Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
1
Источники опорного напряжения и схемы сдвига уровня
В ряде случаев возникает задача формирования высокостабильного об-
разцового или опорного напряжения. Для этой цели применяются схемные
построения, называемые источниками опорного напряжения (ИОН), в задачу
которых входит как формирование подобных высокостабильных напряжений
из напряжения питания схемы, так и поддержание их при изменении сопро-
тивления нагрузки. Таким образом ИОН можно рассматривать как 3-
полюсный элемент (рис. 1а).
Рис. 1
Для формирования заданных напряжений из напряжения питания можно
использовать простейший резистивный делитель напряжения (рис. 1б). В
этом случае при соблюдении условия
дел
н
I
I
≫
2
0
1
2
R
U
E
R
R
+
=
+
.
Для снижения требований к
дел
I
между средней точкой делителя и на-
грузкой устанавливается каскад по схеме ОЭ, обладающий высоким входным
сопротивлением и низким выходным (рис. 1в). Это позволяет использовать
высокоомные резисторы в делителе напряжения при низком сопротивлении
нагрузки, в качестве которой может выступать R
2
.
При этом следует учитывать, что в данной схемной конфигурации
2
0
бэ0
1
2
R
U
E
U
R R
+
=
−
+
.
На точность установки выходного напряжения в данной схеме влияет
нестабильность номинального напряжения база-эмиттер транзистора. Для
2
компенсации этой нестабильности в состав базового делителя часто устанав-
ливают транзистор в диодном включении (рис. 1г). В этом случае
бэ0
дел
1
2
б0
дел 2
бэ0
E
U
I
R
R
U
I
R
U
+
−
=
+
=
+
,
а выходное напряжение
0
дел 2
бэ0
бэ0
дел 2
бэ0 2
2
1
2
1
2
U
I
R
U
U
I
R
U
R
E R
R R
R R
+
=
+
−
=
=
=
−
+
+
.
Как видно, нестабильность
бэ0
U
в этом случае оказывается сниженной.
Общим недостатком схем, основанных на резистивном делителе, являет-
ся зависимость выходного напряжения от напряжения питания, стабильность
которого может быть не очень высокой.
Для уменьшения этой зависимости в схему вводят нелинейные элемен-
ты. На рис. 2а показана идеализированная схема получения напряжения, рав-
ного номинальному напряжению прямосмещенного p-n-перехода.
Рис. 2
Естественно, что если ток через диод фиксирован генератором стабиль-
ного тока, то напряжение на диоде оказывается фиксированным и независя-
щим от напряжения источника питания (рис. 2б). Однако практическая зна-
чимость данной схемы и основанных на ней схемных построениях заключа-
ется в том, что прямое напряжение на диоде изменяется незначительно при
изменении питающего тока в широких пределах. Это позволяет вместо гене-
ратора стабильного тока использовать резисторы (рис. 2в). В этом случае ток
через диод можно приближенно считать равным
бэ0
д
1
1
0,7В
E
U
E
I
R
R
+
+
−
−
=
=
,
а напряжение – равным 0,7 В.
3
Устанавливая несколько диодов последовательно, можно сделать вы-
ходное напряжение равным N 0,7 В (рис. 2г).
Однако если требуются напряжения, существенно превышающие 0,7 В,
то целесообразнее использовать стабилитроны или диоды Зенера, специально
предназначенные для формирования опорных напряжений. Схемотехнически
схема ИОН со стабилитроном аналогична диодной схеме (рис. 3а), за исклю-
чением того, что стабилитрон работает при обратном смещении, а для стаби-
лизации напряжения используется крутой участок его ВАХ в режиме пробоя
(рис. 3б).
Рис. 3
В практических схемах вместо генератора стабильного тока использу-
ются токозадающие резисторы, называемые балластными (рис. 3в).
ст
ст
1
E
U
I
R
+
−
=
,
где U
ст
– паспортное значение напряжения стабилизации стабилитрона.
Напряжения стабилизации стандартных стабилитронов перекрывают
широкий диапазон дискретных значений. Температурный коэффициент на-
пряжения стабилизации имеет положительные значения при малых напряже-
ниях и отрицательные значения – при больших напряжениях. В диапазоне 6,8
В наблюдается температурный коэффициент напряжения, близкий к нулево-
му. Для компенсации температурного дрейфа используют противоположный
характер температурных коэффициентов диодов в прямом включении и ста-
билитронов в обратном включении (рис. 3г), учитывая увеличение выходного
напряжения на 0,7 В.
Влияние нагрузки на схему со стабилитроном, называемую также пара-
метрическим стабилизатором напряжения, определяется соотношением со-
противления нагрузки и динамического сопротивления стабилитрона в окре-
4
стности рабочей точки. Для снижения этого влияния параметрический стаби-
лизатор отделяется от нагрузки каскадом по схеме ОЭ (рис. 4а).
Рис. 4
В этой схеме резистор R
2
может представлять собой нагрузку ИОН. То-
гда, изображенная немного иначе (рис. 4б), схема представляет собой клас-
сический параметрический стабилизатор с транзисторным усилителем.
Для получения выходных напряжений, отличных от стандартных на-
пряжений стабилизации стабилитронов часто используется схема с транзи-
сторным 3-полюсником, приведенная на рис. 5а.
Рис. 5
В этой схеме
0 2
б
0 дел
1
2
бэ
б
ст
0 дел
ст
U R
U
U K
R
R
U
U
U
U K
U
=
=
+
=
−
=
−
.
Отсюда
бэ
ст
ст
0
дел
дел
0,7В
U
U
U
U
K
K
+
+
=
=
.
Выбирая соотношение между сопротивлениями базового делителя,
можно устанавливать требуемое U
0
. При необходимости получить опорное
5
напряжение, меньшее 0,7 В, используется схема без стабилитрона в цепи
эмиттера (рис. 5б). Для нее
бэ
0
дел
дел
0,7В
U
U
K
K
=
=
.
Для получения термокомпенсированных опорных напряжений исполь-
зуется противоположный характер температурной зависимости двух физиче-
ских величин, определяющих работу транзистора. Температурный коэффи-
циент номинального напряжения база-эмиттер составляет минус 2,1 мВ/К, а
температурная зависимость теплового потенциала
T
kT
U
q
=
имеет положи-
тельный коэффициент 0,085 мВ/К. Для получения выходного напряжения с
нулевым температурным коэффициентом необходимо схемотехнически
обеспечить взвешенное сложение
0
бэ0
T
U
U
aU
=
+
,
где а – постоянный коэффициент.
Схема, реализующая этот принцип, приведена на рис. 6.
Рис. 6
В этой схеме
0
бэ0 3
2
VT
R
U
U
U
=
+
. В свою очередь
3
бэ1
бэ2
2
2 2
2
2
3
3
1
2
1
оэ
оэ
2
2
2
3
3
ln
ln
ln
R
R
T
T
U
U
U
U
R I
R
R
R
R
I
I
I
mU
mU
I
I
I
R
R
R
R
−
=
=
=
=
−
=
=
.
В результате
6
2
1
0
бэ0
3
2
ln
T
R
I
U
U
m
U
R
I
=
+
,
что и требовалось.
Схема сдвига уровня постоянного потенциала (ССУ) предназначена для
изменения (в частном случае понижения) постоянного напряжения при пере-
даче его от одной точки схемы к другой. При этом желательно в максималь-
ной степени сохранить сигнальные изменения напряжения. Идея иллюстри-
руется рис. 7.
Рис. 7
На этом рис. ССУ транслирует постоянный потенциал от точки "1" к
точке "2". При этом часть схемы левее точки "1" является для ССУ источни-
ком сигнала, а часть схемы правее точки "2" – нагрузкой.
В простейшем случае понижения потенциала можно добиться резистив-
ным делителем напряжения (рис. 8а).
Рис. 8
При условии, что ко входу подключен источник с внутренним сопротив-
лением, много меньшим входного сопротивления делителя, а сопротивление
нагрузки существенно превышает выходное сопротивление делителя
2
2
1
1
2
R
E
E
R R
=
+
.
7
Однако при этом сигнальные изменения уменьшаются в той же пропор-
ции. Другая группа схем понижения постоянного напряжения связана с ис-
пользованием нелинейных элементов по аналогии с ИОН (рис. 2б-г). В этом
случае потенциал понижается на величину постоянного напряжения на нели-
нейном элементе. Сигнальные изменения понижаются на величину, завися-
щую от дифференциального сопротивления нелинейного элемента в рабочей
точке. Это сопротивление много меньше, чем балластное токозадающее со-
противление (R
1
) на схемах рис. 2в,д.
Другой метод понижения потенциала основан на стабилизации тока че-
рез линейный резистор (рис. 9а).
Рис. 9
В этом случае
2
1
0
E
E
RI
=
−
. На рис. 3б показан пример применения
данного способа. На этой схеме потенциал базы транзистора VT1 определяет-
ся предшествующей схемой. Для тракта передачи сигнала этот транзистор
включен по схеме ОК и обеспечивает для ССУ низкое выходное сопротивле-
ние источника сигнала. Собственно сдвиг уровня осуществляется резистором
R и генератором тока на транзисторе VT2. Транзистор VT3, включенный по
схеме ОК обеспечивает для ССУ высокое сопротивление нагрузки.
Схема рис. 3в аналогична предыдущей за тем исключением, что смеще-
ние потенциала выполняется транзисторным 2-полюсником на транзисторе
VT2. С учетом падения напряжений на переходах транзистора выходной по-
тенциал данной схемы
(
)
бэ0
ст
2
2
1
бэ0
бэ0
1
2
U
U
R
E
E U
U
R
R
+
=
−
−
−
+
.
8
Транзисторный 2-полюсник в данной схеме выполняет роль нелинейно-
го элемента.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"