрирования. Преобразование импульсов осуществляется электрическими цепями,

которые разделяются на два класса: линейные и нелинейные.

С помощью линейных цепей осуществляются также и другие преобразования, как

дифференцирование, интегрирование и другие. Эти операции выполняются соответственно

дифференцирующими и интегрирующими цепями, которые в свою очередь являются ФВЧ и

ФНЧ.

Прежде чем переходить к рассмотрению дифференцирующих и интегрирующих

цепей, проанализируем прохождение прямоугольных импульсов через электрические цепи с

точки зрения переходных процессов в этих цепях. Для этого необходимо знать два закона

коммутации и 2-ой закон Кирхгофа:

128

1 закон коммутации: в момент коммутации ток в ветви с индуктивностью сохраняет

то значение, которое он имел до коммутации и начинает изменяться именно с этого

значения.

2 закон коммутации: в момент коммутации напряжение на конденсаторе сохраняет то

значение, которое оно имело до коммутации и начинает изменяться именно с этого значения.

2 закон Кирхгофа: в любом замкнутом электрическом контуре алгебраическая сумма

действующих ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех участках

данного контура.

Напомним, длительность переходного процесса составляет

(3 4)

ïï





Рассмотрим, как будет изменяться напряжение на элементах R, L и C в RC- и RL-

цепях, когда на их вход подается напряжение в виде прямоугольного импульса, показанного

на рисунке 13-31. При этом импульс будет формировать во времени переключателем (см рис

13-31(а,б) рис 13-32 (а,б)).

В момент времени

переключатель переводится в положение П ( I ), по истечении времени

в момент

переключатель переводится в положение П ( 2 ).

Прохождение прямоугольного импульса через RC- цепь.

Рассмотрим процессы в цепи (рис 13-31 а), когда переключатель П переведен в положение I-

П( I ).





Согласно 2-ому закону коммутации напряжение на конденсаторе не может изменяться

скачком и в момент переключения сохранит свое значение (

U 

), а затем будет возрастать

по экспоненциальному закону (рис 13-31 б).

Где





- постоянная времени цепи, в секундах.

Когда переключатель находится в положении П( I ), по второму закону Кирхгофа

E U U

. Отсюда напряжение на резисторе R (рис 13-31 д) во время зарядки

конденсатора

U E U E e





   

(13.22)

По такому же закону будет изменяться и ток (рис 2-31 г), так как ток I, протекающий через

сопротивление R, равен

(13.23)

Ток в цепи в первый момент максимален, затем он убывает по мере зарядки конденсатора.

Рассмотрим процессы в цепи (рис 13-31 а) в момент времени

, когда переключатель

переводится из положения П( I )в положение П(2).

Согласно 2-ому закону коммутации напряжение на обкладках конденсатора не может

изменяться скачком.

Поэтому после переключения в момент времени

напряжение на конденсаторе С будет

равно значению напряжения до переключения

(1 )

U E e







(13.24)

Конденсатор будет заряжаться с этого значения напряжения по экспоненциальному закону

(рис 13-31 в)

U V e







(13.25)

После переключения согласно второму закону Кирхгофа

129

UU

(13.26)

Отсюда напряжение на сопротивлении R

R C C

U U U e





    

(13.27)

Напряжение

будет отрицательным, так как теперь ток через R течет в обратном

направлении (рис 13-31 д).

Соответственно выражение для тока будет иметь вид:







(13.28)

Рис. 13-31.Схема и временный эпюры напряжений и тока в RC –цепи (





)

Прохождение прямоугольного импульса через RL-цепь

Переключатель в положении П( I )





Согласно 1 закону коммутации ток в цепи с индуктивностью (рис 13-32 а) не может

изменяться скачком. Он нарастает по экспоненциальному закону

(1 )

i I e







постоянной времени

/LR





(рис13-32 в). По тому же закону изменяется и

(рис 2-32

г), так как

U iR

. На индуктивности в первый момент напряжение

UE

из-за ЭДС

самоиндукции, а затем убывает по экспоненциальному закону

U Ee







, так что в

любой момент времени соблюдается 2-ой закон Кирхгофа из положения П( I ).

Переключатель переведен в положение П( 2 ) из положения П( I ).

Согласно 1 закону коммутации ток в цепи с индуктивностью не может изменяться скачком.

Он уменьшается постепенно, по экспоненциальному закону (рис 13-32 в)

i Ie







, где

130

(1 )

I I e







. По такому же закону, как и ток, изменяется напряжение

, так как

U iR

(рис 13-32 г). Напряжение по индуктивности в первый момент максимально(рис 2-

32 д), но оно отрицательно, так как ЭДС самоиндукции катушки приближается к нулю, при

этом в любой момент времени соблюдается 2 закон Кирхгофа:

UU

. Ток в цепи за

счет уменьшения магнитной энергии, занесенной в катушке за время

, постепенно

убывает до нуля (рис 13-32 в).

Рис 13-32. Графики напряжений и тока в RL-цепи.

Дифференцирующие цепи.

Дифференцирующей называется цепь, сигнал на выходе которой пропорционален

производной от входного сигнала.

âûõ âõ

U K dU dt

(13.28)

Сигналом называют физическую величину, несущую информацию. Нижу будем

рассматривать импульсивные сигналы напряжения – импульсы напряжения.

Схема реальных дифференцирующих цепей показана на рис 13-33 а и 13-33 б.

Коэффициент пропорциональности М представляет собой постоянную времени цепи



Для цепи RC



=RC, для цепи RL



=L/R.