Стабилизаторы напряжения и тока

Усилительный  каскад с общим  эмиттером

  Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощности.

 Принципиальная  схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 10.22. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением R_r. Разделительный конденсатор С_Р1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. При отсутствии C_р1 в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания U_ИП, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении R_Т источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор С_р2 на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением R_н. Элементы R1, R₂, R_a, С_э обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

 Сэ   и  в первый момент времени после  поступления входного сигнала влияние  С_э несущественно. По мере зарядки С_э уменьшается эмиттерный ток, а следовательно, и ток базы. Когда емкость С_э зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно R_э+r_э вместо начального значения r_э. Это приведет к уменьшению тока базы и изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости С_э на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению С_э на параллельное сопротивление Rэ и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом. 

Усилительный  каскад с общим  коллектором (эмиттерный повторитель)

 Схема усилительного  каскада с ОК приведена на рис.10.27, а. Резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. Коллектор через очень малое

 внутреннее  сопротивление источника питания  по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, значит, вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя.

 Для каскада  с ОК справедливо равенство

 U_вх=U_6э+U_{вых ;}

 Если выходное напряжение U_вых значительно больше напряжения Uбэ, то оно .приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Этот каскад относится к усилителям с глубокой отрицательной ОС по напряжению.

 В режиме покоя, т.е. при U_BX = 0, резисторы ri, rz и Rэ,

 задают начальный  ток смещения. Его значения выбирают таким, чтобы рабочая точка в  режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

 В каскаде  с ОК напряжение входного переменного  сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разделительный конденсатор C_pl . Выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе R_э от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи С_р2

 Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК меньше единицы, поэтому его часто называют коэффициентом передачи напряжения.

 Эмиттерный  повторитель обычно применяют для  согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным  нагрузочным  устройством.   Температурная  стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором R_э.

 Каскад с  ОК характеризуется: высоким входным  сопротивлением (сотни кОм), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (несколько Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Усилительный  каскад с ОИ

Усилительные  каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, которое прикладывается к запертому р-п переходу (транзисторы с управляющим р-п переходом) или к затвору (МДП-транзисторы). За счет того, что ток затвора полевых транзисторов очень мал (10~⁸ А для транзисторов с управляющим р-п переходом, а для МДП-транзисторов еще на несколько порядков меньше), их входное сопротивление на низких частотах лежит в диапазоне 10⁹...10¹³ Ом.

Полевые транзисторы имеют три схемы включения: с об щим истоком (ОИ); общим стоком (ОС); общим затвором (ОЗ). Каскад с ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем используется очень редко. На рис. 10.28, а приведена принципиальная схема каскада с общим истоком. В качестве активного элемента используется полевой транзистор с управляющим р-п переходом или МДП-транзистор со встроенным каналом. Основными элементами усилительного каскада являются: источник питания U_иn, транзистор и резистор R_c. Полярность напряжения источника питания U_ип определяется типом канала транзистора (для канала n-типа U_ип положительно; для канала р-типа Uип отрицательно).

 Резистор  R₃ (рис.10.28,а) осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей шины усилительного каскада. Поэтому потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе Rи от протекания постоянной составляющей тока I_ио. В связи с этим напряжение U_ЗИО отрицательное. Источник входного сигнала Е_г через разделительный конденсатор Ср подключается ко входу усилительного каскада, а нагрузка через разделительный конденсатор С_р2 подключается к стоку транзистора. Кроме того, конденсатор С_и устраняет отрицательную обратную связь по переменному току и его сопротивление на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора Rн. Емкость конденсатора С_и рассчитывается по формуле где fнч — самая низкая частота усиливаемого сигнала.

 Требуемую величину R_и для заданного тока покоя I_со определяют с помощью сток-затворной вольтамперной характеристики транзистора. Рабочая точка в режиме покоя обычно выбирается на середине линейного участка сток-затворной характеристики, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения. Выбрав положение рабочей точки, находят сопротивление резистора R_и: 

 С помощью  R_и осуществляется стабилизация режима покоя. Предположим, что при изменении температуры уменьшился ток I_со. Это приводит к уменьшению падения напряжения на R_и и уменьшению модуля отрицательного напряжения на затворе, а это вызывает возрастание I_со. Таким образом, стабилизация режима покоя осуществляется за счет того, что R_и создает последовательную отрицательную обратную связь по постоянному току. Кроме того, при воздействии входного сигнала одновременно возникает и отрицательная обратная связь по переменному току, для устранения которой вводят конденсатор С_и. Часто при расчете R_и принимает относительно большое значение, что приводит к большому значению модуля отрицательного напряжения на затворе. Для получения максимального коэффициента усиления в диапазоне средних частот необходимо обеспечить работу каскада на высокоомную нагрузку и включить в цепи стока резистор R_с с большим сопротивлением.

Усилительный  каскад с общим  стоком (истоковый  повторитель) 

Схема усилительного каскада с  общим стоком представлена на рис.10.30. В этом каскаде нагрузочный резистор R_и включен в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой каскада, т.е. вывод стока является общим для входной и выходной цепей усилительного каскада. Основными элементами каскада являются резистор R_и и транзистор. Выбор и обеспечение режима покоя производится так же, как и в каскаде с ОИ.

Выходное напряжение, равное переменной составляющей падения напряжения на резисторе Rи подается через разделительный конденсатор Cр2 в нагрузку.

Для истокового повторителя напряжение на нагрузке совпадает по фазе со входным напряжением и связано с ним равенствами ; ., отсюда

Коэффициент усиления по напряжению определяется крутизной транзистора и сопротивлением резистора в цепи истока и при увеличении произведения SRи стремится к единице. Поэтому в истоковых повторителях желательно использовать транзисторы с высоким значением крутизны.

Входное сопротивление  истокового повторителя для низких и средних частот, как и в  усилительном каскаде с ОИ, определяется величиной R₃ и составляет несколько МОм. Выходное сопротивление для каскада с ОС в области средних частот определяется как:

Из выражения  следует, что выходное сопротивление  каскада с ОС составляет сотни Ом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Операционные  Усилители.

    ОУ  – ус, с помощью к-го мож-но  строить узлы аппаратуры с пар-ми практически зависящими только от свойств цепи ООС, подключенной к ОУ. Операционными они названы потому, что первоначально использовались гл образом для выполнения разл матем-их операций над аналоговыми величинами (сложение и т.п.) в аналоговых выч машинах. В наст время основное назначение ОУ – это построение схем с фиксированным К_u и точно синтезированной передаточной хар-кой. ОУ исп-ся для построения стабилизаторов U, генераторов аналогового и импульсного сигнала, активных фильтров, масштабирующих, лог-щих, диф-щих, интегр-щих и др усилителей. ОУ общего назначения могут использоваться примерно в 150 схемах включения. Основной ОУ явл ОПТ с верхним каскадом ус-я по диф схеме. ОУ имеют 2 входа: неинвертир и инвертирующий. Эти названия обусловлены соотношениями знаков приращения вх и вых сигналов. Промежуточные каскады ус-я как правило также строятся по балансной схеме и предназначены для получения большого К_u. Вых каскад согласует большое R_вых каскадов ус-я с низкоомной нагрузкой. Обычно он вып-ся по 2-х тактной схеме. ОУ получает питание от 2-х симметричных источников, обеспечивающих одинак по величине положит и отриц амплитуды U_вых. УГО:

∆-ки в УГО  обращены одной из вершин вправо, что  символизирует направление передачи сигнала.

Основные хар-ки и пар-ры ОУ.  ОУ хар-ся усил-ми, вх, вых, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными пар-рами и хар-ками. Амплитудная хар-ка – это зависимость величины вых сигнала от вел вх. Ее представляют в виде 2-х кривых, отклоняющихся к инвертирующему и неинвер входам. Хар-ки снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Рис далее

Наклонным уч-кам  соотв-ет пропорциональная зав-сть  U_вых от U_вх. Угол наклона опр-ся коэф ус-я К_U=dU_вых/dU_вх знач-е к-го может достигать 10⁵…10⁶. Гориз-ые уч-ки соотв-ют полностью насыщенному или закрытому состоянию тр-ров вых-го каскада. Уровни напряжений U⁺_выхm,U^-_выхm – явл-ся пар-ми ОУ и близки кU источников питания. Состояние, когда U_вых=0 при U_вх=0 нах балансом ОУ. Для реальных ОУ при U_вх=0, U_вых≠0. Вх напряж U_см.о при к-ом  U_вых=0 наз напряж смещения нуля. Оно м/б любой полярности и опр-ся разбросом пар-ров элем-ов диф усилителя ОУ

Наличие конечного  R_вх у ОУ опр-ет протекание I_вх. R_вх и I_вх явл-ся пар-ми ОУ. Для защиты ОУ м/у его входами включают встречно-параллельно 2 диода:

U_дф, U_сф – это max синфазное U -это U одинаковой фазы на входах относ-но общей шины. Вых пар-рами ОУ кроме U⁺_выхm явл R_вых и I_выхm. Малое R_вых ОУ достигается использованием эмм-ых повторителей на его выходе, а I_выхm опр-ся допустимым кол-ым током вых каскада ОУ. Энегретическими пар-ми явл max-ый  потребляемый I_потр и суммарная потребляемая Р от обоих ист-ков питания Р_потр. К частотным хар-кам и пар-рам относ-ся АЧХ, f_среза, f₁, f_вп (верхнего пропускания). АЧХ имеет спадающий хар-р в обл-ти 1

    ВЧ, начинаяот частоты среза f_ср. Спад АЧХ обусловлен частотной зав-тью пар-ров и паразитными емкостями схемы ОУ. Частота f₁ прик-ой К_U=1 наз частотой единичного ус-я. По граничной Частоте f_вп оценивают полосу  пропускания частот ус, составляющую для совр ОУ десят-ки мГц. Динамическими пар-ми ОУ явл скорость распрост-ранения U_вых, скорость отклона и время установления U_вых. Они опред-ся по реакции ОУ на воздействие скачка U на его входе. Скорость наростания U_вых V_Uвых=∆U/∆t и опр-ся на уч-ке увели чения U_вых от уровня 0,1 до 0,9 установившегося знач-я. Время установления t_уст – это интервал времени в течение к-го U_вых изм-ся от 0,1 до 0,9 установившегося значения. Для совр ОУ V_Uвых=0,1-800   В/мкс,а t_уст=0,05-2мкс.Высокие качест венные показатели совр-ых ОУ позволяют при анализе схем считать, что у ОУ: К_u→∞; К_i→∞; R_вх→∞; R_вых→0.