Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ
Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ
Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы – диоды и стабилитроны. Однако такие схемы часто рассматривают как линейные, считая диоды и стабилитроны идеальными и заменяя открытые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны – разрывами, а стабилитроны, работающие в режиме пробоя, - источниками напряжения.
При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, чтобы определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент.
Для примера выполним анализ схемы на рис. 10.8, предполагая, что диоды – идеальные. Пусть вначале uвх = 1 В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 – закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.9.
Рис. 10.8. Схема усилителя на ОУ с диодами
Рис. 10.9. Эквивалентная схема усилителя на ОУ
Из схемы на рис. 10.9 следует, что
.
Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток iD1 диода D1 и напряжение uD2 диода D2. Используя допущение о том, что uдиф = 0, получаем uD2 = –2 В и iD1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D2 отрицательное, а ток через диод D1 положителен, можно утверждать, что предположение было правильным.
Пусть теперь uвх = –1 В. Предположим, что диод D1 закрыт, а диод D2 открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.10, из которой получаем
.
Рис. 10.10. Эквивалентная схема усилителя с обратной связью
Для проверки правильности сделанного предположения определим iD2:
.
Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.
Усилители постоянного тока
Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.
Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов).
Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры.
Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.
Рис. 11.2. Структура усилителя Рис. 11.3. Временные диаграммы
с МДМ напряжений в усилителе
Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой fоп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение uм с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор – фазочувствительный выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.
Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3.
Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах.
Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике.
УСЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
(мощные выходные усилители)
Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.
Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классов В или АВ.
Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).
В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Pн при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения
.
Тогда максимально возможная нагрузки Рн.макс определится выражением
,
откуда
.
Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 11.4). Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых – соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.
Рис. 11.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки
При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 11.5. В ней через R'н обозначено приведенное сопротивление нагрузки
,
где n – коэффициент трансформации ( 
).
Рис. 11.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой
Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых=R'н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:
.
Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ
Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы – диоды и стабилитроны. Однако такие схемы часто рассматривают как линейные, считая диоды и стабилитроны идеальными и заменяя открытые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны – разрывами, а стабилитроны, работающие в режиме пробоя, - источниками напряжения.
При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, чтобы определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент.
Для примера выполним анализ схемы на рис. 10.8, предполагая, что диоды – идеальные. Пусть вначале uвх = 1 В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 – закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.9.
Рис. 10.8. Схема усилителя на ОУ с диодами
Рис. 10.9. Эквивалентная схема усилителя на ОУ
Из схемы на рис. 10.9 следует, что
.
Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток iD1 диода D1 и напряжение uD2 диода D2. Используя допущение о том, что uдиф = 0, получаем uD2 = –2 В и iD1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D2 отрицательное, а ток через диод D1 положителен, можно утверждать, что предположение было правильным.
Пусть теперь uвх = –1 В. Предположим, что диод D1 закрыт, а диод D2 открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.10, из которой получаем
.
Рис. 10.10. Эквивалентная схема усилителя с обратной связью
Для проверки правильности сделанного предположения определим iD2:
.
Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.
Усилители постоянного тока
Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.
Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов).
Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры.
Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.