Электронные усилители. Понятие, классификация, параметры, характеристики. Усилители постоянного тока. Дифференциальный усилитель. Обратная связь в усилителях.

Эл-м усилителем называют устр-во, позволяющее повысить мощность входного эл-го сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с пом-ю усилит-х эл-в (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.Эл-е усилители явл-я одними из наиболее важных и широко используемых устр-в в системах передачи и обработки различн. инф-и, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствит-ть, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.В завис-ти от назначен. усилит. подразделяются так:усилители постоянного тока (ЖЕ),усилители низкой частоты (УНЧ),усилители высокой частоты (УВЧ),избирательные усилители,широкополосные (видеоусилители),импульсные, операционные.

По своему функциональным назначениям усилители делятся на: 1.Операционные 2.Диференциальные
3.Звуковойчастоты 4.Промежуточной частоты5.Радио частотыПо полосе пропускания различают:
1.Низкочастотныеусилители2.Высокочастотные усилители.

Основные нормируемые параметры: Диапазон частот, Коэффициент усиления, Неравномерность АЧХ, Чувствительность, Уровень шума, Коэффициент нелинейных искажений, Входное сопротивление, Выходное сопротивление, Максимальное выходное напряжение, Максимальная выходная мощность.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно изменяющихся во времени сигналов.Амплитудно-частотная хар-ка УПТ изображена на рис. 10.31. Связь источника сигнала со входом усилителя и междукаскадные связи не могут быть осуществлены в УПТ с пом-юреактивных элементов – конденсаторов и трансформаторов, а имеют гальваническую связь. Гальванической называют связь, осуществляемую с пом-ю обладающих проводимостью какна переменном, так и на постоянном токе.Способность УПТ усиливать медленноизменяющиеся сигналы приводит к тому, чтоизменения температуры, питающих напряжений идр. медленно измен-я факторы вызывают изменения выходного напряжения.Самопроизвольное изменение выходногонапряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называетсядрейфом нуля усилителя.Различают абсолютный дрейфнуля на выходе усилителя и дрейф, приведенный ко входу усилителя.Абсол. дрейф нуля представл. собой максимальное изменен.вых-го напр-я при короткозамкнутом входе за определенный пром. вр. Особенностью УПТ является трудность обеспечения параметров режимапокоя каскадов. Пар-ры режима покоя каскада рассчитываются с учетомэл-в, относящихся к вых. цепи предыдущего каскада и входной цепи послед-го каскада. При выборе схемы каскада особое вниман. удел-я обеспечению стабильности пар-в режима покоя в отношении влиян. всех дестабилизирующих факторов: изменение температуры; изменениенапряжения источников питания; изменение параметров окружающей среды(давление, влажность); старение элемент в и др.Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: применениеглубоких отрицательных обратных связей; использование термокомпенсирующих элементов (резисторов, диодов, транзисторов).

Дифференциальные усилители. Наиболее перспективным способом уменьшения дрейфа нуля УПТ явл-я примен-е диф-х усилит-х каскадов (ДУ; ДК). Диф-м, т.е. разностным, называется усилительный каскад, усиливающий разность двух напряжений. Диф-й каскад представляет собой симметричный усилитель параллельного баланса, принципиальная схемакоторого представлена на рис. 11.1.

Такие усилит.простореал-тся в виде монолитных ИМС. Диф-й каскадвып-тся по принципусбалансир-го моста, два плеча которого образованы резисторами R_k1R_k2, а двадругих транзисторами VT1 и VT2.Вых. напр-е снимаетсямежду коллекторами транзисторов(с диагонали моста) или сколлекторов. Для питания ДУ обычноисп-я два источникапитания, напряжение которыхравны по модулю. Часто такиеисточники питания называют источники с расщепленным питанием. Исп-е источника питанияU_ип2 снижает потенц. эмиттеров транзисторов VT1 иVT2 до потенциала земли. Это позвол. подавать сигналы на входы усилит.

относит-но земли без введения доп-х компенсирующих напряжений.Если на обоих входах ДУ действуют равные по амплитуде, форме и фазесигналы, то такие сигналы называют синфазными. Если на входы ДУ подаютсясигналы, имеющ. равные амплитуды и форму, но противоположн. по фазе, то такие сигналы называют диф-ми.Положит-й потенциал источника питания, поступающий через корпус и цепи входных сигналов на базы обоих транзисторов, открываетих. Под действием источника питания и при отсутствии входных сигналов в коллекторных цепях транзист. VT 1 и VT2 протекают коллекторныетоки. Эти токи создают одинак. падения напр-я на резисторах R_k1иR_k2, т.е.U_вых1=U_вых2. Если нагрузочное сопротивление включеномежду коллекторами VT1 и VT2, то выходное напряжение на резисторе нагрузки U_вых=0. Равенство выходного напряжения нулю при отсутствии входного сигналаназывают р е ж и м о м п о к о я.

Резистор Rэ, включенный в цепь эмиттеров, создает послед-юобратную связь по току, стабилизируя рабочую точку транзисторов. Величина сопр-я резистора R должна быть небольшой для обеспеч-я режимапокояи значительно высокой в рабочем режиме. Эта задача решается с пом-ю г е н е р а т о р а с т а б и л ь н о г о т о к а, включаемого в цепь эмиттеровтранзисторов VT1 и VT2 (рис. 11.2,а).

Под генератором стабильного тока (ГСТ) понимается двухполюсник, сила тока через который почти не зависит от величины прилож-го к нему напр-я. При приложении к ГСТ переменного напр-я его сопрот-едля переменной составляющей тока будет очень высоким. Генератор стабильного тока, определяющий сумму эмиттерных токовI_э1I_э2транзисторов VT1 и VT2, собран на транзисторе VT3 (рис. 11.2,а). ГСТ создает динамическую нагрузку потому, что потенциалU_бэ3 остается неизменным, так как снимается с делителя напряжения, собранного на резисторах R2 и R3. Термостабилизацию рабочей точки транзистора VT3 осуществл. транзистор VT4 в диодном включении. Напряжение делителя подводим.к базе транз.

VT3 при пренебрежении токомI_б3 базы определяетсяпадением напряжения на резисторе R3 и падением напряженияU бэ4.

Обратная связь в усилителях. Для улучшения стабильности усиления, изменения входного и выходного

сопротивления, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных хар-к и др. пар-в вводят обратнуюсвязь. Обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сиг-

нала в его входную цепь. Цепь, по которой осуществляется передача сигналаОС, называется цепью обратной связи. Петлей ОС называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилит.между точками ее подключ. Местной петлей ОС (местной ОС) называют ОС, охватывающую отдельн. каскады или часть усилителя. Общая ОС охватывает весь усилитель.Упрощенная структурная схема

усилителя с обратной связью показана нарис. 10.12.

Усилитель имеет в направлении,указанном стрелкой, коэффициент усиленияK=U_вых/U_вх. По способу получения сигнала обратные связи бывают:обратная связь по напряжению (рис. 10.13,а), когда сигнал обратнойсвязи пропорционален выходному напряж. U_вых, ОС по току (рис. 10.13,б), когда сигнал обратной связи пропорционалентоку выходной цепи;комбинированная обратная связь (рис. 10.13,в), когда снимаемый сигн. ОС пропорционален как напр-ю, так и току вых цепи. По способу введениянапряжения ОС на вход усилителя обратные связи бывают:– последовательной-напряжение ОСпоступает послед-но с напряж. источн. вх. сигн. – параллельной- напряжение ОС поступает параллельно с напр. источн. вх. сигнала; - смешанной.

Операционные усилители (ОУ), параметры, характеристики ОУ. Инвертирующий усилитель на ОУ. Неинвертирующий усилитель. Повторитель на ОУ. Сумматоры напряжений на ОУ. Дифференциальные усилители на базе ОУ. Дифференциатор на ОУ. Интегратор на ОУ. Нелинейные преобразователи электрических сигналов. Логарифмический усилитель. Антилогарифмический усилитель. Перемножители на ОУ.

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилителипостоянного тока с диф-м вх. каскадом, большим усилен.и несимметричным вых, предназнач-е для выполнения различныхопераций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательнойОС. Первоначально эти усилители предназначались для выполнения математич-х операций (сложение, вычитание, умножение, деление, диф-е и т.д.) над непрерывными эл-ми сигналами в аналоговых выч-х машинах.

Операционные усилители имеют как минимум 5 выводов. Схемное обозначение операционного усилителя показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1 – Обозначение ОУ

Параметры. 1.Коэффициент усиления К равен отнош-ю вых. напр-я квызвавшему это приращение диф. вх. сигналу при отсутств. обратной связи (составляет 10^3…10^7) и определяется при холостом ходе на выходе. К=Uвых/Uвх.д. 2.Напр-е смещ-я нуля Uсм показывает, какое напр-е необход. подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить Uвых=0. 3. Входной ток Iвх определяется нормальным режимом работы входногодифференциального каскада на биполярных транзисторах. 4.. Разность входных токов ∆Iвх равна разности значений токов, протек-х через входы ОУ, при заданном знач-и вых. напр-я.5. Входное сопротивление R_вхравно отношению приращения входн. напряжения к приращ. входн. тока на заданной частоте сигнала.6. Коэф-т ослабления синфазного сигнала Косл сф определяется какотнош-е напр-я синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к диф-му входному напр-ю, вызывающему тоже значение выходного напряжения. К_осс=К_диф/К_сф.. 7. Вых-е сопрот-е Rвых определяется отношением приращениявых-го напр-я к приращению активной составляющей выходного токапри заданном значении частоты сигнала. 8. Температ. дрейф напр-я смещения равен отношению мах изменения напр-я смещ-я к вызвавшему его изменениютемпературыαсм=∆ Uсм/∆T. 9. Коэф. влияния нестабильности источника питания на вых. напр-е показывает изменение вых-го напр-я при изменении напряжений питаний на 1 В.

10. Мах выходное напряжение Uвых макс определяется предельн. значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагр. и напряжении входного сигнала.11. Максимальный выходной ток Iвых макс ограничивается допуст. коллекторным током выходного каскада ОУ. 12. Потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.13. Частота единичного усиления f1 – это частота входного сигнала, прикоторой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f1)|=l.14. Частота среза fc ОУ – частота, на которой коэффициент усиления сниж-я в корень(2) раз. 15. Максимальная скорость нарастания вых. напр-я Vмакс опред-я наибольшей скор-ю изменения вых. напр-я ОУ придействии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной мах знач-ю вх. напр-я и лежит в пределах0,1…100 В/мкс.

16. Время установления вых. напряженияt_уст-это время необходимое для возвращения усилителя из

состояния насыщения по выходу в линейный режим.17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала деленным на коэф. усиления ОУ.

характеристики ОУ Основными усилит-ми хар-ми ОУ являются амплитудные (передаточные) хар-ки (рис. 1.3). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Рис. 1.3 – Амплитудные характеристики ОУ

Входные характеристики. Входными параметрами ОУ являются входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение. Выходные характеристики. Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. Частотные характеристики. Основной частотной хар-й ОУ является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), (рис. 1.4). АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. По граничной частоте f_гр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в Ö2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя.

Рис. 1.5 – Реакция ОУ на скачок входного напряжения

Скоростные характеристики. Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.5).

Инвертирующий усилитель на ОУ. При инвертирующем включении входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход соединяется с общей шиной (рис. 1.7).

 

Рис. 1.7 – Инвертирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению определяется по формуле:

Входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя в первом приближении определяются равенствами R_вх»R₁; R_вых» 0.

Неинвертирующий усилитель. При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.8).

 

Рис. 1.8 – Неинвертирующий усилитель на ОУ

Выходное напряжение неинвертирующего усилителя совпадает по фазе с входным. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению определяется по формуле:

Если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, то коэффициент усиления входного сигнала по напряжению К = 1. Такие схемы называют повторителями напряжения. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно.

Повторитель на ОУ

Иногда при построении различных эл-х схем требуются усилительные каскады, имеющие (по модулю) ед-е коэф. усиления (повторители).Наиболее часто за основу их проектирования используют схему неинвертирующего усилителя без входного резистивного делителя, что обеспечивает очень большое входное сопротивление. Повторитель, согласно (11) при (К_дел = 1) можно реализовать 3-мя способами (рисунок 5): R_ОС = 0 (непосредственное соединение выхода с инвертирующим входом); R₁ = Ґ (разрыв цепи, в которую включен R1) и, наконец, R_ОС = 0 и одновременно R₁ = Ґ.Наиболее просто реал-я схема повторителя в третьем случае (рисунок 5,в), однако и другие варианты неинвертирующих повторителей также находят применение на практике. Величина оставшегося резистора в схемах на рисунках 5,а, б совершенно не влияет на единичный коэффициент усиления повторителя.

Рисунок 5. Неинвертирующие повторителинапряжения на основе ОУ

Повторительнапряжения можно спроектировать и на основе инвертирующего усилителя, если в нем (рисунок 2) выбрать резисторы с одинаковым сопротивлением R₁ = R_ОС.

Сумматоры напряжений на ОУ

Суммирующий усилитель (аналоговый сумматор)

На рис. 6.17 приведена рабочая схема суммирующего усилителя на основе ОУ. Эта схема позволяет осуществить суммирование нескольких напряжений с минимальной погрешностью. Каждое из суммируемых напряжений подается на отдельный вход. Напряжение на выходе схемы равно сумме нескольких входных напряжений, умноженных на соответствующие коэффициенты усиления.

Рис. 6.17. Суммирующий усилитель

Такая сх. анализир. при помощи принципа суперпоз. основополаг-й принцип, котор. сост. в том, что если есть неск. факторов, не влияющ. на др. и рез-т действия всех факторов складывается. Если взять в схеме, что R₁=R₂=…=R_n,то получим чистый сумматор. U_вых=-(U₁+U₂+…+U_n)