Основні технічні показники підсилювачів

Найважливішими технічними показниками підсилювача є: коефіцієнти підсилення (по напрузі, струму і потужності), вхідний і вихідний опору, вихідна потужність, коефіцієнт корисної дії, номінальна вхідна напруга (чутливість), діапазон частот підсилюються, динамічний діапазон амплітуд і рівень власних перешкод, а також показники, що характеризують нелінійні, частотні та фазові спотворення підсилюється сигналу.

Коефіцієнт посилення - відношення сталих значень вихідної та вхідної сигналів підсилювача. Залежно від типу підсилюється величини розрізняють коефіцієнти підсилення:

по напрузі Ku = D U2 / D U1;

по току Ki = D I2 / D I1;

за потужністю Кр = Р2 / Р1,

де U 1, U 2, I 1, I 2 - діючі (або амплітудні) напруги і струми.

Так як P 1 = U 1 I 1 і P 2 = U 2 I 2, то коефіцієнт підсилення по потужності Kp = Ku Ki.

Значення коефіцієнта посилення К у різних підсилювачів напруги може мати величину порядку десятків і сотень. Але і цього в ряді випадків недостатньо для отримання на виході підсилювача сигналу необхідної потужності. Тоді вдаються до послідовного (каскадного) включенню ряду підсилювальних каскадів (рисунок 3.2). Для багатокаскадних підсилювачів ¹ загальний коефіцієнт посилення дорівнює добутку коефіцієнтів посилення окремих каскадів. При послідовному з'єднанні декількох підсилювальних пристроїв твір їх коефіцієнтів підсилення визначає загальний коефіцієнт посилення системи, тобто

Кобщ = К1 К2..... До n. (3.1)

Малюнок 3.2. Структурна схема багатокаскадного підсилювача

Коефіцієнт підсилення, обчислений за формулою (3.1), являє собою безрозмірну величину. Враховуючи, що в сучасних підсилювальних схемах коефіцієнт посилення, виражений в безрозмірних одиницях, виходить досить громіздким числом, в електроніці отримав поширення спосіб вираження підсилювальних властивостей у логарифмічних одиницях - децибелах (дБ). Коефіцієнт посилення по потужності, виражений в децибелах, дорівнює

KP [дБ] = 10 lg (P 2 / P 1) = 10 lg KP. (3.2)

Оскільки потужність пропорційна квадрату струму або напруги, для коефіцієнтів підсилення по струму і напрузі можна записати відповідно:

KI [дБ] = 20 lg (I2/I1) = 20 lg KI,

KU [дБ] = 20 lg (U2/U1) = 20 lg KU. (3.2 *)

Зворотний перехід від децибел до безрозмірного числа проводиться за допомогою виразу

,

де N = 10 при розрахунку коефіцієнта посилення по потужності і N = 20 - при розрахунках по напрузі і струму.

Широкому використанню логарифмічного подання коефіцієнтів посилення сприяє і те, що багато напрямків, у яких застосовуються підсилювачі, пов'язані з технікою, що впливає на почуття людини. А сприйняття людини описуються логарифмічними залежностями. Наприклад, гучність звукового сигналу, по відчуттяхлюдини, збільшиться в два рази при збільшенні його потужності в 10 разів.

Якщо прийняти К u = 1 дБ, то при визначенні коефіцієнта посилення по напрузі

.

Отже, посилення одно одному децибел, якщо напруга на виході підсилювача в 1,12 рази (на 12%) більше, ніж напруга на вході.

У техніці електронних підсилювачів найбільш часто розглядають коефіцієнт посилення по напрузі, тому при його написанні індекс часто опускається. Це буде робитися також у даному посібнику надалі.

Корисно пам'ятати, що подвоєння коефіцієнта посилення До означає збільшення цього показника в децибелах KдБ на 6 дБ, а збільшення K в 10 разів - збільшення КДБ на 20 дБ. Зміна коефіцієнта підсилення на 3 дБ відповідає його збільшення в Ö 2 разів, а на мінус 3 дБ - зменшення в Ö 2 разів (приблизно 0,707 від вихідної величини).

Логарифмічна міра оцінки зручна при аналізі багатокаскадних підсилювачів. Дійсно, загальний коефіцієнт посилення багатокаскадного підсилювача при переході до логарифмічним одиницям вимірювання визначається на відміну від (3.2) сумою коефіцієнтів посилення окремих каскадів, тобто

K заг [дБ] = K 1 [дБ] + + К2 [дБ] +... + К n [дБ].

Коефіцієнти підсилення по напрузі й струму є величинами комплексними, що відображає наявність фазових зрушень підсилюється сигналу. Наприклад, для коефіцієнта посилення по напрузі маємо:

,

або

,

де Кm = (U вих / Uвх) - модуль коефіцієнта підсилення;

j = (j вих - j вх) - кут зсуву фаз між вихідним і вхідним напругами.

Зазвичай, коли розглядають коефіцієнт посилення, мають на увазі його модуль. Фазовий зсув (аргумент коефіцієнта посилення) аналізують окремо. Значення, як модуля, так і фази залежать як від величини параметрів схеми підсилювача, так і від частоти підсилюється сигналу. Для їх опису використовують так звані амплітудно-частотну і фазо-частотну характеристики.

 

Л33

Зворотні зьязки підсилювачів
Зворотний зв'язок[ред. • ред. код]

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Зміни шаблонів/файлів цієї версії очікують на перевірку. Стабільна версія була перевірена 13 жовтня 2014.

 

 

Зворо́тний зв'язо́к — вплив результату функціонування якої-небудь системи на характер її подальшого функціонування. Термін «зворотний зв'язок» використовують стосовно протікання процесів в соціальних, біологічних, технічних, економічних і інших системах, а також в кібернетиці^[1] та теорії автоматичного регулювання тауправління.

Одне з перших досліджень впливу зворотного зв'язку на результат функціонування системи було виконане Майклом Фарадеем в популярній роботі Історія свічки.

Зміст

[сховати]

· 1 Типи зворотного зв'язку

o 1.1 додатний (позитивний) та від'ємний (негативний) зворотний зв'язок:

o 1.2 жорсткий та гнучкий (elastic feedback) зворотний зв'язок:

o 1.3 загальний та місцевий зворотний зв'язок

· 2 Математичне формулювання

· 3 Література

· 4 Примітки

Типи зворотного зв'язку[ред. • ред. код]

За характером впливу розрізняють^[2]:

додатний (позитивний) та від'ємний (негативний) зворотний зв'язок:[ред. • ред. код]

· додатний зворотний зв'язок впливає на систему таким чином, що збільшує вихідний результат її функціонування. В теорії автоматичного управління додатний зворотний зв'язок реалізується шляхом передачі на вхід системи частини вихідного сигналу таким чином, що сигнал зворотного зв'язку збігається у фазі з вхідним сигналом, що є еквівалентним збільшенню вхідного сигналу. В окремих випадках додатний зв'язок може призводити до генерації в системі — коли будь-яка флуктуація в системі передається на її вхід і підсилюється, завдяки чому в системі виникають незатухаючі коливання.

· від'ємний зворотний зв'язок впливає на систему таким чином, що зменшує вихідний результат її функціонування. В теорії автоматичного управління від'ємний зворотний зв'язок реалізується шляхом передачі на вхід системи частини вихідного сигналу таким чином, що сигнал зворотного зв'язку знаходиться у протифазі з вхідним сигналом, що є еквівалентним зменшенню вхідного сигналу, що призводить до зниження коефіцієнта підсилення системи, але при цьому також підвищується стійкість системи та зменшується похибка та інерційність системи.

жорсткий та гнучкий (elastic feedback) зворотний зв'язок:[ред. • ред. код]

· жорсткий зворотний зв'язок діє в усталеному і перехідному режимах роботи системи.

· гнучкий зворотний зв'язок діє тільки у перехідному режимі роботи системи, несе інформацію про швидкість змін в системі. В теорії автоматичного управління реалізується додаванням в контур зворотного зв'язку диференцюючих елементів.

загальний та місцевий зворотний зв'язок[ред. • ред. код]

· загальний зворотний зв'язок формується за рахунок передачі результату функціонування всієї системи на її вхід.

· місцевий зворотний зв'язок формується за рахунок передачі результату функціонування окремої ланки системи на вхід цієї ланки.

Крім того, у САР розрізняють зовнішній зворотний зв'язок, який з'єднує вихід усієї системи з її входом, та внутрішній (місцевий), що з'єднує вихід окремого елемента або групи послідовно з'єднаних елементів з їх входом.

Математичне формулювання[ред. • ред. код]

Нехай вхідний сигнал u і вихідний сигнал U певного об'єкта (чорної скриньки) зв'язані лінійним співвідношенням

,

де k — коефіцієнт підсилення.

Якщо на вхід системи подати крім сигналу u ще й частково сигнал із виходу, так що загальний вхідний сигнал стане , де — певний коефіцієнт зворотного зв'язку, то отримаємо

.

У такому разі вихідний сигнал визначатиметься формулою

.

При додатних значеннях α вихідний сигнал посилюватиметься, але стабільність падатиме. При α = 1/k вихідний сигнал стане нескінченно великим (насправді в такому разі система вийде з лінійного режиму).

При від'ємних значеннях α підсилення зменшується й система стабілізується.

 

 

Л34

каскад предварительного усиления

назначением каскадов предварительного усиления является усиление тока или напряжения источника сигнала до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

Для уменьшения числа каскадов предварительного усиления желательно, чтобы коэффициент усиления каждого каскада был наибольшим. Для уменьшения нелинейных искажений, как пишут в книгах, в предварительных усилителях наиболее часто используется режим А, поскольку с энергетической точки зрения это не вызывает затруднений, т. к. потребление мощности каскадами предварительного усиления даже в таком режиме незначительно.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером. Однако, если использовать включение с общей базой, искажений будет меньше.

Питание цепей транзистора осуществляется исходя из назначения, требуемой выходной мощности и пр. На рисунке 1 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ.

 

Рис. 1 - Схемы подачи смещения в цепь база-эмиттер через резистор и делитель напряжения

Необходимое смещение можно подавать через резистор R_б (первый рисунок) или через делитель напряжения R_б1R_б2 (второй рисунок). Сопротивление R_б во много раз превышает сопротивление перехода база-эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через этот резистор называют смещением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, старении, замене экземпляров транзисторов и называется смещением фиксированным напряжением база-эмиттер.

Усилительные каскады можно построить и с использованием полевых транзисторов, как показано на рисунке 2.

 

Рис. 2 - Схемы резистивных усилительных каскадов на полевом транзисторе с p-n-переходом, изолированным затвором и встроенным каналом, изолированным затвором и индуцированным каналом

Питание полевого транзистора осуществляется подачей напряжение между истоком и стоком и напряжения смещения на затвор относительно истока транзисторов с p-n-переходом или подложки транзисторов с изолированным затвором. В качестве напряжения смещения может быть использовано падение напряжения на резисторе в цепи истока (первая схема), или напряжение смещения, получаемое с помощью делителя (третья схема). Транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом могут работать без напряжения смещения (вторая схема).

 

 

Л-пр35
расчет режимов роботы каскада предварительного усиления

Схема транзисторного усилителя низкой частоты

 

Упрощенная схема каскада, выполненного на биполярном транзисторе типа р-n-р, включенного по схеме ОЭ, приведена на рисунке 1. На схеме обозначены: R1, R2 - резисторы входного делителя, обеспечивающего нужное смещение на базе транзистора, Rк, Rэ - соответственно коллекторный и эмиттерный ограничивающие резисторы, Rн - сопротивление нагрузки. В простейшем случае резисторы R2 и Rэ могут отсутствовать (R2= ∞, Rэ=0), Rг - внутреннее сопротивление источника сигнала (генератора). Свх, Ср - разделительные конденсаторы. Резистор Rэ и конденсатор Сэ образуют цепь отрицательной обратной связи по току эмиттера. Полагаем, что на вход (на базу транзистора) относительно общей точки подаётся синусоидальный входной сигнал с такой амплитудой, чтобы каскад работал в квазилинейном режиме и на нагрузке выделялся усиленный синусоидальный сигнал. Это обеспечивается соответствующим выбором положения рабочей точки на характеристиках транзистора.

 

 

Рисунок 1 - Схема каскада усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе

1.2 Выбор биполярного транзистора

 

В исходных данных указаны ток и мощность нагрузки, по которым следует определить конкретный тип и марку транзистора из следующих соображений:

а) Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером выбирается на (10-30)% больше напряжения источника питания

 

 

где Uкэ доп - допустимое напряжение по условиям пробоя р-n-перехода.

б) Максимальный (допустимый) ток коллектора должен быть в (1,5ё2) раза больше тока нагрузки

 

Iк.доп.і 2Iнм

 

где мА - амплитуда тока нагрузки;

Iк.доп. - допустимое (по условиям нагрева) значение тока коллектора.

 

В общем случае нужно учитывать значение температуры окружающей среды, в зависимости от которой значение допустимого тока изменяется. В данном расчете предполагается «нормальная» температура окружающей среды + (25ё27)°С.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет транзистор МП25А. Он имеет следующие параметры:

Uкэм = 40В, Iкм=80мА, Pкм=0,2Вт, (В расчётах ), , , .

Его входные и выходные характеристики изображены на рисунке 3.

 

1.3 Выбор положения рабочей точки

 

Расчет параметров графоаналитическим способом основан на использовании нелинейных статических характеристик. В первую очередь на семействе выходных характеристик изобразим кривую ограничения режима работы транзистора по мощности Ркт. Она строится согласно уравнению Ркm= UкэIк. Задаваясь значениями Uкэ, находим Iк по заданному (паспортному) значению Рк.

 

Таблица 1

Uкэ, В	4	8	10	16	20
Iк,мА	50	25	20	12,5	10

 

Далее на семействе выходных характеристик (рисунок 3) проводим нагрузочную линию, используя уравнение для коллекторной цепи

 

 

Полагая Uкэ = 0 В, получим

 

 

где Rобщ = Rк + Rэ - суммарное сопротивление в выходной цепи транзистора.

Полагая Iк = 0, имеем Uкэ = Eп=6 В.

Так как Rобщ пока неизвестно, используем две точки (рисунок 3): точку А с координатой (Еп, 0) и выбранную по некоторым соображениям точку Р.

Положение точки Р нужно выбрать из следующих соображений:

а) точке Р соответствует значение тока Iкр 1,2Iим 13,4мА и значение напряжения U кэр (Uвых.+Uост)=3+1=4 В,

где Iкр - постоянная составляющая тока коллектора;

Iим - амплитуда переменной составляющей тока коллектора (тока нагрузки);

Uкэр - постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер.

Uост маломощных транзисторов принимается ориентировочно равным 1В.

б) точка Р должка располагаться в области значений токов и напряжений, не попадающих в верхнюю область, ограниченную кривой Ркм (рисунок 3).

Определив координаты точки Р проводим на семействах выходных характеристик нагрузочную прямую APD (рисунок 3) и определяем значение тока базы Iбр, соответствующее выбранному значению тока коллектора Iкр: Iбр =0,6 мА. По значению тока базы Iбр определяем положение точки P1 на входной характеристике (рисунок 4).

Определяем значения токов Iкм и Iк.min:

 

Iкм = Iкр+ Iим=15+7,5=22,5 мА,

Iк.min =Iкр -Iим=15-7,5=7,5 мА,

 

где Iнм - амплитуда переменной (синусоидальной) составляющей тока нагрузки.

 

Откладывая по оси токов значения Iкм, Iк.min находим на нагрузочной линии точки В и С, которым соответствуют значения токов базы Iбм=0,9 мА, Iб.min=0,3 мА и значения напряжений Uкэм=5,2 В, Uкэ.min=3,4 В. Амплитуду синусоидальной составляющей напряжения коллектор-эмиттер находим из соотношения:

 

 

1.4 Расчет параметров элементов схемы

 

1. Определяем значения сопротивлений Rк и Rэ.

 

кОм,

 

где IКЗ - ток, определяемый по точке пересечения прямой АР с осью токов (точка D на рисунке 3).

Принимая Rэ=(0,lё0,15)Rк, находим

 

Ом,

 

Rэ=Rобщ-Rк=15,7Ом.

2. Находим сопротивления резисторов Rl, R2. С целью уменьшения влияния делителя напряжения Rl R2 на входной сигнал обычно выбирают

 

 

где Rвх- входное сопротивление по переменному току

 

Ом.

Значения Uвхм и Iвхм определяются по входной характеристике (рисунок 4):

Значение сопротивления резистора R1 можно определить из соотношения

 

кОм,

 

полученного из уравнения напряжений для контура цепи: общая точка – Rэ -эмиттерный переход – R2 - общая точка в предположении, что Uэб <<Eп, а . Из последнего соотношения можно находим значение сопротивления резистора R2=127 Ом.

3. Определяем емкость конденсаторов Ср и Сэ:

 

мкФ,

мкФ,

 

где: fH - нижняя частота полосы пропускания, Гц;

Мн - коэффициент частотных искажений а области низких частот (принимаем Мн=1,2 для упрощения).

 

1.5 Расчет параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе

 

Используя графики входной и выходных характеристик, можно найти параметры усилительного каскада:

а) Коэффициент усиления по напряжению

раз; KU,дб=20lgKU=48,7 дБ.

 

б) Коэффициент усиления по току

 

раз; Ki,дб=20lgKi=18,41дБ.

 

в) Коэффициент полезного действия (КПД):

 

 

где: Рн - мощность нагрузки максимальная (выходная);

Рр - мощность источника, затраченная на обеспечение режима работы Мощность переменного тока нагрузки

 

Pн=0,5UнмЧIнм=0,5∙3∙0,0015=172,5 мВт.

 

Мощность, затрачиваемая источником питания на обеспечение режима работы определяется по координатам точки Р (см. рисунок 3)

Pр=UкэрЧIкр=4,2∙0,015=63 мВт.

 

г) Мощность генератора входного синусоидального сигнала

 

Pвх=0,5IбмЧUбэм=0,5∙0,0009∙0,18=81 мкВт.

 

д) Коэффициент усиления по мощности

Kр,дб=10lgKр=33,282 дБ.

 

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

 

Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющими p-n-переходом и каналом р-типа показана на рисунке 5. Транзистор включён по схеме с общим истоком.

 

 

Рисунок 5 - Схема усилительного каскада на полевом транзисторе.

 

В расчёте используем упрощённую схему замещения транзистора, показанную на рисунке 5, где обозначены:

g11 - входная проводимость, См;

g12U2 - входной ток, обусловленный влиянием выходной цепи на входную;

g12 - проводимость передачи напряжения;

g21 ЧU1 -выходной ток, обусловленный проводимостью передачи тока g21;

g22 - выходная проводимость транзистора, См.

 

Схема замещения усилительного каскада показана на рисунке 6. В целях упрощения в схеме отсутствует проводимость g11 и источник g12U2 ввиду их незначительной величины. Сопротивления резисторов Rз1 и Rи1 определяется из соотношений:

 

кОм,

кОм.

 

где: Rз1 - эквивалентное сопротивление цепи затвора;

Rн1 - эквивалентное сопротивление выходной цепи.

 

Коэффициент усиления по напряжению определяется по выражению

 

 

Коэффициент усиления по току

 

 

Коэффициент усиления по мощности

 

Кр=КU ЧКi= ∙ =687.791 раз.

 

Входное сопротивление каскада

 

Rвх=Rз1= кОм.

 

Выходное сопротивление каскада

Ом,

 

где: Uxx - напряжение на выходе при разрыве цепи нагрузки (холостой ход);

Iкз - ток на выходе при коротком замыкании выводов нагрузки.

 

Рисунок 6 – Упрощённая схема замещения усилительного каскада на полевом транзисторе

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / Под общей редакцией Горюнова Н.Н. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 904 с.

Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.: Энергоатомиздат, 1989.- 352 с.

Опадчий Ю.Ф., Грудкин, О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002, - 768 с.

15

 

Л лб36
дослідження каскаду підсилення

 

Л37

Вихідні каскади підсилення

 

Л38

 

                                                                 

 

л-39\3
підсилювачі із безпосереднім звьязками

Усилители с непосредственной связью

 

 Усилитель с непосредственной связью.

Здесь для создания необходимого смещения на входном электроде последующего каскада используется постоянное напряжение на выходном электроде предыдущего каскада. Такую связь называют гальванической. Подключение коллектора V1 непосредственно к базе V2 позволяет исключить один разделительный конденсатор и 2 резистора в цепи смещения V2.

 

 

С помощью непосредственной связи можно образовать т.н. составные транзисторы. У такого транзистора общий коэффициент усиления β = β1·β2. Их рекомендуется использовать в режиме эмиттерного повторителя. Тогда включение в цепь эмиттера даже маленького сопротивления увеличивает входное и снижает выходное сопротивление каскада.

 

 

Л40\4

Дифференциальный усилитель

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Транзисторы дифференциального усилителя могут быть биполярными, полевымиили баллистическими. Наиболее высокочастотными (ТГц диапазон) являются дифференциальные усилители на интегральной паре баллистических транзисторов^[1][2].

Схема дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами

Применение[править | править вики-текст]

Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.

Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования. Обычно необходимо также использовать специальные линии передачи сигналов, например, экранированную двухпроводную линию для передачи сигнала с микрофона (применяется, например, в линиях с разъёмом XLR).

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей много больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или другими словами расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость электронов определяется фермиевской скоростью, а не дрейфовой скоростью связанной с подвижностью носителей тока. Для реализации такого типа транзистора необходимо исключить рассеяние на дефектах кристалла в токовом канале (включая рассеяние на фононах), что можно достичь только в очень чистых материалах, таких какгетероструктура GaAs/AlGaAs. Двумерный электронный газ сформированный в GaAs квантовой яме обладает высокой подвижностью при низкой температуре и соответственно большей, чем в других материалах длиной свободного пробега, что позволяет создавать при помощи электронной литографии устройства где траекторией электронов можно управлять с помощью затворов или зеркально рассеивающих дефектов, хотя обычный полевой транзистор тоже будет работать, как баллистический (при достаточно малых размерах). Баллистические транзисторы также созданы на основе углеродных нанотрубок , где благодаря отсутствию обратного рассеяния (длина свободного пробега увеличивается до линейного размера трубки) рабочие температуры даже выше, чем в случае с GaAs.

Инструментальный дифференциальный усилитель[править | править вики-текст]

Схема инструментального дифференциального усилителя на базе ОУ

Для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точностикоэффициента усиления, и во многих случаях также большое входноесопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая еюоперационный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких мегаом, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме. Здесь входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя, который не используется для создания обратной связи, а собственное входное сопротивление прецизионных операционных усилителей составляет значения порядка нескольких сотен мегаом. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом. Промышленностью выпускаются микросхемы, подобные приведённой схеме, с дополнительными возможностями по настройке коэффициента усиления, фильтрации шумов и частотной коррекции.

 

 

Л41\ 5

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокойотрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

· V ₊: неинвертирующий вход

· V ₋: инвертирующий вход

· V _out: выход

· V _S+: плюс источника питания (также может обозначаться как , , или )

· V _S−: минус источника питания (также может обозначаться как , , или )

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа^[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V _S+ и V _S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

ОУ 741 в корпусе TO-5

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

· U ₊ (к нему подключается V _S+)

· 0

· U _- (к нему подключается V _S-)

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для созданияобратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U ₊ = 1,5…15 В, U _- = −15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ[править | править вики-текст]

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный

 

усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

(1)

здесь

· V _out: напряжение на выходе

· V ₊: напряжение на неинвертирующем входе

· V ₋: напряжение на инвертирующем входе

· G _openloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется^[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

· Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G _openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).

· Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10⁶ на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.

· Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Простейший усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго^[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.