Выходной импеданс. Обратим теперь внимание на то, что цепь обратной связи передает с выхода на вход сигнал, пропорциональный либо выходному напряжению, либо току нагрузки. В первом случае выходной импеданс при замыкании обратной связи уменьшается в {\-\-AB) раз, а во втором - во столько же раз увеличивается. Рассмотрим это явление на примере напряжения. Начнем с модели, пред ставленной на рис. 3.63. На этой схеме выходной импеданс показан в явном виде. Для упрощения вычислений воспользуемся следующим приемом: замкнем вход накоротко и положим, что выходное напряжение равно U; определив выходной ток /, найдем выходной импеданс /?вых = /- Напряжение U на выходе создает на входе усилителя па- р„(.. з.бЗ. дение напряжения, равное -BIU, которое в свою очередь создает во напряжение -ABU. Выходной ток

внутреннем генераторе усилителя при этом равен

J и-(-ABU) (1+АВ)

вых вых

следовательно, действующий выходной импеданс определяется выражением

/?;b,x=t /=/?,b,x/(i + s).

Если используется обратная связь по току, т. е. сигнал обратной связи пропорционален току в нагрузке, то выражение для выходного импеданса принимает вид

/?;ых = /?вых(1+б).

Можно использовать несколько цепей обратной связи как по току, так и по напряжению. В общем случае выходной импеданс определяется формулой Блэкмана:

вых - вых

[\+{AB) Jl+{AB) ,l

где (АВ) - коэффициент передачи цепи обратной связи при коротком замыкании выхода; (ЛВ). - коэффициент передачи цепи обратной связи при обрыве цепи нагрузки (на холостом ходу). Таким образом, с помощью обратной связи можно получить нужный выходной импеданс. Это выражение есть обобщение полученных выше результатов для произвольной комбинации обратных связей по току и по напряжению.

Цепь ОС как нагрузка усилителя. Выполняя расчеты для схем с обратной связью, обычно предполагают, что -цепь не нагружает

выход усилителя. В противном случае это следует учесть при расчете коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи. Точно так же, если подключение Р-цепи на входе усилителя влияет на величину коэффициента усиления без обратной связи (обратная связь устранена, но подключение выполнено), следует использовать модифицированный коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи. И наконец, обычно предполагается, что р-цепь является направленной, т. е. она не передает сигнал со входа на выход .

3.26. Два примера транзисторных усилителей с обратной связью

Рассмотрим показанный на рис. 3.64 транзисторный усилитель с отрицательной обратной связью.

Описание схемы. На первый взгляд она может показаться сложной, на самом деле в ней нет хитростей и проанализировать ее достаточ-

+15 в

9 9 икФ Входной У -Q4 В сигнал 77

согласованная пара

-15 В

Рис. 3.64. Транзисгорный усилитель мощности с отрицательной обратной связью.

но легко. Транзисторы Т, и образуют дифференциальную пару, а дополнительное усиление ее выходного сигнала обеспечивает усилитель с общим эмиттером на Т^. Резистор - это резистор коллекторной нагрузки Тз, а двухтактный каскад на транзисторах Т^ и Т^ представляет собой выходной эмиттерный повторитель. Выходное напряжение поступает в цепь ОС, которая состоит из делителя напряжения, обра-

в прецизионных схемах приходится учитывать эффекты, связанные с прямым прохождением сигнала на выход по цепи обратной связи.- Прим. ред.

зованного резисторами и и конденсатором Cj, благодаря которому коэффициент усиления схемы с ОС по постоянному току уменьшается до единицы (для стабилизации режима по постоянному току). Резистор Rs определяет ток смещения в дифференциальной паре; наличие петли обратной связи, охватывающей схему, гарантирует, что выходное напряжение покоя равно noreHunarfy земли, а потому оказывается, что ток покоя составляет 10 мА (падение напряжения на Rs приблизительно равно Оэз)- Как уже было показано в разд. 2.14 диоды смещают двухтактный каскад в состояние проводимости, при этом падение напряжения на последовательном соединении резисторов

и Rg равно падению напряжения на диоде, т. е. ток покоя выходного повторителя равен 60 мА. Это усилитель класса АВ, в котором за счет потери мощности в 1 Вт, рассеиваемой каждым выходным транзистором, уменьшаются переходные искажения.

С точки зрения рассмотренных ранее схем необычным в этой схеме является только то, что коллекторное напряжение покоя транзистора Тх меньше напряжения питания t/K всего на величину падения напряжения на диоде. Оно должно быть таким для того, чтобы транзистор Тз находился в режиме проводимости, а поддерживает это состояние цепь обратной связи. Если, например, коллекторное напряжение транзистора Ti приблизилось бы к потенциалу земли, то транзистор Гз начал бы проводить большой ток, при этом увеличилось бы выходное напряжение, а это в свою очередь привело бы к тому, что через транзистор Ti тоже стал бы протекать большой ток, что вызвало бы уменьшение коллекторного тока в транзисторе Ti и восстановило бы нарушенный статус-кво. Резистор R подобран таким образом, чтобы ток покоя транзистора Ti создавал на нем падение напряжения, равное падению напряжения на диоде, тогда в точке покоя коллекторные токи в дифференциальной паре будут приблизительно равны между собой. В этой транзисторной схеме входным током смещения пренебречь нельзя (он равен 4 мкА) - на входных резисторах, имеющих сопротивление 100 кОм, он со.здает падение напряжения, равное 0,4 В. В подобных схемах транзисторных усилителей входные токи значительно больше, чем в операционных усилителях, поэтому особенно важно, чтобы сопротивления по постоянному току со стороны входов были равны (очевидно, что лучше было бы использовать здесь на входе составной транзистор Дарлингтона).

Анализ схелб/. Рассмотрим приведенную схему подробно и определим коэффициент усиления, входной и выходной импедансы и величину нелинейных искажений. Для того чтобы можно было оценить влияние обратной связи, определим эти параметры при разомкнутой и замкнутой цепи обратной связи (учитывая, что при разомкнутой цепи обратной связи смещение практически бесполезно). Для того чтобы оценить влияние обратной связи на линейность, определим коэффициент усиления при напряжениях на выходе, равных +10 В,- 10 В, напряжении, соответствующем точке покоя (О В).

224 Г лат 3

Цепь ОС разомкнута. Входной импеданс. Разорвем цепь обратной связи в точке X и заземлим правый конец резистора R. Для входного сигнала сопротивление определяется параллельным соединением сопротивления 100 кОм и сопротивления со стороны базы. Последнее состоит из увеличенных в кгхэ раз собственного эмиттерного сопротивления Ту плюс сопротивление со стороны эмиттера Тг, при определении которого надо учесть, что к базе транзистора Т^ подключена цепь обратной связи. Если hi32bO, то Z ,250 [(2-25)-j-(3,3 кОм/250)], т. е. Zbx 16 кОм.

Выходной импеданс. В связи с тем что сопротивление коллектора транзистора Т^ велико, можно считать, что на выходные транзисторы работает источник с сопротивлением 1,5 кОм {R). Выходной импеданс составляет приблизительно 15 Ом (/laislOO) плюс эмиттерное сопро-тмвление, равное 5 Ом, итого 20 Ом. Собственным эмиттерным сопротивлением величиной 0,4 Ом можно пренебречь.

Коэффициент усиления. Сопротивление нагрузки дифференциального каскада определяется параллельным соединением R и базового сопротивления транзистора Гз. В связи с тем что ток покоя транзистора Тз составляет 10 мА, его собственное эмиттерное сопротивление равно 2,5 Ом, а входное сопротивление со стороны базы -250 Ом (Л^э^ ilOO). Следовательно, коэффициент усиления дифференциальной пары равен 25011620 Ом/2-25 Ом 3,5. Коэффицие':г усиления по напряжению второго каскада, на транзисторе Тз, равен 1,5 кОм/2,5 Ом= =600. Полный коэффициент усиления по напряжению в точке покоя равен 3,5-600=2100. Коэффициент усиления Тз зависит от величины коллекторного тока, и поэтому он существенно изменяется при изменении сигнала от пика до пика - в этом проявляется нелинейность схемы. В следующем разделе приводятся значения коэффициента усиления для трех значений выходного напряжения.

Цепь ОС замкнута. Входной импеданс. В схеме использована последовательная обратная связь, поэтому входной импеданс увеличивается в (1 +коэффициент передачи петли ОС) раз. Цепь обратной связи представляет собой делитель напряжения с отношением плеч S = 1/30 на частотах сигнала, следовательно, коэффициент усиления в петле обратной связи равен Лб=70. Следовательно, входной импеданс определяется параллельным соединением сопротивления 70-16 кОм и резистора смещения сопротивлением 100 кОм, т. е. равен приблизительно 92 кОм. Можно считать, что входной импеданс определяется резистором смещения.

Выходной импеданс. В связи с тем что часть выходного напряясгнпя передается на вход, выходной импеданс уменьшается в (l-j- коэффициент усиления петли ОС) раз. Следовательно, выходной импеданс равен 0,3 Ом. Отметим, что это импеданс для малого сигнала. Не следует думать, что полный размах выходного напряжения можно получить на нагрузке с сопротивлением, например, 1 Ом. Эмиттерный резистор сопротивлением 5 Ом, присутствующий в выходном каскаде, ограничивает размах большого сигнала. Например, на нагрузке с сопротивле-

нием 4 Ом можно получить размах, равный приблизительно 10 В (от пика до пика).

Коэффициент усиления. Коэффициент усиления равен Л/(1+ЛВ). В точке покоя он принимает значение 30, 84, при этом используется точное значение для В. Для иллюстрации стабильности усиления, обусловленной отрицательной обратной связью, ниже приведены значения полного коэффициента усиления по напряжению для схемы при наличии и в отсутствие обратной связи для трех значений выходного напряжения. Очевидно, что отрицательная обратная связь существенно улучшает характеристики усилителя, но справедливости ради следует отметить, что схему можно было бы разработать и так, чтобы ее характеристики при разомкнутой петле обратной связи были лучше; например, в качестве коллекторной нагрузки можно было бы использовать источник тока, в эмиттерной цепи дифференциальной пары также можно было бы использовать источник тока; это привело бы к уменьшению влияния эмиттерной цепи и т. п. Но если бы схема и была спроектирована хорошо, обратная связь все равно заметно улучшила бы ее характеристики.

Цепь ОС разомкнута Цепь ОС замкнута

вых

Zhx, кОм

Коэффициент усиления

-10 16

20 1360

О 16 20 2100

+ 10 16 20

2400

-10 92 0,3 30,60

О 92 0,3 30,84

+ 10 92 0,3 30,90

Двухкаскадный усилитель с ОС. На рис. 3.65 показан еще Один транзисторный усилитель с обратной связью. Если рассматривать

как усилитель, который усиливает падение напряжения между базой и эмиттером (вспомним модель транзистора Эбгрса - Мэлла), то видно, что обратная связь передает на вход часть выходного напряжения и вычитает его из входного сигнала. В схеме есть небольшая хитрость: дело в том, что коллекторный резистор транзистора входит еще и в схему обратной связи. Используя описанную выше технику расчета, вы можете показать, что /С(разомкн.? 200, коэффициент передачи

цепи обратной связи ж20, 2в„х(разо Г. 10 кОм, Zxcmmkh. 500 Ом и

(замкн. ? 9,5 . цепь ОС)

> Заметим, что обратная связь такого типа существенно повышает ны базы Ту.- Прим. ред.

, со сторо-

НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ

3.27. Лабораторный усилитель общего назначения

На рис. 3.66 показан декадный усилитель со связями по постоянному току с переключениями коэффициента усиления, полосы пропускания и с широким диапазоном смещения выхода по постоянному току. Интегральная схема ИС1 представляет собой неинвертирующий ОУ со входом на полевых транзисторах, усиление изменяется от единицы

47к0м

1Ч,х1<150В -

/?4 25kOm 0 Установка нуля

и 100 КОМ 17.

Z/+-+15 В ZL-15B

10,0кОм iYo

10.0 0И1%

Рис. 3.66. Лабораторный усилитель постояиного тока с регулируемыми усилением, полосой и сдвигом выходного напряжения,

(О дБ) ДО 100 (40 дБ), шаг изменения откалиброван и равен 10 дБ; для подстройки усиления предусмотрен верньер. HCj-это инвертирующий усилитель; он обеспечивает смещение выходного напряжения в диапазоне ±10 В; подстройка выполняется с помощью резистора Rt, при ЭТОМ формируется ток, поступающий на суммирующий вход ИСг. Конденсаторы Cj-C устанавливают сопрягающую частоту усиления на высоких частотах, так как часто нежелательно иметь чересчур широкую полосу пропускания сигнала (и шумов). ИС представляет собой усилитель мощности для низкоомных нагрузок и кабелей; схема обеспечивает выходной ток в диапазоне ±300 мА.

Некоторые интересные особенности: входной резистор сопротивлением 10 МОм нельзя считать большим, так как ток смещения для ОУ типа 356 составляет 30 пА (ошибка 0,3 мВ при разомкнутом входе). Резистор /?2 в сочетании с диодами Дт и Да ограничивает напряжение на входе ОУ значениями от U до t/++0,7 В. Диод Дз сдвигает напряжение фиксации к (7 +0,7 В, так как диапазон синфазного сигнала ограничен значением U (если сигнал выходит за этот предел, то фаза выходного сигнала меняется на противоположную). При использовании показанных на схеме компонентов защиты входной сигнал может изменяться в диапазоне ±150 В, не причиняя схеме вреда.

Упражнение 3.10. Проверьте, что коэффициент усиления схемы имеет указанное значение. Как работает схема переменного сдвига?

3.28. Генератор, управляемый напряжением

На рис. 3.67 показана схема, заимствованная из рекомендаций по применению ИС нескольких фирм-изготовителей. HCi представляет собой интегратор, который устроен таким образом, что ток заряда 1 (вх200 кОм) изменяет свой знак, а не амплитуду в зависимости от состояния транзистора Ti (находится в режиме проводимости или отсечки). Схема ИСг образует триггер Шмитта с пороговыми уровнями, равными /з(У+ и Vst/-. Транзистор Ti - это п-канальный полевой МОП-транзистор, который выполняет здесь роль переключателя; его использовать проще, чем схему на биполярных транзисторах, выполняющую такие же функции, но на всякий случай здесь же показана схема с использованием транзисторов п-р-п-типа. И в том, и в другом случае нижний конец резистора R заземлен при высоком уровне напряжения на выходе и разомкнут при низком уровне на выходе.

Особенность этой схемы состоит в том, что она запитана от единственного источника положительного напряжения. В ИС типа 3160 (отличается от 3130 наличием внутренней коррекции) в качестве выход. Ь1Х используются полевые транзисторы, благодаря которым напряжение на выходе изменяется в пределах между потенциалом земли и

+ ; при этом пороговые уровни в триггере Шмитта задаются точно и Ни погрешности смещения, как это происходит при использова-

ни в ОУ обычного выходного каскада, у которого пределы изменения 8

выходного сигнала не заданы точно. В приведенной схеме частота и амплитуда треугольного сигнала стабильны. Обратите внимание, что частота зависит от отношения U JU+; это значит, что если напряжение (7вх формируется из напряжения U+ с помощью резистивного

100 ком 1%

49,9к0м}%

У+ Com 5 до 12 В)

100 КОМ и+

49,3 КОМ 1%

/?5 100 кОм ЮО кОм

ААЛ/К

Треугольный выходной сигнал

Прямоугольный выходкой сигнал

f=15Gir4 ft

заменяет полевой транзистор Ц

2N4124

2N4I24

47к0м

Рис. 3.67. Генератор, управляемый напряжением. (Формулу для (/х следует читать так: 0< Увх<2 (t/+-1,5 В).-Ярид(. ред.)

делителя (образованного, например, некоторым резистивным преобразователем), то входная частота не будет изменяться с изменением U+, а только с изменением сопротивления.

Упражнение 3.11. Покажите, что выходная частота определяется выражением f (rv,)=l50UsJU+. Заодно проверьте, чему равны пороги в триггере Шмитта и токи в интеграторе.

3.29. Детектор нуля для ТТЛ-схем

Схема, изображенная на рис. 3.68, формирует прямоугольные колебания для логических схем семейства ТТЛ (имеющих входной диапазон от О до +5 В) из входного сигнала переменного тока любой ампли-

туды, не превышающей 100 В. Резистор RiB сочетании с диодами Ду и Дг ограничивает размах входного сигнала значениями-0,6 и+5,6 В. Резистивный делитель RR нужен для того, чтобы ограничить отрицательные значения напряжения на уровне -0,3 В, как то требуется для компаратора типа 393. Резисторы R и Rg определяют ширину пет-

Заш,ита Центрирование гистерезиса +5 В

1 ЗЭкОм

ilOOB макс, Д, - -

1N914 Защита L.

к логическим схемам и др.

Гистерезис + 25 мВ

Рис. 3.68. Детектор нулевого уровня с защитой входа.

ли гистерезиса, а резистор R необходим для установки порогов срабатывания триггера симметрично относительно земли. Входное сопротивление сохраняет почти постоянное значение, так как величина сопротивления Ri велика по сравнению с сопротивлениями других резисторов входного делителя. Интегральная схема типа 393 использована потому, что на ее входах напряжение может изменяться вплоть до потенциала земли, а это позволяет работать с одним источником питания.

Упражнение 3.12. Убедитесь в том, что срабатывание триггера Шмитта происходит на уровнях ±25 мВ.

3.30. Схема измерения тока в нагрузке

при этом возможно появление синфазных помех, обусловленных зистивны.ми эффектами в заземлении кабеля (обратите внимание, что источник питания на выходе заземлен). По этой причине ОУ включен как дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления, рав-

ным 100. Напряжение сдвига регулируется с помощью внешнего резистора Rg, так как в ОУ типа 358 нет внутренней схе.мы регулировки сдвига (в похожем ОУ типа 799 такая схе.ма есть). Для регулировки можно использовать стабилитрон, которы! обеспечивает стабильность эталонного напряжения порядка нескольких процентов, так как при настройке схемы нужна небольшая коррекция напряжения

От+12 до+ЗОВ

Снесшабипизир.)

.б,гв -

Источник питания

Резистор с А выводами

0,010м \% 10 Вт

Заземленный выходной Т^онтакт

Рис. 3.69. Усилитель для измерения тока в цепях большой мощности.

(по крайней мере, на это надо рассчитывать). Для работы с одним источником был выбран ОУ типа 358, так как на его входах н выходе напряжение может изменяться до потенциала зе.мли. Напряжение (У+ может быть нестабилизированным, величина коэффициента ослабления влияния напряжения источника питания (КОНП) более чем достаточна и составляет в данном случае 100 дБ (типичное значение).

ЧАСТОТНАЯ КОРРЕКЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Если попытаться графически изобразить зависимость коэффициента усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи от частоты для нескольких операционных усилителей, то получим кривые, подобные показанны.м на рис. 3.70. Даже поверхностный взгляд на представленные диаграммы Боде (кривые зависимости коэффициента усиления и фазы от частоты с использованием логарифмического масштаба) позволяет сделать заключение, что операционный усили-