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 (,,) по схеме с ОК. Максимальный ток нагрузки такого стабилизатора ориентировочно равен
.
Необходимое напряжение стабилизации определяется выбором типа стабилитрона и, помимо этого, соответствующим выбором резисторов и . Устройство не нуждается в емкости фильтра на выходе, т.к. здесь используется эффект умножения по отношению к нагрузке емкости конденсатора С, подключенного к базе .
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 ( одного порядка с ) [15].
Обычно уровень НИ характеризуется коэффициентом гармоник . Суммарный коэффициент гармоник равен
,
где и соответственно коэффициенты гармоник по второй и третьей гармоническим составляющим (составляющими более высокого порядка можно пренебречь ввиду их относительной малости).
Коэффициенты гармоник и , независимо от способа включения БТ, определяются из следующих соотношений:
,
,
где В - фактор связи (петлевое усиление).
Данные выражения учитывают только нелинейность эмиттерного перехода и получены на основе разложения в ряд Тейлора функции тока эмиттера
.
Фактор связи зависит от способа включения транзистора и вида обратной связи. Для каскада с ОЭ и ПООСТ имеем:
,
где - сопротивление источника сигнала (или предыдущего каскада); - сопротивление ПООСТ (см. подраздел 3.2, в случае отсутствия ПООСТ ).
Для каскада с ОЭ и ||ООСН
,
где , - сопротивление ||ООСН (см. подраздел 3.4).
Для каскада с ОК
,
где (см. подраздел 2.8).
Для каскада с ОБ
.
Коэффициенты гармоник и , независимо от способа включения ПТ, определяются из следующих соотношений:
,
,
где А - коэффициент, равный второму члену разложения выражения для нелинейной крутизны в ряд Тейлора, равный [15]
,
где и см. рисунок 2.33.
Фактор связи В зависит от способа включения транзистора и вида ООС. Для каскада с ОИ и ПООСТ имеем:
,
где - сопротивление ПООСТ (см. подраздел 3.2, в случае отсутствия ПООСТ ).
Для каскада с ОИ и ||ООСН имеем:
,
где , - сопротивление ||ООСН (см. подраздел 3.4).
Для каскада с ОС
,
где (см. подраздел 2.11).
Для каскада с ОЗ
.
В приведенных выше выражениях - сопротивление тела полупроводника в цепи истока, , где - см. подраздел 2.10, для маломощных ПТ =(10…200)Ом; - см. рисунок 2.38.
Приведенные соотношения для оценки 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).
Соответствующие значения ЭДС и тока этих источников следующие (см. подраздел 2.2):
,
,
где - полоса рабочих частот; - постоянная Больцмана; Т - температура в градусах Кельвина; - шумовое сопротивление, - шумовая проводимость, .
Для стандартной температуры Т=290°К 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.
Любой активный элемент можно представить шумящим четырехполюсником (рисунок 8.2) и по данным формулам рассчитать его шумовые характеристики.
В [16] приведены выражения для шумовых параметров БТ и ПТ нормированных спектральных плотностей шумов по напряжению , по току и взаимной спектральной плотности , представляющих собой соответственно шумовое сопротивление, шумовую проводимость и взаимную спектральную плотность шумов.
Для БТ, включенного по схеме с ОЭ:
,
,
,
где и в миллиамперах, g и в миллисименсах. При учете фликкер-шумов для частот f³10Гц в данных выражениях следует принять:
,
.
Для ПТ, включенного с ОИ:
,
,
.
Данные формулы применимы и для других схем включения транзисторов.
Полагая равномерным спектральные плотности шумов, согласно [16] можно получить выражение для коэффициента шума каскада:
.
Исследуя это выражение на экстремум, определяем оптимальное сопротивление источника сигнала , при котором коэффициент шума каскада F минимален:
.
При этом в большинстве случаев оказывается, что не совпадает с , оптимальным с точки зрения получения необходимой каскада (>). Выходом из данной ситуации является включение между первым и вторым каскадами цепи противошумовой коррекции (рисунок 8.3).
Введением противошумовой коррекции добиваются повышения коэффициента передачи каскадов в области ВЧ (путем внесения корректирующей цепью затухания на НЧ и СЧ), компенсируя тем самым спад усиления на ВЧ за счет высокоомного .
Приближенно параметры противошумовой коррекции можно определить из равенства ее постоянной времени RC постоянной времени некорректированного каскада.
Расчет шумов каскадно соединенных четырехполюсников (многокаскадного усилителя) обычно сводится к расчету коэффициента шума входной цепи и входного каскада. Первый каскад в таком усилителе работает в малошумящем режиме, а второй и другие каскады в обычном режиме.
Расчет шумов в общем случае представляет собой сложную задачу, решаемую с помощью ЭВМ. Для ряда частных случаев шумовые параметры могут бить рассчитаны по соотношениям, приведенным в [16].
8.4. Анализ чувствительности
Чувствительностью называется реакция различных устройств на изменение параметров ее компонент.
Коэффициент чувствительности (функция чувствительности или просто чувствительность) представляет собой количественную оценку изменения параметров устройства (в т.ч. и АЭУ) при заданном изменении параметров его компонент.
Необходимость расчета функции чувствительности возникает при необходимости учета влияния на характеристики АЭУ факторов окружающей среды (температуры, радиации и т.д.), при расчете требуемых допусков на параметры компонент, при определении процента выхода ИМС, в задачах оптимизации, моделирования и т.д.
Функция чувствительности параметра устройства y к изменению параметра компонента определяется как частная производная
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
