А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств

Из множества различных устройств вторичных источников питания ограничимся рассмотрением стабилизаторов с использованием ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с ОУ позволяют достичь высокого значения коэффициента стабилизации напряжения, низкого дифференциального выходного сопротивления, повышенного КПД.

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 (VT 1, VT 2, VT 3) по схеме с ОК. Максимальный ток нагрузки такого стабилизатора ориентировочно равен

I н max = I ОУ max · H 21Э1· H 21Э2· H 21Э3.

Необходимое напряжение стабилизации определяется выбором типа стабилитрона VD и, помимо этого, соответствующим выбором резисторов R 1 и R 2. Устройство не нуждается в емкости фильтра на выходе, т.к. здесь используется эффект умножения по отношению к нагрузке емкости конденсатора C, подключенного к базе VT 3.

Другие устройства вторичных источников питания описаны в [12, 14].

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 ( U вх одного порядка с φ T =25.6 мВ) [15].

Обычно уровень НИ характеризуется коэффициентом гармоник K г . Суммарный коэффициент гармоник равен

где K г 2 и K г 3 соответственно коэффициенты гармоник по второй и третьей гармоническим составляющим (составляющими более высокого порядка можно пренебречь ввиду их относительной малости).

Коэффициенты гармоник K г 2 и K г 3, 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 I э = I э 0exp( U вх / φ T ).

Фактор связи зависит от способа включения транзистора и вида обратной связи. Для каскада с ОЭ и ПООСТ имеем:

где R г — сопротивление источника сигнала (или R вых предыдущего каскада); R ос — сопротивление ПООСТ (см. подраздел 3.2, в случае отсутствия ПООСТ R ос =0).

Для каскада с ОЭ и ∥ООСН

где R экв = R к ∥ R н , R ос — сопротивление ∥ООСН (см. подраздел 3.4).

Для каскада с ОК

где R экв = R э ∥ R н (см. подраздел 2.8).

Для каскада с ОБ

Коэффициенты гармоник K г 2 и K г 3, 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 = I си / U ² отс ,

где I си и U отс см. рисунок 2.33.

Фактор связи B зависит от способа включения транзистора и вида ООС. Для каскада с ОИ и ПООСТ имеем:

B = S 0( R ос + r и ),

где R ос — сопротивление ПООСТ (см. подраздел 3.2, в случае отсутствия ПООСТ R ос =0).

Для каскада с ОИ и ∥ООСН имеем:

B = S 0 R гR экв / R ос ,

где R экв = R с ∥ R н , R ос — сопротивление ∥ООСН (см. подраздел 3.4).

Для каскада с ОС

B = S 0( R экв + r и ),

где R экв = R с ∥ R н (см. подраздел 2.11).

Для каскада с ОЗ

B = S 0(( R г ∥ R и ) + r и ).

В приведенных выше выражениях r и — сопротивление тела полупроводника в цепи истока, r и ≈1/ S си , где S си — см. подраздел 2.10, для маломощных ПТ r и =(10…200) Ом; R и — см. рисунок 2.38.

Приведенные соотношения для оценки K г 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].

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.