Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

Критический выброс схемы сложной коррекции и нормированное время установления каскада также определяются величиной п. В каскадах усиления импульсных сигналов сложную коррекцию обычно рассчитывают с критическим выбросом, который для схемы рис. 3.3.6 лежит в пределах от 4,3% для n = 0,656 до 1,1% для n=0,25.

Давая небольшой дополнительный выигрыш в усилении по сравнению с параллельной коррекцией, схема сложной коррекции содержит больше деталей, более сложна в настройке, так как требуется тщательный подбор всех элементов схемы, ее характеристики сильнее изменяются при замене транзисторов и других деталей. Поэтому ее применяют лишь в особых случаях, например при очень высокой верхней рабочей частоте, когда параллельная коррекция обеспечивает коэффициент усиления каскада, близкий к единице, т. е. практически не дает усиления; сложная коррекция при этом позволит сильно уменьшить число каскадов усилителя. Ее применяют также в выходных каскадах с большой амплитудой выходного напряжения сигнала; здесь сложная коррекция позволит применить менее мощный транзистор и снизить мощность, расходуемую на питание.

3.3.3. Схемы коррекции с обратной связью

Из-за большого разброса параметров биполярных транзисторов и сильного изменения их при колебаниях температуры, напряжения питания, старении и замене, изменения коэффициента усиления и характеристик каскадов предварительного усиления при рассмотренных выше схемах коррекции обычно оказываются недопустимыми. Поэтому в широкополосных каскадах предварительного усиления с биполярными транзисторами используют схемы коррекции, вводящие в каскад достаточно глубокую отрицательную обратную связь, сильно уменьшающую изменения коэффициента усиления и характеристик каскада при замене транзистора, старении и воздействии на каскад других факторов. Рассмотрим наиболее употребительные схемы этого типа и их основные свойства.

Схема низкочастотной коррекции c комплексной обратной связью в резисторном каскаде изображена на рис. 3.3.7. Включенная между коллектором и базой последовательная цепочка R_сC_с здесь создает параллельную отрицательную обратную связь по напряжению, уменьшающую усиление каскада и стабилизирующую его свойства и характеристики. Сопротивление резистора R_с берут таким, чтобы получить нужную глубину обратной связи, а емкость С_с должна быть настолько велика, чтобы ее сопротивление на верхних и средних частотах было мало по сравнению с R_c. Тогда на этих частотах сопротивление цепочки C_сR_с будет практически постоянно и равно R_c, следовательно, постоянна и глубина обратной связи, При понижении частоты возрастающее сопротивление емкости С_с увеличивает сопротивление цепочки C_сR_с и глубина обратной связи уменьшается, что приводит к повышению коэффициента усиления схемы с уменьшением частоты.

Рис. 3.3.7. Эмиттерная высокочастотная

коррекции обратной коррекция: а – принципиальная схема; б – частотная характеристика каскада без коррекции; в – частотная характеристика каскада с коррекцией, но при отсутствии вносимых транзистором частотных искажений; г – результирующая характеристика схемы

Частотные и переходные характеристики этой схемы совпадают с характеристиками схемы низкочастотной коррекции цепочкой С_фR_ф, при-веденными на рис. 3.3.3; коэффициент m здесь определяется отношением C_cR_c к CR_н, а петлевым усилением. Изменение емкости конденсатора С_с позволяет получать частотную и переходную характеристики как без подъема, так и с подъемом нужной величины. Следует заметить, что вводимая цепочкой C_cR_c обратная связь улучшает характеристики каскада и в области верхних частот.

Низкочастотную коррекцию комплексной обратной связью иногда объединяют с высокочастотной коррекцией, для чего в цепочку обратной связи C_cR_c добавляют дроссель высокочастотной коррекции L_c, показанный на рис. 3.3.7 пунктиром.

Высокочастотная коррекция

В широкополосных каскадах, работающих на следующий каскад с биполярным транзистором, очень хорошие результаты дает схема эмиттерной высокочастотной коррекции (рис. 2.8.2), в которой корректирующая цепочка R_Э.КC_Э.К включается в цепь эмиттера следующего каскада. Здесь R_Э.К создает последовательную отрицательную обратную связь по току, уменьшающую усиление каскада во всей полосе частот и стабилизирующую его свойства.

Присоединяемый параллельно R_Э.К конденсатор С_э.к очень малой емкости ослабляет обратную связь лишь на верхних частотах, что увеличивает усиление каскада при повышении частоты, компенсируя его падение от влияния нагружающей каскад емкости С₀. Изменяя С_э.к, можно получить частотную характеристику на верхних частотах как без подъема, так и с подъемом (рис. 2.8.2г), а переходную характеристику в области малых времен — без выброса или с выбросом нужной величины. Частотная характеристика без подъема с наиболее широкой полосой пропускания (наилучшая характеристика) получается при определенном соотношении постоянных времени цепочки эмиттерной стабилизации C_Э.КR_Э.К и входной цепи транзистора С_б.эR_экв.в; выигрыш в площади усиления при такой характеристике схема дает около 1,5 раз, т. е. почти столько же, сколько дает параллельная коррекция индуктивностью. Критический выброс у схемы эмиттерной высокочастотной коррекции, как и у схемы параллельной коррекции, близок к 1 %.

Практика показала, что при эмиттерной коррекции сопротивление резистора R в цепи коллектора корректируемого каскада следует брать порядка входного сопротивления транзистора, на который работает рассчитываемый каскад; нужную полосу пропускания или время установления каскада обеспечивают выбором глубины обратной связи, создаваемой резистором R_Э.К. Если падение напряжения питания на R_Э.К достаточно для обеспечения необходимой стабильности точки покоя, то дополнительную стабилизирующую цепочку R_эC_э исключают.

Отрицательная обратная связь, действующая в каскаде с эмиттерной коррекцией, снижает нелинейные искажения и помехи, уменьшает изменение коэффициента усиления каскада и его характеристик при замене транзисторов, их старении и изменении температуры, повышая надежность устройства; она также позволяет сильно уменьшить емкость конденсаторов С и С_э.сл.

В широкополосных каскадах, работающих на следующий каскад с полевым транзистором, можно осуществить высокочастотную коррекцию, аналогичную эмиттерной и называемую истоковой высокочастотной коррекцией. Однако такие схемы применяют редко, так как здесь лучшие результаты дает применение коррекции индуктивностью (см. рис. 3.3.4 и 3.3.6).

Высокочастотную коррекцию в каскаде, работающем на вход биполярного транзистора, можно осуществить параллельной обратной связью по напряжению, ослабляемой на верхних частотах индуктивностью L_c, включенной в цепочку обратной связи (см. рис. 3.3.7); такую коррекцию называют коллекторной высокочастотной. Если низкочастотная коррекция в каскаде не нужна, конденсатор С_с берут настолько большой емкости, чтобы он не ослаблял обратной связи на низшей частоте. Эта схема снижает коэффициент гармоник, повышает площадь усиления и стабильность показателей каскада; при ней входное сопротивление почти постоянно в полосе рабочих частот, тогда как при эмиттерной коррекции оно изменяется в десятки раз и более. Однако из-за большого числа компонентов и наличия индуктивности, нежелательной в малогабаритных конструкциях, такую коррекцию применяют редко.

В широкополосных каскадах высокочастотную коррекцию можно не применять, если верхняя усиливаемая частота и коэффициент усиления каскада без коррекции оказываются достаточными, но даже и в этом случае коррекцию обратной связью нередко вводят для того, чтобы при старении транзисторов, их замене, изменении температуры и напряжения питания показатели усилителя были достаточно стабильными.

4. БАЗОВЫЕ СХЕМНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

4.1. Усилители постоянного тока

4.1.1. Основные свойства и применение

В настоящее время усилители постоянного тока (УПТ) являются одной из наиболее распространенных разновидностей усилительных устройств. Их широко используют в электронной измерительной аппаратуре, осциллоскопах, в системах автоматической регулировки усиления радиоприемных и телевизионных устройств, электронных вычислительных машинах, электронных стабилизаторах напряжения и тока, всевозможных управляющих, регулирующих и следящих системах и целом ряде других случаев. Как указывалось в классификации усилителей, усилителями постоянного тока называют такие, которые могут усиливать очень медленные электрические сигналы; их низшая рабочая частота fн=0, а высшая рабочая частота fв определяется назначением усилителя и предъявляемыми к нему требованиями. Так как УПТ усиливает как переменную, так и постоянную составляющие сигнала, то в отсутствие сигнала на входе такого усилителя на его выходе должны отсутствовать как переменная, так и постоянная составляющие напряжения; в противном случае нарушится пропорциональность между входным и выходным напряжениями и при перемене полярности постоянной составляющей входного сигнала, полярность постоянной составляющей на выходе может не измениться. Частотная и амплитудная характеристики УПТ показаны на рис.4.1.1

По схеме и принципу действия усилители постоянного тока делятся на две группы: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием частоты.

4.1.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью

Для того чтобы усилитель мог усиливать очень медленные электрические колебания, в усилителях постоянного тока (УПТ) прямого усиления между усилительными элементами и их нагрузкой используется гальваническая связь, т.е. связь, осуществляемая посредством элементов, обладающих проводимостью для очень медленных изменений тока и имеющих сопротивление, в рабочей полосе частот усилителя не зависящее от частоты, например, проводников, резисторов и т. д. Конденсаторы, трансформаторы и дроссели в цепях межкаскадной связи таких усилителей применять нельзя. Так как УПТ прямого усиления не содержат разделительных и блокировочных конденсаторов большой емкости, дросселей и трансформаторов, то их габаритные размеры могут быть сделаны очень малыми и они оказываются очень удобными для миниатюризации. Именно поэтому гибридные и монолитные (твердотельные) интегральные схемы обычно выполняются как усилители постоянного тока.

Малогабаритные усилители постоянного тока, выполненные в виде гибридной или интегральной схемы, очень часто используют как составную часть усилителей переменного тока (звуковых, широковещательных, многоканальной связи, телевизионных и т. д.). Простейшим вариантом схемы гальванической межкаскадной связи является схема непосредственной связи, в которой напряжение сигнала, усиленное предыдущим усилительным элементом, непосредственно поступает с его выхода на вход следующего усилительного элемента или нагрузку. Однако практически осуществить такой способ связи далеко не просто, так как в этом случае на вход усилительного элемента или в нагрузку, с выхода предыдущего усилительного элемента, поступает кроме сигнала также и напряжение питания выходной цепи, которое необходимо компенсировать. Рассмотрим схему транзисторного УПТ с непосредственной связью, изображенную на рис. 4.1.2 , где компенсация постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзистора как будто не вызывает особых затруднений.

Рис. 4.1.2. Транзисторный усилитель постоянного тока с непосредственной связью

Здесь, для создания между базой и эмиттером второго и третьего транзисторов напряжения смещения

требуемого для получения нужного тока коллектора, падение напряжения на Rэ следующего транзистора берут больше падения напряжения на Rэ предыдущего на разность напряжений коллектор - эмиттер предыдущего и база – эмиттер следующего:

(4.1.1)

Резисторы Rэ1, Rэ2, Rэ3 в схеме рис. 4.1.2 осуществляют стабилизацию точек покоя транзисторов; однако эти резисторы создают в каждом каскаде местную отрицательную обратную связь по току, глубина которой, в каждом последующем каскаде, возрастает; эта обратная связь очень сильно снижает усиление даже у первого каскада, а усиление третьего может здесь оказаться даже меньше единицы. Поэтому проектирование усилителя такого типа с числом каскадов более трех оказывается нецелесообразным. Как указано выше, в отсутствие сигнала на входе усилителя постоянного тока на его выходе должна отсутствовать не только переменная, но и постоянная составляющая напряжения; в схеме рис. 4.1.2 это достигается введением делителя R'1R'2, который компенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающую на нагрузку усилителя с коллектора третьего транзистора. Делитель же напряжения R1R2 компенсирует падение напряжения, поступающее на источник сигнала с резистора Rд2, и сохраняет смещение на входе транзистора Т1 неизменным при включении или выключении источника сигнала.