Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.5. Двухтактный трансформаторный каскад



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-151-

В общем случае КПД зависит от формы сигнала, поэтому принято оп-

ределять предельное значение КПД линейных усилителей мощности в режи-

ме усиления гармонического сигнала.

Тогда, полагая, что E

ип

= const, получаем

нн

0

ип ип

0

1

cosω cos(ω )

cos

2

η,

2

1

2 ()

T

Ui

U t i t dt

T

Ei

E i t dt

T

⋅ +ϕ

ϕ

= =

⋅

∫

где T – период гармонического сигнала;

0

ип

i

– постоянная составляющая тока

источника питания.

При чисто активной нагрузке

0ϕ=

имеем:

нн

0

ип ип

η.

4

Ui

Ei

=

Минимальное значение КПД соответствует величине фазового сдвига

между током и напряжением в нагрузке, равном 90° (φ = 90°).

9

.

6

.

Б

е

с

т

р

а

н

с

ф

о

р

м

а

т

о

р

н

ы

е

к

а

с

к

а

д

ы

у

с

и

л

и

т

е

л

е

й

Различают:

1) схемы с параллельным возбуждением однофазным напряжением;

2) схемы с последовательным возбуждением однофазным напряжением;

3) схемы с параллельным возбуждением двухфазным напряжением.

Двухтактный каскад на основе эмиттерного повторителя. Схема

каскада ЭП имеет вид, представленный на рис. 9.9.

Следует отметить, что простейшие выходные каскады строятся на базе

двухтактных эмиттерных повторителей, работающих в режимах «A», «АВ», «В».

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.6. Бестрансформаторные каскады усилителей



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-152-

Для обеспечения заданной мощности в нагрузке выходного каскада

предварительный усилитель должен обладать очень большим усилением. Вся

система охватывается глубокой ООС, что позволяет реализовать режим «В»

с малым уровнем нелинейных искажений.

Вернемся к рассматриваемой схеме.

При положительной амплитуде входного сигнала работает верхний

транзистор

1

T

, а

2

T

закрыт. При отрицательной – Т

2

открыт, Т

1

закрыт. При

отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты и ток покоя практиче-

ски равен нулю.

Особенность схемы по сравнению с однотактным ЭП: ток в нагрузке

равен току, потребляемому от источника питания, амплитуда выходного на-

пряжения может достигать значения

ï

E

. Этим достигается высокий КПД.

Для данной схемы мощность находим из выражения

2

нн

1

.

2

a

P IR=⋅⋅

При заданной нагрузке КПД определяется предельным током и максималь-

ной мощностью рассеивания транзисто-

ра.

Схема для режима «АВ» имеет вид

(рис. 9.11

). Для реализации этого режима

необходимо между базой и эмиттером

каждого транзистора включить источник

п

U =

0,6–0,7 В. Резисторы используются

для дополнительной термостабилизации

режима, реализуя ОС по току.

Поскольку

1

R

,

2

R

включены после-

довательно с нагрузкой, то на них теряет-

ся часть мощности, поэтому их величина

должна быть гораздо меньше

н

R

.

Возможные варианты реализации

напряжения смещения следующие:

Рис. 9.9. Двухтактный

каскад на эмиттерных

повторителях

R

н

U

вх

+Е

п

–Е

п

Т

1

Т

2

R

н

R

2

R

1

Рис. 9.11. Выходной каскад усилителя,

работающий в режиме «АВ»

Т1

Рис. 9.10. Двухтактный

каскад с коррекцией

по току

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ

9.6. Бестрансформаторные каскады усилителей



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-153-

• Источники тока

1

I

,

2

I

необходимы для того, чтобы диоды

1VD

,

2VD

и транзисторы

1T

,

2T

были открыты.

• Источники должны выбираться из условия

1,2б max

Ii>

, чтобы при

максимальных значениях входного сигнала

1VD

,

2VD

,

1T

,

2T

были откры-

ты. Поскольку

1

R

,

2

R

, как правило, не обеспечивают заданной термостабили-

зации, то введение элементов

1VD

,

2VD

– основной путь повышения термо-

стабильности режима.

9

.

7

.

К

о

м

п

л

е

м

е

н

т

а

р

н

ы

й

э

м

и

т

е

р

н

ы

й

п

о

в

т

о

р

и

т

е

л

ь

Д

а

р

л

и

н

г

т

о

н

а

Для повышения тока в нагрузке можно использовать схему Дарлингто-

на. Это составной транзистор, ко-

торый состоит из двух, собранных

по следующей схеме (рис. 9.12

).

Для данной схемы можно получить:

12

β ββ= ⋅

;

11

вх б'э б'б

2( )r rr=⋅+

;

1

R

может включаться для повышения скорости перехода

2T

в закрытое состояние.

Схема выходного каскада имеет вид, приведенный на рис. 9.13.

Поскольку за

дать ток покоя в режиме «АВ» сразу четырех элементов

очень трудно, то задают ток покоя только транзисторов

1T

и

2T

, при этом мощ-

ные выходные транзисторы открываются только при больших выходных токах.

Рис. 9.12. Усилительный

каскад, собранный

по схеме Дарлингтона

Рис. 9.13. Выходной каскад с нагрузкой

в цепи эмиттера, собранный по схеме

Дарлингтона

Т2

Т1

Т1'

–Е

п

Е

п

R

2

R

1

R

н

U

вх

Т2'

9. ОКОНЕЧНЫЕ КАСКАДЫ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-154-

9

.

8

.

С

х

е

м

ы

з

а

щ

и

т

ы

п

о

т

о

к

у

Из-за малого выходного сопро-

тивления усилители мощности силь-

но перегружаются, поэтому исполь-

зуют схемы защиты по току, ограни-

чивающие значение выходного тока.

Простейшая схема защиты имеет

вид, представленный на рис. 9.14.

Ограничение наступает, когда один

из светодиодов открыт

1бэ

а max

1

VD

UU

I

R

+

′

−

=

.

Аналогичное выражение для другого

плеча.

Еще одна схема (рис. 9.15).

Здесь транзисторы

3T

или

4T

от-

кроются, если падение напряжения

на

1

R

или

2

R

превысит 0,6 В и в этом

случае рост базовых токов транзи-

сторов

1T

,

2T

прекратится:

а max

1

0,6В

I

R

+

≅

,

а max

2

0,6В

I

R

−

≅

.

В

ы

в

о

д

ы

Основные схемы выходных каскадов – двухтактные выходные каска-

ды, работающие в режиме «АВ». Это позволяет обеспечить низкий уровень

нелинейных искажений при достаточно высоком КПД.

Рис. 9.14. Схема защиты

по току со светодиодами

R

2

R

1

R

н

+Е

п

Рис. 9.15. Схема защиты по току

на транзисторах Т3, Т4

R

2

+Е

п

R

1

R

н

–Е

п

Т1

Т3

Т4

Т2

U

вх

I

1

I

2



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-155-

1

0

.

Э

Л

Е

М

Е

Н

Т

Ы

А

Н

А

Л

О

Г

О

В

Ы

Х

У

С

Т

Р

О

Й

С

Т

В

Н

А

Б

А

З

Е

О

У

Функциональные узлы аналоговых устройств реализуют по единой

общей схеме, состоящей из ОУ, охваченной глубокой обратной связью. Об-

ратная связь позволяет формировать амплитудную характеристику, соответ-

ствующую реализации заданной математической функции, или реализовать

другие функции, например, обеспечить стабилизацию напряжения или гене-

рацию синусоидальных колебаний.

1

0

.

1

.

О

У

в

л

и

н

е

й

н

ы

х

с

х

е

м

а

х

Линейными считаются схемы, у которых входной и входной сигналы

связаны линейным оператором.

Инвертирующий усилитель. Схема

инвертирующего усилителя показана на

рис. 10.1.

Сопротивление

21

RR=

вводится

для компенсации смещения из-за наличия

входных токов в реальном ОУ. Необходимо,

чтобы по каждому входу были одинаковые

сопротивления. Для определения

2

R

нужно

учитывать выходное сопротивление собст-

венно усилителя

âûõ

R

и внутреннее сопротивление генератора

г

R

. Обратная

связь в данной схеме параллельна по напряжению.

Учитывая, что в идеальном ОУ

вх

;KR=∞=∞

, можно записать:

ОС

1

;

R

K

R

≅−

ОС

вх 1 ОС 0

/;R RR K= +

ОС

вых

1

ОС 1

.

1

R

K

RR

=



+⋅



+



При

ОС

вых

0.KR→∞ →

При

ОС 1

RR=

получаем повторитель напряжения.

Рис. 10.1. Инвертирующий

усилитель

R

2

R

1

R

ОС

10. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ОУ

10.1. ОУ в линейных схемах



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-156-

Неинвертирующий усилитель. Схему неинвертирующего усилителя

можно представить в следующем виде (рис. 10.2

). Сопротивление

2

R

вводит-

ся для компенсации смещения из-за входных токов:

21ОС

|| ,R RR=

т. е. необходимо уравнять сопротивления внешних резисторов, подключае-

мых к входам:

г 2 1 ОС

|| .R R RR

= +

Для данной схемы:

1

ОС вых вых

1ОС

β.

R

U UU

RR



=⋅=⋅



+



В случае идеального ОУ напряжение между входами равно 0, тогда

вх

с ОС

;UU≅

вх

вых 1 ОС ОС

с1 1

1.

U RR R

K

UR R

+

= = ≅+

На основе данной схемы можно выполнить неинвертирующий повто-

ритель напряжения (рис. 10.3

).

Рис. 10.2. Неинвертирующий

усилитель на ОУ

R

2

R

1

R

ОС

R

н

R

г

Рис. 10.3. Включение ОУ

по схеме повторителя

напряжения

Е

+

–

10. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ОУ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-157-

1

0

.

2

.

Д

и

ф

е

р

е

н

ц

и

а

л

ь

н

о

е

в

к

л

ю

ч

е

н

и

е

О

У

Схема дифференциального включения ОУ имеет вид, показанный на

рис. 10.4.

Учитывая свойства идеального ОУ,

вх вх

UU

+−

=

и токи сигналов не

ответвляются на входы ОУ. Тогда для инверти-

рующего входа можно записать:

1

вх вх

вх вых

12

()

;,

UU

RR

−

= =

тогда

1

вх вых

вх

.

2

UU

U

−

+

=

Для неинвертирующего входа

2

вх

4

вх вх 3 4

34

;.

2

U

R

U U RR

RR

+

=⋅= =

+

Учитывая, что

вх вх

UU

+−

=

, запишем:

21

вх вх вых

,

22

U UU+

=

откуда

21

вых вх вх

.UUU= −

На основе схемы (рис. 10.4

) можно получить вариант, когда

21

вых вх вх

( ).U NU U=⋅−

Для этого должно выполняться условие

42

31

.

RR

N

RR

= =

Рис. 10.4. Схема

дифференциального

включения ОУ

R

1

R

2

R

3

R

4

U

вх1

U

вх2

10. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ОУ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-158-

1

0

.

3

.

С

у

м

и

р

у

ю

щ

и

й

у

с

и

л

и

т

е

л

ь

Рассмотрим следующую схему (рис. 10.5

).

Для идеального ОУ можно получить следую-

щее выражение:

34 12

cc ccвых

( )( ) .UU UU U+−+=

Таким образом, данная схема (рис. 10.5

) явля-

ется усилителем разности суммы нескольких

источников. Причем можно обеспечить инвер-

сию суммы и умножение на коэффициент

N

.

1

0

.

4

.

У

с

и

л

и

т

е

л

ь

с

р

е

г

у

л

и

р

у

е

м

ы

м

у

с

и

л

е

н

и

е

м

Сначала рассмотрим схему обычного инвертирующего усилителя с ре-

гулируемым коэффициентом усиления (рис. 10.6

).

Для инвертирующего включения можем записать:

ОС

1

,

R

K

R

= −

где

ОС ОС

RR

′

=ρ⋅

, причем

01<ρ≤

.

Другой вариант схемы с регулируемым коэффициентом, позволяющий

одновременно изменять знак передаточной функции, имеет вид, показанный

на рис. 10.7.

При крайних положениях движка потенциометра имеет либо ин-

версное включение, либо неинверсное включение ОУ.

Фактически здесь ОУ работает как дифференциальный усилитель.

R

1

R

1

R

1

U

4

U

1

U

2

U

3

Рис. 10.6. Усилитель с регули-

руемым коэффициентом усиле-

ния в цепи ОС

R

ОС

R

+

–

U

вх

Рис. 10.7. Усилитель с регули-

руемым коэффициентом

усиления по входу

–

+

R

ОС

R

1

Рис. 10.5. Суммирующий

усилитель

10. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ОУ



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-159-

1

0

.

5

.

И

н

т

е

г

р

а

т

о

р

ы

Процедура интегрирования в операционной форме имеет вид

,

Ax

y

p

⋅

=

где у – выходная переменная (сигнал); х – входная переменная (входной сигнал).

Тогда передаточная функция интегратора запишется в виде

() .

yA

Hp

xp

= =

Для инвертирующего усилителя мы определили, что

ОС

1

R

K

R

= −

,

или

1

ОС

()

p

Hp

p

Ψ

= −

Ψ

,

т. е. проводимость обратной связи должна зависеть от частоты. Поскольку

c

ω C pCΨ= ⋅ = ⋅

, то это конденсатор.

Простейшая схема интегратора приведена на рис. 10.8.

Действительно,

вых ОС вх

U KU= ⋅

;

вых ОС вх

() () ()U p K pU p= ⋅

;

Рис. 10.9. Схема интегратора

с повышенной линейностью

R

1

R

бал

+

–

R

ОС

С

Рис. 10.8. Функциональная

схема интегратора

R

1

Z

ОС

–

+

10. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ОУ

10.5. Интеграторы



Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учеб. пособие

-160-

вых вх

1

() ()U p Up

pRC

=−⋅

⋅⋅

;

1

вых вх

0

1

() ()

t

U t U t dt

RC

= −

⋅

∫

;

т. е. в интеграторе выходное напряжение пропорционально интегралу по

времени входного напряжения.

Более сложная схема интегратора приведена на рис. 10.9.

Здесь

ОС

R

,

шунтирующее конденсатор, вводится для компенсации смещения.

бал

R

слу-

жит для уменьшения ошибки интегрирования, вызванной входным током.

Иногда параллельно

бал

R

включают конденсатор. На практике интеграторы

часто объединяют с сумматорами.

1

0

.

6

.

Д

и

ф

е

р

е

н

ц

и

а

т

о

р

Для операции дифференцирования в опе-

раторной форме можно записать следующее

выражение:

.y Bpx=⋅⋅

Из данного выражения находим передаточную

функцию

() .

y

Hp Bp

x

= = ⋅

По этому выражению можно нарисовать простейшую схему (рис. 10.10).

Для данной схемы:

вх

вых ОС

dU

URС

dt

=−⋅

.

Рис. 10.10. Функциональная

схема дифференциатора

R

ОС

U

вх

С

+

–

а

U

вх

R

1

С

R

ОС

С

ОС

+

–

б

R

1

R

ОС

С

ОС

С

1

U

вх

+

–

Рис. 10.11. Принципиальная схема дифференциальных каскадов

Громыко, А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств

Подождите немного. Документ загружается.