Kon_Pr_pids_sign_27-05-14

3.3 Аналого – дискретні підсилювачі

Зважаючи на недоліки підсилювачів класу D, для забезпечення високого ККД використовують підсилювачі з аналого-дискретним режимом роботи транзисторів. Це аналогові підсилювачі, в яких здійснюється сходинко подібне керування напругою втрат на транзисторах. Таке керування напругою втрат може бути реалізоване зміною (перемиканням) коефіцієнта трансформації вихідного трансформатора. Проте найбільш простим є спосіб перемикання напруги живлення в залежності від миттєвого значення коливання. Схемо технічно найбільш простим є підсилювач з двома джерелами живлення. Двотактний каскад підсилювача такого типу містить два однакових плеча, які працюють почергово, кожне у свій півперіод коливання.

а) б)

Рис. 3.19. Спрощений варіант аналого дискретного підсилювача: а) схема електрична принципова одного плеча з живленням від двох джерел; б) залежність величини напруги живлення від величини напруги підсилюваного сигналу.

Простіша схема одного плеча (рис. 3.19. а) з живленням від двох джерел містить два послідовно ввімкнених транзистори VT1, VT2. Розглянемо роботу наведеної схеми протягом одної четвертої періоду синусоїдального підсилювального сигналу. При малих величинах вхідного сигналу працює тільки транзистор VT1. Його живлення здійснюється через діод VD від джерела з меншою напругою Е1. При цьому транзистор VT2 закритий напругою колектор-емітера (Uке1) першого транзистора. При малих величинах вхідної напруги Uке1 спів розмірне з Е1. В міру росту миттєвого значення вхідної напруги Uвх збільшується вихідний струм транзистора VT1 і напруга на опорі навантаження, а напруга Uке1 – зменшується. У деякий момент часу Uвх >Uке1 і транзистор VT2 починає відкриватись, причому настільки швидко, наскільки швидко зменшується величина Uке1. При струмі емітера транзистора VT2 , що дорівнює струму колектора VT1 , струм через діод припиняється і діод закривається, відключивши тим самим джерело Е1. У зв„язку із сказаним стає зрозумілою функція діода в даній схемі – відключення Е1 , тому й діод називається комутуючим. Починаючи з моменту закривання діода, схема живиться від джерела Е2. В наступну чверть періоду всі процеси відбуваються у зворотному порядку. Якщо знехтувати тривалістю перемикання, то напруга живлення Еж має вигляд сходинко подібної функції (рис. 3.19. б). Оскільки транзистор VT1 працює весь півперіод, а VT2 – допоміжний, кут відсічки основного транзистора 0=90°, а додаткового – менше. Тому коректно вважати, що основний транзистор працює в режимі В, а допоміжний

– в режимі С. У зв„язку з цим двотактні підсилювачі з живлення від двох джерел живлення називають підсилювачами класу ВС. У наведеній схемі транзистор VT1 не повинен доходити до режиму насичення, оскільки при цьому з„явиться обмеження його колекторного струму, що приведе до утворення сходинки на сигналах півхвилі вихідної напруги в областях моментів перемикання джерел (рис.3.19. б. пунктирна лінія). Для запобігання таких спотворень у базове коло першого транзистора вмикається резистор R1, завдяки якому швидкість відкривання транзистора VT1 зменшується, і до моменту наближення транзистора до насичення вхідна напруга вже достатня для відкривання VT2. Необхідність у двох джерелах живлення ускладнює підсилювальний пристарій, а при живленні від гальванічних елементів ускладнює його експлуатацію через неодночасність їх розряду. Тому були розроблені схеми підсилювачів класу ВС, які живляться лише від одного джерела живлення. Прикладом такого підсилювача може бути підсилювач із зустрічно – паралельним ввімкненням плеч.

23

ÎÇ 180 Ç ,

де З – кут запасу стійкості.

На один підсилювальний каскад величина кута запасу стійкості З = 10 , при n - каскадах З = 10 n, де n – ціле число рівне кількості каскадів.

Запас стійкості за умови балансу амплітуд виражається як x 20 lg T; де Т – петлеве підсилення на

частоті, при якій сумарний зсув фаз ланки ОЗ та підсилювача дорівнює нулю. Величина x тобто величина запасу стійкості за умовою балансу амплітуд на один каскад дорівнює 3дб.

Згідно з критерієм Боде стійкість підсилювачів можна оцінити, користуючись логарифмічними АЧХ та ФЧХ (ЛАЧХ, ЛФЧХ). Наприклад, для одно каскадного підсилювача низької частоти на частоті вищій частоти зрізу темп зниження петлевого підсилення загалом складає приблизно 20 дб на декаду, і характер зміни є практично лінійним в логарифмічній системі координат.

Рис.4.2 Одно каскадний підсилювач низької частоти: а) ЛАЧХ підсилювача; б) ЛФЧХ підсилювача; в)годограф вектора петлевого підсилення.

Максимальний зсув фази, який забезпечується одно каскадним підсилювачем, не перевищує 90 . Отже, до критичної точки балансу фаз із урахуванням запасу стійкості по фазі ми не доходимо на 80 . У той же час за умови балансу амплітуд є дві критичні точки fкр1, fкр2. В загальному випадку годограф вектора має вигляд зображений на рис.4.2. в.

Увипадку двох каскадного підсилювача темп пониження петлевого підсилення складає 40 дб/декаду,

асумарний зсув фаз 180 (рис.4.3. а, б).

Рис.4.3. Двох каскадний підсилювач низької частоти: а) ЛАЧХ підсилювача; б) ЛФЧХ підсилювача; в)годограф вектора петлевого підсилення.

Для випадку три каскадного підсилювача швидкість зміни петлевого підсилювача в області високих частот складає 60 дб/декаду. При цьому коефіцієнт запасу за модулем повинен складати 9 дб, а за фазовим кутом 30 .

26

двоходової реалізації один із входів інвертуючий, а другий – неінвертуючий. Отже, на вході такого ОП використовується диференційний підсилювач. Узагальнена структурна схема такого ОП зображена на рис.5.1.

Рис.5.1 Узагальнена структурна схема ОП

Функція диференційного підсилювача – порівняння двох сигналів. Функція проміжних каскадів (ПК) – забезпечення заданої величини KU, перехід від диференційного сигналу до однофазного й забезпечення міжкаскадного зниження потенціалів. Значна величина коефіцієнта підсилення досягається шляхом використання підсилювальних каскадів із динамічним навантаженням. Функція вихідного каскаду (ВК), як правило, реалізується за двотактними без трансформаторними схемами. Транзистори при цьому працюють у режимах B, AB. Використання режиму А енергетично невигідне. Забезпечення нульової вихідної напруги при нульовій вхідній вимагає використання двох полярного джерела живлення. Свого часу були розроблені ОП, побудовані за принципом перетворення сигналу, тобто вхідний сигнал перетворюється на змінний (блок М) (рис.5.2), підсилюється без дрейфовим підсилювачем

змінного струму (ПП) і на виході де модулюється (ДМ).

Рис.5.2. Структурна схема ОП побудованого за принципом перетворення сигналу.

Диференційні підсилювачі реалізуються на біполярних транзисторах, польових транзисторах та супер- – транзисторах.

До основних параметрів підсилювача слід віднести :

1)Ku - коефіцієнт підсилення за напругою. ( 104 106 );

2)U зм - напруга зміщення ( 20 мВ);

3)U зм - нестабільність напруги зміщення ( 60 мкВ/ C);

4)Iвх - вхідний струм ( 9 мкА);

5)Iвх - різницю вхідного струму між окремими входами ( 1,5 мкА);

6)Iвх / t - нестабільність величини вхідного струму від температури ( 20нА/ C);

7)fm ax - граничну робочу частоту (100 кГц);

8)U вих - порядок величини вихідного опору (0,1 0,2 кОм);

9)амплітудне значення вихідної напруги (0,9Uживл.).

Внайпростішому випадку ОП має п‟ять електродів, тобто два входи, один вихід та два електроди живлення (рис.5.3 а).

Циколівка найбільш типових ОП наведена на рис.5.3(б,в,г) :

28

а) б)

Рис.5.5 Врахування скінченності величини опору між вхідними електродами підсилювача: а) вхідний опір: б) вихідний опір.

Слід розрізняти Rвх для диференційного (парафазного) та синфазного сигналів. У першому випадку орієнтовна величина Rвх 2h11e, у другому - Rвх 1 h22. Вихідний опір реального підсилювача відмінний від нуля, а отже, при під‟єднанні опору навантаження буде відбуватися перерозподіл вихідної напруги між внутрішнім вихідним опором та опором навантаження схеми (рис.5.5 б).

Величина вихідної напруги буде дорівнювати спаду напруги на резисторі Rн і з урахуванням внутрішнього опору буде визначатись як

В цьому випадку величина коефіцієнта підсилення буде визначатись виразом:

З наведеної формули видно, що KUp K

У випадку інвертуючого підсилювача реалізовано паралельний від‟ємний обернений зв‟язок за напругою. При цьому величина вихідного опору схеми буде меншою, ніж власний вихідний опір операційного підсилювача на величину 1+ К

Під слід розуміти величину:

'

R1 ; R1' rg R1 Râõ , де rg - внутрішній опір джерела сигналу.

R2 R1'

Рис.5.6. Еквівалентна схема вхідних кіл інвертуючого підсилювача на ОП.

Якщо джерело підсилюваного сигналу є джерелом струму, тобто rg >> R1, і отже, при великому Rвх

30

опір R2 << R1', то = 1. Тому вихідний опір при наявності такого оберненого зв‟язку буде

Для сучасних ОП величина К 104 105, отже одиницею можна знехтувати, тоді одержимо

RвихОЗ Râèõ /(104 105);

RвихОЗ Râèõ.

Величина вихідної напруги визначається вхідним струмом

Uâèõ Iâõ R2.

Ці дві обставини, а саме низький вихідний опір і залежність величини вихідної напруги від вхідного струму, дають підстави вважати цю схему перетворювачем вхідного струму в напругу.

Не інвертуючий підсилювач Схема електрична принципова не інвертуючого підсилювача на ОП зображена на рис.5.7.

Рис.5.7. Схема електрична принципова не інвертуючого підсилювача на ОП.

При аналізі роботи схеми використовуємо принцип віртуального замикання. З достатнім степенем точності для даної схеми

У даному випадку реалізований послідовний від‟ємний обернений зв‟язок за напругою, тому велична вхідного опору схеми буде такою:

RâõÎÇ Râõ(1 K ) ,

де

Якщо R2 = 0, то = 1. Тоді вхідний опір схеми буде

RâõÎÇ Râõ(1 K ) .

Приймемо, що величина К ~ 104 ÷ 105. Тому

RâõÎÇ Râõ 104 105

Зважаючи на ту обставину, що при R2=0 величина Ku=1, ми отримаємо схему з великим вхідним і низьким вихідним опорами при коефіцієнті підсилення, який дорівнює одиниці, тобто дана схема є повторювачем напруги.

31

Розглянуті вище схеми інвертуючого та не інвертуючого підсилювачів, незважаючи на різницю в основних параметрах і характеристиках мають одну рису, яка притаманна більшості радіосхем, – це одно в ходовість.

В обох випадках використання ОП сигнал подавався на один вхід, а другий використовують лише для організації оберненого зв‟язку.

Проте ОП підходять і для випадку, коли технічне завдання вступає в суперечку із принципом одно в ходовості. Тоді використовують різницеве, або диференційне ввімкнення. Саме така схема ввімкнення дозволяє порівнювати одночасно два незалежних вхідних сигнали.

Диференційний підсилювач Схема електрична принципова диференційного підсилювача на ОП зображена на рис.5.8.

Рис.5.8 Схема електрична принципова диференційного підсилювача на ОП.

Використовуємо принцип віртуального замикання стосовно схеми (рис.5.8)

Вважатимемо, що R1 = R2, R3 = R4. Спростивши вираз, ми отримаємо

32