Транзисторы

Рис. 3. Опытный ждущий мультивибратор.

Метроном - это своеобразные часы, позволяющие по звуковым сигналам отсчитывать равные промежутки времени с точностью до долей секунды. Такие приборы используют, например, для выработки чувства такта при обучении музыкальной грамоте, во время первых тренировок по передаче сигналов телеграфной азбукой. Схему одного из таких приборов вы видите на (рис. 6).

Рис. 6. Метроном на основе мультивибратора.

Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала  с выхода на вход устройства. Сниматься  сигнал обратной связи может с  выхода всего устройства или с  какого-либо промежуточного каскада. ОС, охватывающую один каскад, принято  называть местной, а охватывающую несколько  каскадов или весь многокаскадный УУ — общей.

Структурная схема УУ с ОС приведена  на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. УУ с ОС

Коэффициент передачи цепи ОС   равен:

Рисунок 3.3. Каскад на ПТ с ПООС

K_0ОС = K₀/F = K₀(1 + S₀R_ос).

Рисунок 3.4. Усилитель с общей ПООСН

Рисунок 3.5. Усилительный каскад на БТ с ОЭ и ∥ООСН

Рисунок 3.6. Усилитель с общей ∥ООСТ

Рисунок 3.7. Усилительный каскад с  комбинированной ООС

Необходимость свойства используется повышение времени, для понижения  погрешности. Что бы входной сигнал был приближен к выходному.

 

  Рассмотрим схему на рис. 4.4. Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные выше правила: 
1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки А также равен потенциалу земли. 
2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R₂ равно U_вых, б) падение напряжения не резисторе R₁ равно U_вх. 
3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим U_вых/R₂ = - U_вх/R₁, или коэффициент усиления по напряжению = U_вых /U_вх= - R₂/R₁. Позже вы узнаете, что чаше всего точку В лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения

 

Рис. 4.4. Инвертирующий усилитель.

Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансомсом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R₁ как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.5

 

Рис. 4.5. Неинвертирующий усилитель.

Рассмотрим схему на рис. 4.5. Анализ ее крайне прост: U_A = U_вх. Напряжение U_A снимается с делителя напряжения: U_A = U_выхR₁/(R₁ + R₂). Если U_A = U_вх, то коэффициент усиления = U_вых/U_вх = 1 + R₂/R₁. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для ОУ типа 411 он составляет 10¹² Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превышает 10⁸ Ом). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Схема сложения-вычитания.

Схема на два входа:

Рис. 2.3

Эта схема представляет собой обобщение  схемы усилителя с дифференциальным входом. Общее выражение для выходного  напряжения схемы сложения вычитания  очень громоздкое, рассмотрим условия  необходимые для правильной работы этой схемы.

Эти условия сводятся к тому, чтобы  сумма коэффициентов усиления инвертирующей  части схемы была равна сумме  коэффициентов усиления ее неинвертирующей  части. То есть инвертирующий и неинвертирующий  коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.

Символически это можно oбозначить  следующим образом:

где m - число инвертирующих входов, n - число неинвертирующих входов.

Схема cложения - вычетания может  одновременно складывать и вычитать, то есть производить алгебраическое суммирование сигналов, но сумма ее инвертирующих коэффициентов усиления должна быть равна сумме неинвертирующих  коэффициентов. Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму двух напряжений и меняет знак на обратный.

Схема алгебраического сумматора  на два входа:

Рис. 2.1

Инвертирующий сумматор суммирует  входные напряжения и инвертиpyeт  результат.

Суммирующая схема с  масштабными коэффициентами.

Если отдельным входным напряжениям  надо принять различные веса, то используется схема суммирования с  масштабными коэффициентами.

Если ток смещения усилителя  пренебрежительно мал, то согласно закону Кирхгофа

I₁+ I₂+ I₃= I_ос

Рис. 2.2

Если коэффициент усиления без  ОС достаточно велик, так как U_д= 0, получим

 ;   ;   и   ,

Инвертирующая схема суммирует  с масштабными коэффициентами - это  вариант инвертирующего сумматора, в котором каждому входу придается  собственный вес . Неинвертирующий сумматор.

Схема на два входа:

Рис. 2.4

В данной схеме U_вых= U₁+ U₂, если

 ;   ;   и R_ос' = R₁' = R₂',

Можно также осуществить суммирование с весами, при этом обязательно  соблюдение условия

 ,

где n - число входов.

Неинвертирующий сумматор - это вариант  схемы сложения-вычитания, в котором  использованы только неинвертирующие  входы.

Суммирующие схемы можно использовать при решении алгебраических уравнений  и для построения пропорциональных регуляторов.

 

На рис. 4.9 изображена схема, которая  является хорошим приближением к  идеальному источнику тока, без сдвига напряжения U_бэ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение U_вх под действием которого через нагрузку протекает ток I = U_вхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 4.10). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания. Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» - это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 6, где рассматриваются источники питания постоянного тока. 

Рис. 4.9. Рис. 4.10. Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

Источники тока для заземленных  нагрузок. С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 4.11). В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное U_кк - U_вх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный I_э = (U_кк - U_вх)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении U_бэ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, I_к, U_кэ и т.п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: I_см, U_свд) проявляется лишь в том. что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения икэ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток - небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора Т₁ использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

 

Рис. 4.11. Источники тока с заземлёнными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую  напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания U_кк; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания U_кк, и все будет в порядке, если напряжение U_вхявляется фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-p-n - типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно U_кк, для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

 

На рис. 4.8 представлен повторитель, подобный эмиттерному, на основе операционного усилителя. Он представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R₁ равно бесконечности, а сопротивление резистора R₂ - нулю (коэффициент усиления = 1). Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя является схема типа LM310 или ОРА633, а также схемы упрошенного типа, например схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).

Рис. 4.8.

Усилитель с единичным коэффициентом  усиления называют иногда буфером, так  как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и  малым выходным).

 

Логарифмический усилитель

Логарифмический усилитель имеет нелинейную амплитудную характеристику (рисунок 12), соответствующую логарифмической зависимости выходного напряжения от входного U_вых = log(U_вх). Такой усилитель иногда применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить динамический диапазон усиливаемых сигналов, так как он усиливает сигналы малой амплитуды с большим коэффициентом усиления, чем сигналы большой амплитуды.

Рисунок 11. Амплитудная характеристика логарифмического усилителя

Логарифмический усилитель обычно выполняется на основе инвертирующего усилителя на ОУ, в котором в качестве элемента обратной связи применяется нелинейный элемент, имеющий логарифмическую вольтамперную характеристику – диод (рисунок 12,а).

Рисунок 12. Логарифмический (а) и антилогарифмический (б) усилители на основе ОУ

Напоминаем, что зависимость тока диода I_д от падения напряжения на нем U_д описывается выражением

,

где I₀ – тепловой ток диода; j _Т– температурный потенциал (примерно равный 0,025 В).

На основании (3) и (4) имеем

I_д = I_вх = U_вх / R и U_вых = – U_д,

Откуда  .        

 

 

Рис. 4.38. Пиковый детектор на основе ОУ.

На рис. 4.38 показана улучшенная схема, в которой используется обратная связь. Если напряжение обратной связи  снимать с конденсатора, то падение  напряжения на диоде не создаст никаких  проблем. На рис. 4.39 представлен возможный  вид выходного колебания.

 

Рис. 4.39.

Ограничения, присущие операционному  усилителю, сказываются на этой схеме  двояко: а) Конечная скорость нарастания ОУ порождает проблемы даже для относительно медленно меняющихся входных сигналов. Для большей ясности отметим, что выход ОУ попадает в отрицательное  насыщение, когда вход усилителя  имеет менее положительный потенциал, чем выход (постарайтесь изобразить напряжение ОУ в виде графика; не забудьте о прямом падении напряжения на диоде). Итак, выход ОУ должен стремиться к величине выходного напряжения (плюс падение напряжения на диоде) тогда, когда входной сигнал начинает превышать уровень выходного. При скорости нарастания S это можно грубо описать выражением (U_вых - U_- )/S, где U_- - отрицательное напряжение питания, U_вых - выходное напряжение, б) Входной ток смещения вызывает медленный разряд конденсатора (или его заряд в зависимости от знака смещения). Это явление называют иногда «утечкой заряда» и для того, чтобы избежать его, лучше всего использовать ОУ с очень малым током смещения. Сброс пикового детектора. На практике обычно желательно тем или иным способом производить сброс выхода пикового детектора. Один из способов состоит в подключении к выходу схемы резистора, благодаря которому напряжение на выходе затухает с постоянной времени RC. При этом схема «запоминает» только последние пиковые значения. Более совершенный способ состоит в подключении к конденсатору С транзисторного переключателя; выход схемы сбрасывается в нуль за счет поданного на базу короткого импульса. Как показано на рис. 4.38 к конденсатору можно подключить n- канальный полевой МОП - транзистор; в тот момент, когда потенциал затвора становится положительным, конденсатор сбрасывается в нуль.

 

На основе операционных усилителей можно строить почти идеальные интеграторы на которые не распространяется ограничение U_вых « U_вх. На рис. 4.47 показана такая схема. Входной ток U_вх/R протекает через конденсатор С. В связи с тем что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом: