А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств
Помощь проекту
Схемотехника аналоговых электронных устройств читать книгу онлайн
На рисунке 7.31а приведена схема высококачественного стабилизатора на ОУ.
Рисунок 7.31. Стабилизаторы напряжения на ОУ
Здесь ОУ используется в качестве буферного усилителя. Высокое значение входного сопротивления ОУ обеспечивает идеальные условия для работы стабилитрона. Нагрузка может быть достаточно низкоомной, т.к. выход ОУ низкоомный за счет действия 100% ПООСН.
Недостатком рассмотренного стабилизатора является малый рабочий ток, обусловленный низкой нагрузочной способностью ОУ. Избежать этого недостатка можно усилением выходного тока ОУ с помощью внешних транзисторов, используемых в режиме повторителей напряжения (рисунок 7.31б). Здесь к выходу ОУ подключен составной транзистор (VT1, VT2, VT3) по схеме с ОК. Максимальный ток нагрузки такого стабилизатора ориентировочно равен
Iн max = IОУ max·H21Э1·H21Э2·H21Э3.
Необходимое напряжение стабилизации определяется выбором типа стабилитрона VD и, помимо этого, соответствующим выбором резисторов R1 и R2. Устройство не нуждается в емкости фильтра на выходе, т.к. здесь используется эффект умножения по отношению к нагрузке емкости конденсатора C, подключенного к базе VT3.
Другие устройства вторичных источников питания описаны в [12, 14].
8. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА АЭУ
8.1. Оценка нелинейных искажений усилительных каскадов
Аналитический расчет НИ представляет собой довольно сложную задача и в полной мере может проводиться с помощью ЭВМ.
Для каскадов на БТ возможна аналитическая оценка НИ для случая малых нелинейностей (Uвх одного порядка с φT=25.6 мВ) [15].
Обычно уровень НИ характеризуется коэффициентом гармоник Kг. Суммарный коэффициент гармоник равен
где Kг2 и Kг3 соответственно коэффициенты гармоник по второй и третьей гармоническим составляющим (составляющими более высокого порядка можно пренебречь ввиду их относительной малости).
Коэффициенты гармоник Kг2 и Kг3, независимо от способа включения БТ, определяются из следующих соотношений:
где B — фактор связи (петлевое усиление).
Данные выражения учитывают только нелинейность эмиттерного перехода и получены на основе разложения в ряд Тейлора функции тока эмиттера Iэ=Iэ0exp(Uвх/φT).
Фактор связи зависит от способа включения транзистора и вида обратной связи. Для каскада с ОЭ и ПООСТ имеем:
где Rг — сопротивление источника сигнала (или Rвых предыдущего каскада); Rос — сопротивление ПООСТ (см. подраздел 3.2, в случае отсутствия ПООСТ Rос=0).
Для каскада с ОЭ и ∥ООСН
где Rэкв=Rк∥Rн, Rос — сопротивление ∥ООСН (см. подраздел 3.4).
Для каскада с ОК
где Rэкв=Rэ∥Rн (см. подраздел 2.8).
Для каскада с ОБ
Коэффициенты гармоник Kг2 и Kг3, независимо от способа включения ПТ, определяются из следующих соотношений:
где A — коэффициент, равный второму члену разложения выражения для нелинейной крутизны в ряд Тейлора, равный [15]
A=Iси/U²отс,
где Iси и Uотс см. рисунок 2.33.
Фактор связи B зависит от способа включения транзистора и вида ООС. Для каскада с ОИ и ПООСТ имеем:
B = S0(Rос + rи),
где Rос — сопротивление ПООСТ (см. подраздел 3.2, в случае отсутствия ПООСТ Rос=0).
Для каскада с ОИ и ∥ООСН имеем:
B = S0RгRэкв/Rос,
где Rэкв=Rс∥Rн, Rос — сопротивление ∥ООСН (см. подраздел 3.4).
Для каскада с ОС
B = S0(Rэкв + rи),
где Rэкв=Rс∥Rн (см. подраздел 2.11).
Для каскада с ОЗ
B = S0((Rг∥Rи) + rи).
В приведенных выше выражениях rи — сопротивление тела полупроводника в цепи истока, rи≈1/Sси, где Sси — см. подраздел 2.10, для маломощных ПТ rи=(10…200) Ом; Rи — см. рисунок 2.38.
Приведенные соотношения для оценки Kг дают хороший результат в случае малых нелинейностей, в режиме больших нелинейностей следует воспользоваться известными машинными методами [4], или обратиться к графическим методам оценки НИ [6].
8.2. Расчет устойчивости УУ
Оценку устойчивости УУ, представленного эквивалентным четырехполюсником, описываемым Y-параметрами, удобно проводить с помощью определения инвариантного коэффициента устойчивости [2]:
При k>1 усилитель безусловно устойчив, при k<1 — потенциально неустойчив, т.е. существуют такие сочетания полных проводимостей нагрузки и источника сигнала, при которых возможно возникновение генерации.
Устойчивость усилителя с учетом проводимости нагрузки и источника сигнала определяется следующим соотношением:
При k>1 усилитель безусловно устойчив, при k<1 — неустойчив, k=1 соответствует границе устойчивости.
Эквивалентные Y-параметры усилителя определяются, согласно методике подраздела 2.3, в заданных точках диапазона рабочих частот. Использование инвариантного коэффициента устойчивости особенно удобно при машинном анализе УУ. Другие методы оценки устойчивости описаны в [6].
8.3. Расчет шумовых характеристик УУ
Шумы в УУ в основном определяются шумами активных сопротивлений и усилительных элементов, расположенных во входных каскадах. Наибольший вклад в мощность шума, создаваемого усилительным каскадом, вносит усилительный элемент. Наличие собственных источников шумов ограничивает возможность усиления слабых сигналов.
В зависимости от природы возникновения, собственные шумы транзистора подразделяются на тепловые, дробовые, шумы токораспределения, избыточные и т.д.
Тепловые шумы обусловлены беспорядочными перемещениями свободных носителей заряда в проводниках и полупроводниках, дробовые — дискретностью заряда носителей (электронов и "дырок") и случайным характером инжекции и экстракции их через p-n-переходы. Шум токораспределения вызывается флуктуациями распределения тока эмиттера на токи коллектора и базы. Все вышеперечисленные виды шумов имеют равномерный спектр.
Природа избыточных шумов до конца еще не выяснена. Обычно их связывают с флуктуациями состояния поверхности полупроводников. Спектральная плотность этих шумов обратно пропорциональна частоте, что послужило поводом для названия их шумами типа 1/f. Еще их называют фликкер-шумами, шумами мерцания и контактными шумами. Шумы типа 1/f сильно возрастают при дефектах в кристаллической решетке полупроводника.
Наиболее весомый вклад в мощность шумов усилительных элементов вносят тепловые шумы.
Шумы активных элементов можно представить в виде источника напряжения (рисунок 8.1а) или источника тока (рисунок 8.1б).
Рисунок 8.1. Эквивалентные схемы активного шумового сопротивления
Соответствующие значения ЭДС и тока этих источников следующие (см. подраздел 2.2):
где Δf — полоса рабочих частот; k=1,38·10-23 — постоянная Больцмана; T — температура в градусах Кельвина; Rш — шумовое сопротивление, Gш — шумовая проводимость, Gш=Rш-1.
Для стандартной температуры Т=290°K эти формулы можно упростить:
Спектральные плотности шумов по напряжению и току составляют [17]:
где , — дифференциалы от среднеквадратичных напряжений и токов шумов как случайных функций времени t, действующих в полосе пропускания df.