При увеличении входного напряжения сопротивление p -канального транзистора увеличивается, а n -канального транзистора уменьшается. В результате параллельное соединение этих транзисторов имеет почти неизменное сопротивление r0 в открытом состоянии, как показано на рис.7.9,б. Поскольку транзисторы ключа управляются сигналами противоположной полярности, то импульсы помех взаимно компенсируются, что позволяет снизить уровень входных сигналов.
Ключи на комплементарных транзисторах широко используются в интегральных микросхемах. Они входят в состав микросхем серии К590, К591, К176, К561 и 1564. Их сопротивление в открытом состоянии лежит в пределах 20... 100Ом, они имеют время включения от 10 до 100нс, обеспечивают выходной ток до 10мА и потребляют по цепи питания мощность менее 1 мкВт.
Статические характеристики аналоговых коммутаторов.
Сопротивление ключа в открытом (включенном) состоянии должно минимизироваться. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, +15 В), будут иметь малые значения r0 во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа r0 будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания.
На (рис.7.10) приведены зависимости r0 ключа микросхемы коммутатора MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении Uпит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки Uвх=Uпит /2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений r0 требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5...10 В. Как видно из рис.7.10, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близко к 10 Ом, а при Uпит =2,7В достигает 700 Ом.
Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых коммутаторов применяют, чтобы сохранить значение ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n -подложки "следило" за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить коммутаторы с весьма малым ro при низком питающем напряжении. Так, например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление ro не более 2,5 Ом. На рис.7.10 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений.
Применение КМОП-логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект - в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии.
Многоканальные коммутаторы или мультиплексоры представляют собой интегральные микросхемы, имеющие много входов для аналоговых сигналов и один выход, на который можно подать последовательно во времени любой из входных сигналов. Мультиплексоры состоят из набора ключей, устройства управления этими ключами и выходного согласующего каскада. Упрощенная схема мультиплексора приведена на рис.7.11. Такие мультиплексоры выпускаются в виде самостоятельных микросхем или входят в состав более крупных микросхем, называемых системами сбора данных. Кроме мультиплексоров в состав систем сбора данных входят устройства, обеспечивающие обработку поступающей информации. Практически все современные системы сбора данных ориентированы на совместную работу с микропроцессорами и содержат элементы интерфейса (т. е. сопряжения): устройства выборки и хранения сигна-
Рис.7.11. Упрощённая схема
мультиплексора
лов, дешифратор адреса, регистры и др. Если имеются группы различных датчиков сигналов, то в состав таких микросхем могут входить несколько мультиплексоров, объединенных в группы. Такие микросхемы предназначены для работы с источниками потенциальных сигналов, например, температурными датчиками, датчиками промышленных установок различных аналитических приборов.
Контрольные вопросы.
1. Устройство аналоговых ключей и коммутаторов сигналов.
2. Диодные ключи – схемное построение, работа, их особенности.
3. Ключи на биполярных транзисторах – схемное построение, работа.
4. Ключи на полевых транзисторах – схемное построение, работа, особенности и недостатки.
5. Многоканальные коммутаторы – назначение, функциональное построение, области применения.
РАЗДЕЛ 3. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Лекция 8. Электронные усилители
Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а, следовательно, и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку [1,2,5,6,8,11]. Обобщенная схема включения усилителя приведена на рис.8.1.
Источниками сигналов могут быть различные преобразователи неэлектрических величин в электрические: микрофоны, пьезоэлементы, считывающие магнитные головки, термоэлектрические датчики и др. Частота и форма напряжения или тока этих источников может быть любой, например, импульсной, гармонической и др.
Рис.8.1. Обобщённая схема
включения усилителя
Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, громкоговорители, индикаторные устройства, осветительные и нагревательные приборы и др. Характер нагрузки может существенным образом влиять на работу усилителя.
Классификация усилителей. Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов они могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая связь), через разделительный конденсатор (емкостная связь) и через трансформатор (трансформаторная связь).
Основные характеристики усилителей. Все характеристики можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.
Основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности
, (8.1)
где U1, I1 и P1 - значения напряжения, тока и мощности на входе усилителя; U2, I2 и Р2 — значения напряжения, тока и мощности на выходе усилителя.
Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т. е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды выходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т. е. изменением его фазы. Частотные характеристики усилителя описывают его динамические свойства в частотной области. Для описания динамических свойств усилителям во временной области пользуются его переходной характеристикой. Переходная характеристика усилителя является его реакцией на скачкообразное изменение входного сигнала.
Для количественной оценки динамических свойств усилителя в частотной области используются такие параметры, как полоса пропускаемых частот Δf, граничные значения частот — верхней fв и нижней fн. Аналогично во временной области используют параметры переходной характеристики: время ее нарастания τнар и спада τсп. Если переходная характеристика имеет выбросы, то их значение также нормируется.
При прохождении сигнала через усилитель его форма подвергает-
ся изменению. Эти изменения формы обычно называют искажением сигнала. Искажения сигнала называют линейными, если при передаче его через усилитель спектральный состав не изменяется. Это означает, что если гармонический сигнал подать на вход усилителя, то на выходе усилителя сигнал также будет гармоническим и с той же частотой. Основной причиной линейных искажений является зависимость комплексного коэффициента усиления от частоты входного сигнала.
Нелинейные искажения связаны с изменением спектрального состава сигнала при его передаче через усилитель. Появление нелинейных искажений обусловлено нелинейностью передаточных характеристик усилительных элементов. Для оценки нелинейных искажений обычно пользуются коэффициентом гармоник Кг, равным отношению действующего значения высших гармоник выходного напряжения (или тока) к действующему значению первой гармоники при подаче на вход усилителя гармонического сигнала
, (8.2)
где U1 — действующее значение напряжения первой гармоники; U2…Un — действующие значения второй и других высших гармоник.
Обобщенная схема усилителя приведена на рис. 8.2, а. Она содержит входную цепь, которая обеспечивает режим работы усилительного элемента и ввод входного сигнала; управляемый источник напряжения или тока на одном из видов усилительных элементов; вы-ходную цепь, которая обеспечивает передачу сигнала к нагрузке, и цепь обратной связи, которая определяет усилительные свойства усилителя. В реальных схемах некоторые из этих узлов могут отсутствовать.
Рис.8.2. Обобщенная структурная схема усилителя (а) и пример деления усилителя на функциональные узлы (б)
В качестве примера на рис.8.2,б приведен усилитель на биполярном транзисторе в роли управляемого источника тока.
Однокаскадные усилители. Из однокаскадных усилителей наибольшее распространение получили повторители напряжения, повторители тока и усилители напряжения. Поскольку в различных источниках эти усилители называют по-разному, в дальнейшем будут приведены их дублирующие названия.
Повторителем напряжения называют усилитель с коэффициентом усиления по напряжению К= 1. Очевидно, что такие усилители не обеспечивают усиления по напряжению, однако они имеют достаточно высокий коэффициент усиления по току и, следовательно, по мощности. Повторители напряжения могут быть выполнены на транзисторах различных типов, электронных лампах и на операционных усилителях. Простейший повторитель напряжения, приведенный на рис.8.3,а, называется эмиттерным повторителем. Выходной сигнал в этой схеме снимается с эмиттера транзистора VT, что и определило приведенное название. Схема замещения эмиттерного повторителя для малого сигнала изображена на рис.8.3, б. На этой схеме транзистор VT заменен идеальной моделью источника тока, управляемого током базы iб. Из схемы замещения видно, что Uвх=Uвых, т.е. Ku =1.
Рис.8.3. Схема эмит-терного повторителя (а), схема замещения для малого сигнала (б), схема замещения с уче-том внутреннего сопро-тивления эмиттера (в)
Коэффициент передачи эмиттерного повторителя по току можно найти, если учесть, что коллекторный ток iк = Biб; тогда для схемы, приведенной на рис.8.3, б, получим
, (8.3)
откуда следует, что
, (8.4)
где В — коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером.
Входное сопротивление эмиттерного повторителя можно найти с помощью схемы замещения рис. 8.3,б, полагая, что rвх=Uвх/iб.
Учитывая, что iб=iэ /(B+1), найдем
. (8.5)
Реальная схема эмиттерного повторителя имеет коэффициент передачи по напряжению меньше единицы, так как часть входного напряжения падает на собственном сопротивлений эмиттера rэ. Упрощенная схема замещения эмиттерного повторителя с учетом внутреннего сопротивления эмиттера приведена на рис.8.3, в. Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис.8.3,в, можно записать как Uвых=Uвх Rэ/(Rэ+rэ), откуда следует, что
. (8.6)
Внутреннее сопротивление эмиттера в соответствии с уравнением Эберса—Молла можно определить по формуле
(8.7)
где - φт — тепловой потенциал, который при температуре 25°С равен 25 мВ; iэ — ток эмиттера.
Так, например, при токе эмиттера iэ = 1 мА собственное внутреннее сопротивление эмиттера имеет значение 25Ом. Если при этом сопротивление нагрузки Rэ =225Ом, то коэффициент передачи повторителя будет равен 0,9.
Для расчета выходного сопротивления эмиттерного повторителя нужно в схеме, приведенной на рис.8.3, б, поменять вход и выход местами. Для этого нужно исключить источник входного напряжения, оставив его внутреннее сопротивление Rи, а в эмиттерную цепь включить источник тока iвх, как показано на рис.8.4,а. Расчет схемы замещения, приведенной на рис.8.4, б, приводит к уравнению iвх=iк+iб=(B+1)iб, где iк=Biб, откуда находим
. (8.8)
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя найдем по формуле Rвых=Uвых/iвх, где:
,
откуда находим (8.9)
Рис.8.4. Схема эмиттерного повторителя для расчета выходного сопротивления (а) и схема замещения (б)
или, с учетом сопротивления Rэ нагрузки эмиттерного повторителя,
. (8.10)
Из приведенного рассмотрения следует, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя значительно ниже его входного сопротивления. В связи с этим эмиттерный повторитель можно использовать для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. Иными словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по мощности, что особенно важно при использовании маломощных источников сигнала с большим внутренним сопротивлением.
Рис.8.5. Схемы истокового повто-
рителя (а) и его замещения (б)
Повторитель напряжения, выполненный на полевом тран-зисторе с управляющим p-n -переходом, и схема его замещения приведены на рис.8.5. Схема замещения для малого сигнала содержит идеальный источник тока, управляемый напряжением Uзи, и нагрузочное сопротивление Rн. Поскольку ток во входной цепи ничтожно мал, источник входного напряжения изображен ненагруженным.
Для схемы замещения, приведенной на рис.8.5,б, можно записать уравнения
, , ,
откуда находим
. (8.11)
Если выполняется условие SRн>> 1, то К ≈ 1 и схема работает как повторитель напряжения. В реальных условиях коэффициент передачи схемы несколько ниже единицы. Коэффициент передачи будет тем ближе к единице, чем больше крутизна усилительного элемента.
Наиболее качественный повторитель напряжения можно построить на операционном усилителе, используя схему, изображенную на рис.8.6, а. Схема замещения такого повторителя напряжения приведена на рис.8.6,б. Для этой схемы замещения можно записать уравнения Uвых=K Δ Uвх, где Δ Uвх= Uвх-Uвых, K — коэффициент усиления ОУ. Из этих уравнений находим коэффициент передачи для схемы повторителя
Рис.8.6. Схема повторителя напряже-ния на операционном усилителе (а) и
схема его замещения (б)
. (8.12)
Учитывая, что коэффициент усиления ОУ много больше единицы, получим значение коэффициента передачи повторителя Ки=1.
Сравнение рассмотренных схем повторителей напряжения позволяет сделать следующие выводы:
- повторители напряжения на биполярных и полевых транзисторах можно использовать как при малых, так и при больших значениях тока в нагрузке, в том числе в качестве выходных каскадов усилителей мощности;
- коэффициент передачи повторителей напряжения на транзисторах всегда меньше единицы;
- частотный диапазон повторителей на транзисторах достаточно широк при использовании высокочастотных транзисторов;
- повторители напряжения на ОУ имеют коэффициент передачи, мало отличающийся от единицы;
- частотный диапазон повторителей напряжения на ОУ определяется его граничной частотой и для широкополосных ОУ не превышает 10МГц;
- ток нагрузки типовых ОУ не превышает 10...50мА.
Повторители тока. Повторителем тока называют усилитель с ко-эффициентом передачи по току К=1. Такие повторителя, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Повторители тока могут быть выполнены на транзисторах или операционных усилителях. Простейшая схема повторителя тока на биполярном транзисторе приведена на рис.8.7,а. Эта схема известна также как усилитель с общей базой, или коллекторный повторитель.
Рис.8.7. Схема повторителя тока (а) и
схема его замещения (б)
Для схемы замещения, при-веденной на рис.8.7, б, можно записать следующие уравнения:
, (8.13)
откуда находим, что коэффициент передачи по току
(8.14)
не превышает единицы и тем ближе к ней, чем больше коэффициент передачи транзистора по току.
Коэффициент усиления этой схемы по напряжению можно найти, пользуясь выражением (8.13)
, (8.15)
откуда находим, что
. (8.16)
Таким образом, из выражения (8.16) следует, что большой коэффициент усиления по напряжению в схеме с общей базой можно получить только при малом сопротивлении источника сигнала Rи.
Как видно из схемы, каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное rэ.
Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:
- уменьшаются частотные искажения, связанные с входной емкостью каскада;
- более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;
- глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;
- нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость Скб;
- входной сигнал передается на выход без переворота по фазе.
Схема повторителя тока на полевом транзисторе приведена на рис.8.8,а. Эта схема известна как схема с общим затвором. Схема замещения повторителя тока на полевом транзисторе изображена на рис.8.8, б. Для этой схемы замещения можно написать уравнение
, так как ,
откуда следует, что коэффициент передачи по току равен
. (8.17)
Коэффициент усиления по напряжению можно определить по схеме замещения, изображенной на рис.8.8,б. Определив напряжение
,
найдем напряжение между затвором и истоком
. (8.18)
Подставив значение тока стока, определим напряжение на нагрузке
, (8.19)
и коэффициент усиления по напряжению
. (8.20)
Рис.8.8. Схема повторителя тока на полевом
транзисторе (а) и схема его замещения (б)
Если выполняется условие SRи >>1, то для коэффициента усиления по напряжению получим упрощенное выражение K≈Rн/Rи. Сравнивая это выражение с формулой (8.16), можно сделать вывод, что усиление по напряжению каскада на полевом транзисторе такое же, как и на биполярном.
Однокаскадные усилители напряжения могут быть выполнены как на транзисторах, так и на электронных лампах или операционных усилителях. Схема простого усилителя на биполярном транзисторе с коллекторной нагрузкой приведена на рис.8.9,а. Она включает входную цепь, состоящую из сопротивлений R1, R2, задающих режим работы транзистора по постоянному току, и емкости C1, обеспечивающей гальваническую развязку источника входного сигнала Uвх.
Управляемый источник тока выполнен на биполярном транзисторе VT с коллекторной нагрузкой Rк, а цепь обратной связи включена в эмиттер транзистора и состоит из параллельного включения элементов Rэ и Сэ. Схема замещения для режима малого сигнала без
Рис.8.9. Однокаскадный усили-тель напряжения на биполярном транзисторе (а) и его схема за-мещения для малого сигнала (б)
учета влияния входной цепи приведена на рис.8.9,б. Для определения коэффициента усиления каскада воспользуемся вначале схемой замещения без учета емкости Сэ и запишем основные уравнения для этой схемы iэ=iб+iк, где iэ=Uвх/Rэ; iк=-Uвых/Rк. Полагая, что iэ=iк, получим
,
откуда найдем коэффициент усиления каскада
. (8.21)
Следует отметить, что знак минус в формуле (8.21) соответствует изменению фазы выходного сигнала на 180°. Если учесть внутреннее сопротивление эмиттера rэ, то коэффициент усиления каскада будет определяться формулой
. (8.22)
Из формулы (8.22) следует, что при Rэ=0 коэффициент усиления каскада не будет равен бесконечности, а примет конечное значение, равное К'umax=-Rк/rэ. Так, например, для случая, когда rэ=25 Ом (что соответствует току эмиттера в 1 мА) и сопротивлении нагрузки Rк = 10 кОм получим, что максимальное усиление каскада будет равно К'umax = -104/25= -400.
Если в схеме замещения учесть емкость Сэ, то полное сопротивление эмиттерной цепи будет иметь комплексное значение
, (8.23)
поэтому в соответствии с уравнением (8.21) коэффициент усиления также станет комплексным:
, (8.24)
где φ (ω)=arctg ω CэRэ — фазовый сдвиг выходного напряжения.
При этом на низкой частоте при ω ®0 сохранится прежнее значение Ки, определяемое формулой (8.21). С повышением частоты коэффициент усиления растет и на высокой частоте определяется формулой Ku.вч=-j ω CэRэ, при этом фазовый сдвиг будет близок к 90°.
Существенное изменение в коэффициент усиления вносит входная цепь, упрощенная схема которой приведена на рис.8.10,а. Частотная зависимость коэффициента передачи входной цепи определяется формулой (при R1<R2<Rвх)
Рис.8.10. Упрощенная схема входной цепи усилителя (а), ее частотная характеристика (б) и результирующая частотная характеристика усилии-
теля (в)
. (8.25)
При этом в области низких частот коэффициент передачи входной цепи определяется выражением
,
а в области высоких Kвц.вч≈1. График частотной зависимости коэффициента передачи входной цепи приведен на рис.8.10, б. Результирующая частотная характеристика усилителя приведена на рис.8.10,в.
Двухкаскадные усилители. Двухкаскадными усилителями обычно называют усилители, состоящие из двух усилительных элементов, связанных между собой внешними соединительными цепями. Поскольку каждый усилительный элемент можно включить по меньшее мере тремя способами, то число соединений двух усилительных элементов может быть достаточно большим. На рис.8.11 приведены упрощенные схемы соединений двухтранзисторных усилителей. На этих схемах введены сокращенные условные обозначения соединений: ОЭ — схема с общим эмиттером, ОБ — схема с общей базой, ОК — схема с общим коллектором; ДК — дифференциальный каскад.
Из приведенных на рис.8.11 схем наибольшее распространение получили две схемы: ОЭ — ОБ, называемая каскодным усилителем, и дифференциальный каскад, изображенный на рис.8.11, и.
Каскодный усилитель. Каскодным усилителем называют двухкаскадный усилитель, состоящий из усилителя с общим эмиттером (истоком) и повторителя тока. По переменному току эти два каскада
Рис.8.11. Схемы соединений двухтранзисторных усилителей