Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».
Продолжение
Начало читайте здесь:
Часть 1 – Транзисторы и их модели
Часть 2 – Стабилизация режима
Часть 3 – Вопросы из практики
Часть 4 – Что влияет на стабильность
Часть 5 – Самостабилизирующиеся схемы
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
7.2. Стабилизация сигнальных параметров
Общая ООС по сигналам
Ценность сложных схем с общей ООС еще и в том, что они могут обеспечить стабилизацию рабочих параметров, – скажем, коэффициента передачи. Причем не только для переменных составляющих, а и для полных входных сигналов. Здесь мы будем впервые иметь дело с линейными схемами «постоянного тока», где до определенной степени не различаются постоянные и переменные составляющие входных напряжений (токов). Те и другие равно являются «входным сигналом».
Охват общей ООС является мощным методом получения схем с заданными свойствами, нечувствительных к параметрам отдельных элементов.
Усилитель постоянного тока
Разомкнем транзисторное кольцо самостабилизирующейся структуры в любом месте (но только не перед эмиттерным повторителем). Получится усилительная схема, имеющая вход (предназначенный для обратной связи, его принято называть инвертирующим) и выход.
Первый каскад такого усилителя должен быть непременно дифференциальным: ведь необходимо иметь и второй вход – для подачи внешнего сигнала! В простейшем случае роль сигнального входа играет второй из входных электродов первого транзистора (эмиттер или база), отсоединенный для этого от питающей шины.
Так на рис. 7.10 – знакомая нам по рис. 7.5 схема превращена в дифференциальный усилитель (ДУ); вторым (неинвертирующим) входом служит эмиттер VT1.
 |
|
| Рис. 7.10. | Дифференциальный усилитель постоянного тока имеет два входа и выход |
Рис. 7.11 изображает несколько других конфигураций усилителей постоянного тока. Можно проследить, что каждая из них пригодна для построения схемы с общей обратной связью.
 |
|
| Рис. 7.11. | Различные схемы дифференциальных усилительных структур работоспособны только при наличии обратной связи |
| Радиолюбитель: | Как об этом можно судить? |
Просто проверьте, что при соединении инвертирующего входа с выходом усилителя все активные приборы совмещаются друг с другом по уровням напряжений.
| Радиолюбитель: | Мне кажется почему-то, что схемы не будут работать. |
Разумеется, – без обратной связи: ведь в них отсутствуют элементы стабилизации режимов.
| Радиолюбитель: | Зачем же было их изображать? |
Дифференциальный усилитель постоянного тока служит лишь заготовкой для построения стабилизированных линейных схем. Этим мы и займемся.
Повторитель напряжения
В любой из конфигураций ДУ замкнем кольцо отрицательной обратной связи с выхода на инвертирующий вход. Свойства полученного линейного устройства оценить легко: пренебрегая до поры «напряжением ошибки» между входами, имеем: UВЫХ ≈ UВХ.
Перед нами повторитель напряжения (см., например, рис. 7.12).
 |
|
| Рис. 7.12. | Повторитель напряжения: входное и выходное напряжения отсчитываются от любой (но одной и той же) точки схемы |
Масштабный усилитель
Если обратная связь подана через делитель напряжения (на рис. 7.13 это R1, ), – получится схема масштабного усилителя. Действительно, считая, что UБЭ1 + UБЭ3 ≈ 0, имеем:
| UВЫХR1' / (R1 + R1' ) ≈ UВХ | ||
| UВЫХ = KUUВХ, KU = (R1 + R1' ) / R1' |
 |
|
| Рис. 7.13. | Масштабный усилитель: входное и выходное напряжения отсчитываются от «нижнего» конца делителя |
Кстати, применение здесь специального дифференциального входного каскада позволило снизить погрешность, вызванную протеканием входного тока по сопротивлениям делителя.
Преобразователь тока в напряжение
Соединим неинвертирующий вход усилителя с общей шиной. Если выходной сигнал подан через резистор обратной связи на вход усилителя, то эта же точка явится входом получившегося преобразователя тока в напряжение, например, так, как на рис. 7.14.
 |
|
| Рис. 7.14. | В преобразователе тока в напряжение – выходное напряжение отсчитывается от неинвертирующего входа |
Считая пренебрежимо малыми как UБЭ1, так и IБ1, получаем:
| IВХ ≈ IR, IR ≈ UВЫХ / R |
отсюда:
| UВЫХ ≈ IВХR |
Смещение нуля
Выводимые выше формулы для выходного напряжения можно принять разве что в начальном приближении. Мы сознательно игнорировали влияние постоянного напряжения между входами ДУ в рабочем режиме, а ведь оно далеко не нулевое! Составляющую этого напряжения, не зависящую от величины сигнала, называют напряжением смещения нуля. Точнее говоря, напряжение, которое потребуется подать на вход, чтобы добиться нуля на выходе, и будет смещением нуля.
В схемах, где применен несимметричный входной каскад, нуль ДУ грубо смещен: для рис. 7.10, 7.12 – на 0.7 В, а для рис. 7.13 – даже на 1.4 В. В самом деле, более точные соотношения для, например, масштабного усилителя рис. 7.13:
| UВЫХR1' / (R1 + R1' ) ≈ UВХ – (UБЭ1 + UБЭ3) | ||
| UВЫХ ≈ KUUВХ – KU(UБЭ1 + UБЭ3) |
Возможно, что нежелательный, нестабильный второй член и будет в основном определять выходное напряжение схемы.
| Радиолюбитель: | Это крайне неприятно, разумеется. |
Отметьте: чем выше усиление, тем больше нестабильность!
| Радиолюбитель: | Согласен. И как же бороться со смещением нуля? |
В зависимости от ситуации, пойдем по одному из трех путей.
Путь 1. Иногда можно примириться с наличием значительного смещения нуля. Например, в стабилизаторе напряжения это смещение можно учесть соответствующей корректировкой величины опорного напряжения.
Путь 2. Если требуется повышенная точность передачи постоянных уровней (усилитель постоянного тока), не обойтись без симметричного дифференциального входного каскада (рис. 7.11, в). Грубое смещение нуля ликвидировано, а тонкими эффектами мы займемся в «Шаге 8».
Путь 3. Если схема призвана работать только с переменными составляющими, можно просто разделить задачи: точной передачи колебаний и стабилизации режимов.
| Радиолюбитель: | Как это сделать? |
Сейчас будет показано.
Усилитель переменного напряжения
Выведенные формулы для выходных напряжений не теряют ведь своей силы, если относить их лишь к амплитудным значениям переменных составляющих, когда интересуют именно они? Более того, в последнем случае работа схем гораздо лучше соответствует ожиданиям: выполнение условий типа UБЭ1 << UВЫХ и UБЭ1 << UВХ для амплитуд напряжений гарантируется высоким усилением в петле.
Когда не требуется усиления постоянных составляющих входного сигнала, приходят к вариантам, подобным рис. 7.15.
 |
|
| Рис. 7.15. | Для постоянной составляющей напряжения на входе усилитель является повторителем |
Здесь KU = (R3 + R4) / R4 действителен только на тех частотах, где емкостное сопротивление 1/2πfC мало по сравнению с R4. Высокое усиление для переменных сигналов не сопровождается нежелательным увеличением дрейфа напряжения на выходе. Ведь с точки зрения режима (для постоянной составляющей) схема является просто повторителем напряжения.
Операционные усилители
| Радиолюбитель: | Чем дальше, тем больше мне ясно, что вы, по сути дела, разбираете операционные усилители (ОУ) и линейные схемы на их основе. |
Это отчасти верно. Если мы применим упрощенные схемные обозначения, как на рис. 7.16, то поймем существо структуры линейных устройств с общей обратной связью, независимо от того, как реализован усилитель.
 |
|
| Рис. 7.16. | Повторитель (а), масштабный усилитель (б), преобразователь тока в напряжение (в), усилитель переменного напряжения (г) – структуры на основе дифференциальных усилителей |
Однако схемы, которые мы разбирали, не являются классическими ОУ.
| Радиолюбитель: | Тогда что есть операционный усилитель? |
Понятие операционного усилителя пришло из техники аналогового моделирования. С появлением дешевых интегральных ОУ они сделались типовыми элементами различных линейных и нелинейных устройств.
| Радиолюбитель: | Но почему же то, что мы рассматривали, это не ОУ? |
Собственно, универсальный операционный усилитель – это и есть дифференциальный усилитель постоянного тока. Только к нему предъявляются некоторые особые требования.
Требование 1. Шкала уровней выходных напряжений ОУ должна быть достаточно широкой, и примерно симметричной относительно «средней точки» источников питания.
Требование 2. Диапазон допустимых синфазных входных напряжений должен соответствовать шкале выходных напряжений.
Требование 3. Принимаются меры для улучшения всех параметров, влияющих на точность измерительных схем с ОУ (это касается коэффициента усиления, смещения и дрейфа нуля, величин входных токов, уровня подавления синфазного сигнала).
Требование 4. Специально решаются вопросы устойчивости.
Мы не будем здесь разбирать ни схемотехнику универсальных операционных усилителей, ни их применение: этим темам посвящена своя литература. Хотя принципиальные стороны этих вопросов в «Шаге 7» и «Шаге 8» так или иначе затрагиваются.
Отдельно мы рассмотрим лишь общие подходы к синтезу специальных схем, от которых требуется точная передача постоянных напряжений и токов.
Из книги С. А. Гаврилов. «Искусство схемотехники. Просто о сложном»
Продолжение читайте здесь
