Б. И. Горошков радиоэлектронные устройства справочник

Вид материала

Справочник

Содержание Двухполюсники с отрицательным сопротивлением I. схемы с характеристикой s-вида Схема с ПОС. VT1 в исходном состоянии закрыт напряжением ERafCRi+Rz+Ra). 2. Схемы с характеристикой n-вида VT2 находится в открытом со­стоянии. Через него протекает максимальный ток, определяемый вы­ражением Eh Глава 4УСИЛИТЕЛИ I. управление коэффициентом усиления Плавная регулировка коэффициента передачи. 2. Сдвоенные оу

Подобный материал:

• Федерации Кафедра "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы", 85.93kb.
• Использование программы electronics workbench в лабораторном практикуме по дисциплинам,, 34.69kb.
• В. В. Красник справочник москва энергосервис 2002 Автор: Доктор технических наук, профессор, 3548.17kb.
• Московский Государственный Институт Электроники и Математики (Технический Университет), 763.07kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 151.82kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 121.7kb.
• «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» Общая трудоёмкость изучения дисциплины, 58.31kb.
• Для сотовых сетей связи (мобильные телефоны, а также модемы, применяемые в сотовых, 307.64kb.
• Структура и электронные характеристики пиролизованного полиакрилонитрила 05. 27., 262.27kb.
• Справочник состоит из следующих разделов, 2077.26kb.

Глава 3


^ ДВУХПОЛЮСНИКИ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Устройства, вольт-амперная характеристика которых имеет падающий участок, могут быть двух типов. Они отличаются по виду характеристик. Характеристика N-вида имеет максимум тока а ха­рактеристика S-вида — максимум напряжения. Для исследования устройств с вольт-амперной характеристикой N-вида необходимо иметь источник постоянного напряжения с малым внутренним сопро­тивлением. Вольт-амперные характеристики S-вида получаются с по­мощью источника тока.

Схемы с отрицательным дифференциальным сопротивлением на­ходят применение для получения генераторов гармонических и нм-пулььных сигналов. Эти устройства могут применяться и для усиле­ния электрических сигналов в длинных линиях в телеграфных систе­мах передачи информации.

Разработаны и исследованы различные схемы, обладающие отри­цательным сопротивлением. Эти схемы построены в основном на двух транзисторах. Схемы включения ОУ, которые используются в устрой­ствах, показаны в гл. 1.


^ I. СХЕМЫ С ХАРАКТЕРИСТИКОЙ S-ВИДА


Схема последовательного принципа действия. Устройство (рис. 3.1) имеет S-образную вольт-амперную характеристику. Поло­жительное входное напряжение открывает переход эмиттер — база транзистора VT1, через который протекает ток, определяемый ре­зистором R4. Коллекторный ток транзистора VT1 создает падение напряжения на резисторе R2, которое открывает транзистор VT2. Ток, протекающий через транзистор VT2, поступает из входной цепи через резистор R1. Кроме того, открывание транзистора VT2 вызы­вает уменьшение напряжения в базовой цепи транзистора VT1: па­раллельно резистору R4 подключается резистор R3. В результате формируется наклонный участок вольт-амперной характеристики. После того как транзистор VT2 полностью откроется, входной ток схемы будеТ определяться резистором R1. Наклонный участок вольт-амперной характеристики будет определяться соотношением ДU/ДI =R₁R₃/R₂.

Схема с управляемой вольт-амперной характеристикой. Для полу­чения такой характеристики используется эквивалент однопереход-ного транзистора, построенный на двух транзисторах с различным типом проводимости (рис; 3.2). Ток, протекающий через делитель R3 и R4, создает падение напряжения, которое закрывает эмиттер-ный переход транзистора VT1. При повышении напряжения на эмит­тере начинает протекать ток, который проходит через базу транзи­стора VT2. Транзистор VT2 начинает открываться. Это приводит к снижению напряжения на базе транзистора VT1, что в свою оче­редь вызывает еще большее его открывание. Процесс открывания транзисторов может протекать лавинообразно. В результате вольт-амперная характеристика имеет S-образный вид.




Рис. 3.1


Схема с непосредственной связью. В исходном состоянии оба транзистора (рис. 3.3) закрыты. При увеличении напряжения, когда напряжение „база — эмиттер больше 0,5 В, транзистор VT2 откры­вается. Коллекторный ток транзистора VT2 открывает транзистор VT1. Поскольку в эмиттерно-коллекторной цепи этого транзистора включены низкоомные резисторы, через VT1 будет протекать весь входной ток. Напряжение на входе упадет. После того как транзи­стор VT1 войдет в режим насыщения, входной ток будет опреде­ляться резисторами Rl, R2.

^ Схема с ПОС. При небольших напряжениях источника питания транзисторы (рис. 3.4) закрыты. Протекающий ток будет опреде­ляться резистором R3, сопротивление которого на порядок выше сопротивлений всех остальных резисторов. Увеличение напряжения» вызывает рост падения напряжения на резисторах R1 и R5, что при­водит к открыванию транзисторов. При насыщении транзисторов ток будет определяться резисторами R1 и R5.



Рис. 3.2


Транзистор в режиме лавинного пробоя. При коллекторном на­пряжении больше предельно допустимого значения транзистор пере­ходит в режим лавинного пробоя. Вольт-амперные характеристики транзистора в этом случае будут иметь вид, представленный на рис. 3.5, а.

В режиме лавинного пробоя могут быть использованы транзи­сторы интегральной микросхемы К101КТ1. Транзисторы применяют в прямом и инверсном включении. При включении сопротивления Кб между базой и эмиттером (рис. 3.5, в) транзисторы имеют управ­ляемую 5-образ«ую характеристику. В инверсном включении пробой эмиттерного перехода наступает при напряжении 7 — 8 В. В этом включении наблюдается высокая стабильность характеристики. Тем­пературный коэффициент 0,02 — 0,04 %/град. Эти свойства обуслов­ливают применение их в различных быстродействующих импульсных схемах с временем нарастания около 10 не.

Управляемая напряжением каскадная схема включения. Состав­ной каскад (рис. 3.6) на транзисторах разной проводимости позво­ляет создать аналог элемента с S-образной вольт-амперной характе­ристикой. Подобными характеристиками обладают лавинные и одно-переходные транзисторы.

Транзистор ^ VT1 в исходном состоянии закрыт напряжением ERafCRi+Rz+Ra). Когда входное напряжение превышает этот уро­вень, начинают проводить оба транзистора. Коллекторный ток тран­зистора VT1 уменьшает напряжение на резисторе R1 и тем самым уменьшает напряжение на базе транзистора VT2. На характеристике формируется падающий участок. С дальнейшим увеличением входно­го напряжения транзистор VT1 входит в насыщение. Эмиттер оказы вается подключенным ко входу. В этом случае весь ток входной цепи протекает через транзистор VT2, который не находится в насыщении. Дифференциальное отрицательное сопротивление на падающем уча­стке характеристики определяется выражением R₁R₃h_2l3/(R₁+R₂ + + R₃), где h_21Э — коэффициент передачи по току транзистора VT1.



Рис. 3.3



Рис. 3.4



Рис. 3.5



Рис. 3.6


^ 2. СХЕМЫ С ХАРАКТЕРИСТИКОЙ N-ВИДА


Управляемая напряжением схема последовательного включения транзисторов. Двухполюсник рис. 3.7 обладает JV-образной характе­ристикой. При нулевом входном напряжении транзистор VT1 закрыт, а второй транзистор открыт источником напряжения. В цепи базы транзисторы VT2 течет ток. определяемый резисторами R2 и R3. При увеличении входного напряжения начинает протекать ток_г кото­рый проходит через резистор R4 и транзистор VT2. Дальнейшее увеличение входного напряжения открывает транзистор VT1. С от­крыванием транзистора VT1 закрывается транзистор VT2. В резуль­тате входной ток уменьшается.

Схема с параллельным включением транзисторов. При входном напряжении меньше 2 В (рис. 3.8) открыт транзистор VT1. Через него протекает ток, который определяется резистором R1. При вход­ном напряжении больше 2 В открывается транзистор VT2. который уменьшает напряжение на базе транзистора VTJ и тем самым умень­шает ток, протекающий через него. При напряжении на входе более 9 В транзистор VT2 находится в насыщении. Ток в схеме опреде­ляется резисторами R3 и R4.

Схема усилителя постоянного тока. При малых напряжениях на входе (рис. 3.9) транзистор VT1 закрыт. Входное напряжение пол­ностью приложена к базе транзистора VT2. Через этот транзистор протекает ток I _э =U_вx/R₅. С увеличением напряжения ток увеличи­вается почти пропорционально входному напряжению. Когда входное напряжение достигает 4 В, начинает открываться транзистор VT1. Коллекторный ток этого транзистора уменьшает напряжение в базо­вой цепи транзистора VT1, и входной ток уменьшается. Уменьшение тока наблюдается до тех пор, пока транзистор VT1 находится в ли­нейном режиме. При напряжении на входе 9 В VT1 переходит в ре­жим насыщения. Дальнейшее увеличение тока определяется общим активным сопротивлением всей схемы.



Рис. 3.7



Рис. 3.8


Лямбда-диод. Устройство (рис. 3.10) состоит из двух полевых транзисторов разной проводимости. Транзистор VT1 имеет канал типа n, а транзистор VT2 — типа р. При нулевом напряжении на затворе,,оба транзистора проводят. В схеме они включены в цепь ООС последовательно по отношению один к другому. Можно счи- тать, что в исток транзистора VT1 включено переменное сопротивле­ние. Протекающий через транзистор VT1 ток создает на транзисторе VT2 падение напряжения, закрывающее транзистор VT1. В свою очередь сопротивление транзистора VT2 меняется ,в зависимости от падения напряжения-на транзисторе VT1. Таким образом, с увеличе­нием протекающего тока транзисторы стремятся закрыться. Когда падение напряжения на транзисторах достигнет уровня отсечки, про­текающий ток будет близок к нулю.

На графике рис. 3.10, а показаны характеристики для двух тран­зисторов, которые отличаются напряжением .отсечки. Для транзисто­ра КП103К напряжение отсечки равно 4 В, а для КП103Л — б В. У транзистора КПЗОЗ напряжение отсечки составляет 8 В. Для изменения наклона отрицательного участка характеристики можно включить между истоками транзисторов резистор. Семейство вольт-амперных характеристик можно реализовать при включении вместо постоянного резистора полевого-транзистора (показано на схеме и графике рис. 3.10,6).

Схема с вольт-амперной характеристикой, управляемой током. Приведенная на рис. 3.11 схема позволяет получить управляемое отрицательное сопротивление. Управление осуществляется по базе транзистора VT1. Коллекторный ток транзистора VT1 зависит от базового тока смещения. Резистор R совместно с транзисторами VT2 я VT3 управляют базовым током. При увеличении напряжения на коллекторе транзистора VT1 увеличивается ток, протекающий через цезистор R. Этот ток поступает в базу транзистора VT2. Коллектор­ный ток транзистора VT2 уменьшает базовый ток транзистора VT1. С уменьшением сопротивления резистора R скорость уменьшения коллекторного тока транзистора VT1 возрастает, что видно при срав­нении графиков на рис. 3.11,6 и в.



Рис. 3.9



Рис. 3.10


Схема с ООС. Устройство, схема которого приведена на рис. 3.12, имеет N-образную вольт-амперную характеристику. Воз­растающий участок этой характеристики формируется транзистором VT1. При напряжении на входе меньше 3 В транзистор VT1 нахо­дится в открытом состоянии. По мере увеличения напряжения на входе транзистор VT2 переходит в проводящее состояние, что вызы­вает уменьшение напряжения на его коллекторе. Транзистор VT1 закрывается. Когда оба транзистора в проводящем состоянии, фор­мируется участок характеристики с отрицательным сопротивлением (рис. 3.12,6).

Схема с ограничителем тока. При входном напряжении (рис. 3.13) меньше 1 В транзистор ^ VT2 находится в открытом со­стоянии. Через него протекает максимальный ток, определяемый вы­ражением Eh_21Э/(R₁+R₂), где h_21Э2 — коэффициент передачи тран­зистора VT2. Когда напряжение, достигнет значения, необходимого для открывания транзистора VT1, транзистор VT2 закрывается. На вольт-амперной характеристике образуется падающий участок. При напряжении на входе 1»5 В транзистор VT1 полностью откроется и весь ток схемы определится сопротивлениями резисторов R1 и R2. Если включить параллельно транзистору стабилитрон с напряжением стабилизации 4,5 В, те при входном напряжении 4,5 В ток резко воз­растет.



Рис. 3.11



Рис. 3.12



Рис. 3.13



Рис. 3.14



Рис. 3.15


Схема на ОУ. Операционный усилитель с ПОС (рис. 3.14) через резистор R1 обладает участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением r=R1R2/R3. На этом участке соблюдается хорошая линейность. Размах участка определяется напряжением насыще­ния ОУ.

Комбинированная схема. В исходном состоянии, когда входное напряжение схемы (рис. 3.15) минимально, полевой транзистор об­ладает максимальной проводимостью. С увеличением напряжения Uп на выходе ОУ образуется напряжение, которое стремится закрыть транзистор. По достижении напряжения отсечки полевой транзистор полностью закрывается. Весь ток входной цепи будет течь через ре­зисторы R1 и R2. Момент закрывания полевого транзистора можно регулировать напряжением по неинвертирующему входу ОУ. Кроме того, если увеличить отношение сопротивлений резисторов R?IRi, то можно уменьшить входное напряжение, при котором транзистор за­кроется. Для защиты полевого транзистора от больших положитель­ных управляющих напряжений служит цепочка R3, VD,


^ Глава 4


УСИЛИТЕЛИ


Область использования усилителей обширна. Многообразие назначения усилителей порождает различия в требованиях, которым они должны отвечать. В связи с этим они могут различаться между собой как по числу активных элементов, так и по конструкции. Уси­лители являются составной частью почти любого прибора. В любом устройстве прежде чем вести обработку сигналов, поступающих с датчиков, необходимо усилить эти сигналы. К усилителям предъяв­ляются самые разнообразные требования: широкие пределы коэффи­циента передачи (от 1 до 10⁶), возможно меньший уровень шумов, возможно большее входное сопротивление, малое потребление тока, необходимая частотная полоса пропусканий, устойчивая работа в раз­личных климатических условиях. В одном усилителе совместить все эти требования практически невозможно. Для решения подобных вопросов применяют различные виды усилителей. Все усилители можно разбить на четыре группы: усилители звукового диапазона частот, селективные, широкополосные и гальванометрические усили­тели. Поскольку граница разделения является чисто условной, то один вид усилителей можно с успехом применять для разных целей. Каждая группа усилителей удовлетворяет лишь отдельным перечис­ленным требованиям.

1. В усилителях звукового диапазона частот основное внимание уделяется формированию необходимой частотной характеристики. Эти усилители,перекрывают широкую область частот от 20 Гц до 20 кГц. Они должны обладать низким уровнем шумов -и большой чувствительностью. Усилителям этого диапазона частот уделяется большое внимание в технике записи и воспроизведения звука, для усиления сигналов от различных магнитных и пьезоэлектрических датчиков. Здесь могут применяться усилители с непосредственной связью и с малым уровнем шумов.

2. Селективные усилители применяют в промышленных системах обработки информации, .когда необходимо из широкого спектра час­тот входного сигнала выделить составляющие, несущие информацию. Селективные усилители должны обеспечивать постоянство частотных и фазовых характеристик выделяемого сигнала, возможность регули­ровки коэффициента передачи и выделяемой полосы частот, устойчи­вую работу при больших коэффициентах усиления. Для регулировки коэффициента усиления применяют диоды и полевые транзисторы.

3. Широкополосные усилители являются входными каскадами устройств широкого назначения. В функции широкополосных усили­телей входит ограничение шума, поступающего с антенны или датчи­ка, с целью увеличения отношения сигнал-шум.

4. Гальванометрические усилители предназначены для измерения малых постоянных или медленно меняющихся токов. Их применяют для усиления малых сигналов и потенциалов различных датчиков, имеющих большое выходное сопротивление. Создать усилители с большим входным сопротивлением на биполярных транзисторах путем введения ООС в широком диапазоне частот практически не­возможно. По этой причине почти все практические схемы гальвано­метрических усилителей имеют входные каскады с полевыми транзи­сторами. В этом случае сравнительно просто получить большое вход­ное сопротивление и низкий уровень шумов.

Схемы включения ОУ, которые используются в устройствах, по­казаны в гл. 1.


^ I. УПРАВЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ


Настройка усилителя на ОУ. Схема с ОУ (рнс. 4.1) счи­тается настроенной, если при E₁ = E₂=E₃ = 0 выходное напряжение равно нулю. Этот режим работы ОУ устанавливается при условии R₆=1/(1/R₁ + 1/R₂+1/R₃+1/R₄) (рис. 4.1,0); l/R₃+l/R₄+1/R₅ = = l/R₁+l/R₂ (рис. 4.1,6). При точной настройке усилителя значи­тельно ослабляется влияние изменения входных токов от температу­ры и прочих воздействий на дрейф выходного сигнала. Это очень важно при создании усилителей постоянного тока, для усилителей переменного тока и фильтров, во избежание ограничения динамиче­ского диапазона устройств.

^ Плавная регулировка коэффициента передачи. На рис 42 пока­зано несколько схем включения.ОУ, в которых осуществляется плав­ная регулировка коэффициента передачи. Обозначим R_п — входное дифференциальное сопротивление, К_у._ио~ коэффициент усиления ОУ без ОС. На рис. 4.2 показаны схемы, которые имеют следующие па­раметры:





Рис. 4.1



Рис. 4.3 Рис. 4.4


Дискретное изменение коэф­фициента передачи. Дискретный способ регулирования усиления применяется при точных измере­ниях исследуемого сигнала. Приве­дены две схемы (рис. 4.3), кото­рые отличаются режимами работы усилителя в моменты переключе­ния с контакта-на контакт. В пер­вом случае один из входов ОУ находится в свободном положе­нии. Здесь входной сигнал не проходит- на выход. Во втором случае вход ОУ подключается через резистор R1 к общей шине. В этом режиме усилитель обладает максимальным усилением. От входного сигнала усилитель пер.еходит в режим насыщения.

Температурная стабилизация ОУ. Для температурной стабили­зации ОУ к его инвертирующему входу подключена терморегулирую-щая цепочка (рис- 4.4). Эта цепочка построена на двух стабилитро­нах. Стабилитрон VD1 имеет отрицательный ТКН, стабилитрон VD2, включенный в прямом направлении, имеет положительный ТКН. В результате с помощью потенциометра R2 можно выбрать любое значение ТКН, которое необходимо .для ОУ. С помощью потенцио­метра R4 компенсируется постоянное напряжение, поступающее от стабилитронов.


^ 2. СДВОЕННЫЕ ОУ


Последовательное соединение двух ОУ. Последовательное соединение двух ОУ (рис. 4.5) позволяет получить большой коэффи­циент передачи, широкополосность и малый дрейф. Широкополосные усилители, как правило, имеют большой временной и температурный дрейф. В составном усилителе стабильный каскад с малым дрейфом непрерывно компенсирует напряжение сдвига нуля. Схема рис. 4.5, а, имеет два обособленных усилителя. Для настройки схемы необходи­мо иметь резисторы с точностью сопротивления 0,1 %. На схеме рис. 4.5,6 существует общая ООС, которая стабилизирует первый ОУ. В этой схеме резистор R1 должен иметь точность 0,1 %, а рези­стор R2 — 10 %. Дрейф нуля меньше 1 мВ при коэффициенте пере­дачи 10³.



Рис. 4.5



Рис. 46 Рис. 4.7


Плавная регулировка коэффициента передачи параллельно вклю­ченных ОУ. Схема усилителя, приведенного на рис. 4.6, позволяет плавно уменьшать сигнал на одном выходе при одновременном уве­личении его на другом. Если потенциометр R5 находится в положе­нии, когда точка соединения резисторов R3 и R4 подключена к общей шине, то входной сигнал проходит через интегральную микросхему DA2. В другом крайнем положении потенциометра работает микро­схема DAL При прохождении входного сигцала через одну интег­ральную микросхему на входе другой сигнал не равен нулю. За счет сопротивления контактов входной сигнал ослабляется только на 80 дБ. В среднем положении потенциометра работают оба усилите­ля. В этом положении входное сопротивление схемы равно 70 кОм.

Сдвоенные ОУ. Для повышения температурной стабильности из­мерительных усилителей в схемах (рис. 4.7) объединяют два ОУ, поскольку они, обладают синхронным изменением параметров. Уси­литель обладает коэффициентом усиления более 200. Коэффициент усиления первого каскада рассчитывается по формуле K_{y и 1}=(2R₁ +Rз)/R2, а коэффициент усиления второго каскада — K_{у K2}=R₆}R₄. Влияние входного синфазного сигнала и передачу его на выход как парафазного сигнала можно уменьшить, подобрав попарно равными сопротивления R4 и R5, а также R6 и R7. Схема имеет большое входное сопротивление, которое практически не зависит от изме­нения коэффициентов усиления ОУ.



Рис. 4.8 Рис 49

Составной ОУ. Усилитель, со­бранный по схеме рис. 4.8, обла­дает большим входным сопротив­лением. Если одиночный ОУ имеет входное сопротивление приблизи­тельно 0,5 МОм, то входное со­противление составного усилите­ля более 10 МОм. Это достигает­ся за счет глубокой ООС с по­мощью усилителя DA2. Этот же усилитель позволяет также значительно повысите (до 100 дБ) ко эффициент ослабления синфазного сигнала В этом случае необхо димо более тщательно подобрать сопротивления резисторов RL и R2 Усилители с симметричным выходом. Схема формирования двух-потярного выгодного напряжения (рис 49, а), имеет низкие входное и выходное сопротивления Для выравнивания выходных напряже ний как по положительному, так и по отрицательному выходам не­обходимо выполнить условия



Схема рис 4 3, б состоит из двух О У, включенных последователь­но. Здесь напряжение U₂ = U₁ (1+R₂/R₁), a U₂=U₁^- (1+R₄/R₁) х (l+R₂R₁) Эта схема может быть использована при подаче вход ного сигнала на любой вход ОУ Она может иметь как малое вход ное сопротивление (когда сигнал подается на инвертирующий вход), так и большое входное сопротивление (когда сигнал поступает на неинвертирующич вход) Эта схема не симметрична и несбалансиро-вана На рис 4 9, в показана схема, где ОУ работают симметрично, причем они последовательно балансируют друг друга Выходное на пряжение опоедеаяется согласно выражениям U2 = U⁺₁ (1+R1/R2) и U₂⁺ = U₁^- (1+R₁/R₂) Эта схема имеет большое входное сопротив­ление

Схема с перекрестной балансировкой приведена на рис 4 9, г Она симметрична относительно входа и выхода, имеет большое входное сопротивление Выходное напряжение определяется выраже ниями



Для коэффициента передачи, равного единице, можно считать R1 = = R3 = 0, а R2=оо