Файл: Лабник по схемотехнике.doc

Характеристики исследуемого усилителя без ос

Усилитель, исследуемый в работе (рис. 6.2), состоит из трех каскадов (дифференциального на транзисторах VT1 и VT2, транслятора уровня VT3, эмиттерного повторителя VT4) и представляет упрощенный вариант операционного усилителя.

Дифференциальный каскад обеспечивает высокое усиление схемы. Он удобен также и тем, что имеет два входа, на один из которых, например “Вх1”, можно подавать входной сигнал e_Г, а на второй –“Вх2”– сигнал обратной связи e_ОС(u_ОС).

Дифференциальный каскад имеет в цепи эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 резистор R_Э1 с высоким значением сопротивления. При подаче входного сигнала е_Г ток через R_Э1 практически не изменяется. Входной ток протекает фактически по цепи Б1—Э1—Э2—Б2. При этом изменения базовых токов транзисторов VT1 и VT2 оказываются почти равными по

величине, но противоположными по знаку. Используя допущения и приемы, описанные в работе №4, входное сопротивление дифференциального каскада можно выразить соотношением:

r_ВХ⁰ = r_{ВХ Э1} + r_{ВХ Б2} (b+1). (6.5)

Для полностью идентичных транзисторов VT1 и VT2 последнее выражение упрощается:

r_ВХ⁰ = 2r_{ВХ Э} =2r _{ВХ ПФ}. (6.6)

В исследуемой схеме ток I_Э через транзисторы VT1 и VT2 выбран малым, поэтому r_{ВХ Э} = r_Б + r_Э(b+1) » r_Э(b+1) имеет достаточно высокое значение, поскольку r_Э = j_т/I_Э велико. Коэффициент передачи по напряжению данного каскада, определяемый как отношение переменного напряжения на одном, из коллекторов транзисторов, например VT2, к ЭДС источника сигнала e_Г, равен

K_{U 2} = u_К2 / e_Г = i_КR_К / i_Б r_ВХ⁰ = bR_К / 2r_{ВХ Э} » R_К / 2r_Э. (6.7)

Транслятор уровня (VT3–R_Э3–ГСТ) понижает постоянную составляющую напряжения на выходе усилителя до нуля, несущественно уменьшая коэффициент передачи сигнала. Этим исключается использование разделительных конденсаторов при организации обратных связей. Коэффициент передачи по напряжению транслятора уровня составляет

K_{U 3} = K_U⁰_V3 r_{ВХ 4} / (r_{ВХ 4} + R_{Э 3}), (6.8)

и близок к единице, так как коэффициент усиления по напряжению каскада общий коллектор на транзисторе VT3 составляет

K_U⁰_V3 = (r_{ВХ 4} + R_{Э 3}) / (h_{11Б 3} + r_{ВХ 4} + R_{Э 3}) @ 1,

и r_{ВХ 4} @ (R_Н||R_{Э 4}) (b+1) >> R_{Э 3}.

Входное сопротивление транслятора уровня достаточно высоко и поэтому он практически не шунтирует выход дифференциального каскада.

Эмиттерный повторитель VT4, включенный на выходе схемы, предназначен для уменьшения выходного сопротивления всего усилителя. Снижение r_ВЫХ уменьшает влияние нагрузки на коэффициент усиления и облегчает создание цепей обратной связи.

Можно показать, что без учета резистора R_{Э 4} выходное сопротивление повторителя равно

r_ВЫХ⁰ = h_{11Б 4} + (R_{Э 3} + r_{ВЫХ 3}) / (b +1), (6.9)

где r_{ВЫХ 3} = h_{11Б 3} + R_К /( b₃+1).

Для полной схемы r_ВЫХ = r_ВЫХ⁰ || R_{Э 4}.

Коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя VT4 составляет K_{U 4} = (R_Н||R_{Э 4}) / (h_11Б4 + R_Н||R_{Э 4}) @ 1.

Общий коэффициент усиления по напряжению всего усилителя составит

K_U⁰ = K_{U 2} K_{U 3} K_{U 4} » K_{U 2}. (6.10)

В исследуемой схеме с целью обеспечения высокого коэффициента усиления К_U⁰ сопротивление R_к взято большим. Однако при использовании двух транзисторов VTЗ и VT4 его вклад в выходное сопротивление усилителя, как видно из выражения (6.9), оказывается малым.

На выходе усилителя включен резистор R_Э4, с движка которого снимеется напряжение на "Выход 2". Изменяя положение движка, можно изменять коэффициент передачи по напряжению всего усилителя от нуля до максимума, (но одновременно существенно изменяется выходное сопротивление усилителя по "Выходу 2").

Усилитель с частотно-независимой ос

Для примера рассмотрим усилитель, охваченный частотно-независимой последовательной отрицательной ОС (рис. 6.1, а). Для обеспечения отрицательной ОС обратная связь должна подаваться на инвертирующий вход усилителя, что зависит и от положения ключа К3 (рис. 6.2). Цепь ОС представляет собой, по существу, делитель напряжения R₁, R₂. Однако эту цепь удобно считать четырехполюсником (выделено штриховой линией). Эквивалентная схема замещения представлена на рис. 6.1, б.

Сделаем одно важное замечание, касающееся организации обратных связей в усилителях. В случае последовательных ОС по напряжению является желательным, а в ряде случаев и необходимым, чтобы коэффициент передачи цепи ОС не зависел от r_ВХ⁰ и r_ВЫХ⁰ усилителя, поскольку эти величины подвержены изменениям, связанным с температурой и разбросом параметров транзисторов. Поэтому входное сопротивление четырехполюсника ОС r_ВХ^ОС = (R₁ + R₂) должно быть больше r_ВЫХ⁰ усилителя, а выходное сопротивление четырехполюсника ОС r_ВЫХ^ОС = R₁||R₂ — меньше r_ВХ⁰ усилителя. В этом случае коэффициент передачи звена ОС не зависит от параметра усилителя и равен

K_ОС = e_ОС /U_ВЫХ  R₁/ (R₁+R₂). (6.11)

При соблюдении указанных условий на сопротивлении R₁ во входной цепи операционного усилителя выделяется напряжение, равное

u_ОС @ e_ОС = u_ВЫХ K_ОС. (6.12)

Учитывая, что при большом входном (r_{ВХ сиНф}) сопротивлении ОУ входной сигнал проходит по цепи Б1—Э1—Э2—Б2 (рис. 6.2). Источник входного сигнала оказывается включенным последовательно с источником e_ОС и входной цепью усилителя. Поэтому обратная связь в данном случае является последовательной, и можно применить уравнение 6.1.

е_Г = u_ВХ + u_ОС.

Знак напряжения e_ОС, указанный на рис. 6.1, б, соответствует отрицательной ОС, поскольку при обходе входного контура знак e_ОС противоположен знаку напряжения источника сигнала e_Г. Используя соотношения (6.1), (6.12) и соотношение, описывающее ОУ,

u_ВХ = u_ВЫХ / K_U⁰,

найдем коэффициент усиления по напряжению усилителя с отрицательной обратной связью

K_U = u_ВЫХ / e_Г = K_U⁰ / (1 + K_U⁰ K_ОС). (6.13)

При отрицательной ОС величина K_U < K_U⁰, поскольку во входной цепи e_Г и u_ОС действуют противоположно.

Входной ток усилителя, как видно из рис. 6.1, б, выражается соотношением

i_ВХ = (е_Г – u_ОС) / r_ВХ⁰. (6.14)

Входное сопротивление усилителя с ОС выразим как

r_ВХ = е_Г / i_ВХ = r_ВХ⁰е_Г / (е_Г – u_ОС).

Преобразуем это соотношение с учетом выражений (6.12) и (6.13), получим

r_ВХ = r_ВХ⁰ (1 + K_U⁰ K_ОС). (6.15)

При отрицательной ОС входное сопротивление r_ВХ > r_ВХ⁰, так как наряжение u_ОС уменьшает входной ток схемы.

Выходное сопротивление вычисляется таким же путем, какой используется при его измерении. К выходу усилителя (рис. 6.3) подключается источник сигнала е_Г' (входная ЭДС не действует: е_Г = 0) и определяется ток, потребляемый схемой от этого источника.

При отрицательной ОС напряжение от выходного источника сигнала e_Г' поступает через цепь ОС на базу транзистора VT2 (рис. 6.2). На выходном коллекторе балансного каскада возникает дополнительное напряжение противоположного знака, по отношению к е_Г'. Ток, потребляемый от выходного источника, равен

i_ВЫХ' = (e_Г' + e_Г' K_U⁰ K_ОС) / r_ВЫХ⁰. (6.16)

В этом случае выходное сопротивление усилителя с отрицательной ОС (без учета R_{Э 4} ) уменьшается и равно

r_ВЫХ = e_Г' / i_ВЫХ' = r_ВЫХ⁰ / (1 + K_U⁰ K_ОС). (6.17)

П