Лекция 8. Электронные усилители. 2 часа.

ЛЕКЦИЯ 8. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. 2 часа.

Классификация электронных усилителей

Признаки классификации:

· Характер входного сигнала.

· По виду усиливаемого параметра

· Назначение.

· Режим работы регулирующего (активного или усиливающего) элемента.

· Тип регулирующего элемента.

· Частотные характеристики.

По характеру усиливаемых сигналов различают

- усилители постоянного тока;

- усилители переменного тока;

- импульсные (широкополосные) усилители.

По виду усиливаемого параметра

усилители напряжения,

усилители тока,

усилители мощности.

Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.

По типу используемых активных элементов усилители делятся на:

- ламповые;

- транзисторные, в том числе интегральные операционные усилители;

- параметрические;

- на СВЧ –приборах;

- оптические (способны усиливать импульсы света без преобразования в электрический сигнал);

По назначению. Усилители используются в самых различных устройствах и приборах. Перечислим некоторые применения усилителей:

- усилители контрольно – измерительной аппаратуры;

- нормирующие сигналы, вводимые в ЭВМ и МК;

- усилители управляющих воздействий для АСУ ТП и в составе мехатронных устройств и электроприводов;

- любительская и профессиональная звуковоспроизводящая аппаратура;

- усилители сигналов телефонных и компьютерных сетей;

- усилители приёмо – передающей аппаратуры сотовых и спутниковых систем связи;

- усилители радио и телевизионных сигналов;

- усилители медицинской аппаратуры (УЗИ, томографы, рентгеновские аппараты и т.п.

- усилители уникальных установок для исследования микромира и Вселенной: (коллайдеры, радиотелескопы, электронные микроскопы);

- усилители связной и радиолокационной аппаратуры.

 

Разновидности, характеристики и параметры усилителей

Усилители постоянного тока (УПТ).

(Название сложилось исторически, хотя УПТ на самом деле усиливает напряжение). Такое название обусловлено тем, что они способны усиливать очень медленные изменения сигналов (в том числе постоянные напряжения), т.е. рабочая полоса частот начинается от нулевой частоты. Верхняя граничная частота fв может составлять величину от нескольких десятков герц до единиц кгц и зависит от параметров входного сигнала. Назначение таких усилителей, -усиление очень маленьких сигналов (единицы и доли микровольт) с датчиков температуры, давления, механических напряжений и др. Основные параметры:

- коэффициент усиления;

- дрейф нуля усилителя, приведённый ко входу, (мкВ/градус)

Дрейф - это медленные изменения сигнала на выходе усилителя при нулевом сигнале на входе. Дрейф вызывается влиянием температуры на входные цепи усилителя и внутренние шумы электронных компонент входных каскадов. Шумы вызываются дробным характером движения электронов как в полупроводниковых приборах, так и других элементах электрических цепей.

УПТ используются в измерительной и медицинской технике, в составе тензостанций, для усиления сигналов с термопар.

 

Усилители радиочастоты

К ним относятся (полосовые усилители (так называются усилители, усиливающие только заданный диапазон частот, усилители высокой частоты, избирательные усилители- усилители, усиливающие узкую полосу частот)). АЧХ таких усилителей имеет вид:

 

Рис. 4. Полоса частот усилителя значительно меньше средней частоты: т.е.

 

Импульсные усилители (ИУ).

 Их назначение, усиление импульсных последовательностей без искажения формы импульсов. Сложнее всего осуществить усиление без искажений прямоугольные импульсы, поскольку, как известно, резким перепадам функций в соответствии с разложением Фурье соответствуют очень высокие частоты (вплоть до гармоник с бесконечно большой частотой). Поэтому импульсные усилители должны быть широкополосными (АЧХ ИУ должна быть подобна АЧХ УНЧ, но с гораздо более высокой fв. ИУ используются в различной преобразовательной и радиолокационной аппаратуре.

 

СВЧ -усилители.

Применение СВЧ - усилителей

СВЧ –усилители, это усилители электрических сигналов, работающие в диапазоне 3 – 300 ГГц. Используются в составе радио и радиолокационной техники, радиотелескопии других устройств, использующих радиосигналы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. В числе таких устройств, детекторы коллайдеров, оборудование для исследования процессов ядерного синтеза, в медицинской аппаратуре, приёмники отраженного сигнала радиолокаторов, приёмная аппаратура радиотелескопов. СВЧ усилители, используемые в технике можно разделить на мощные усилители, формирующие сигналы, излучаемые антеннами радиолокаторов, радиотелескопов и связной аппаратуры, и усилителями приёмных устройств, задача которых усилить СВЧ – сигналы, принятые антеннами тех же устройств.

Области использования ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления и, как правило с очень большой полосой пропускания.

Не смотря на достаточно сложную внутреннее устройство, ОУ в интегральном исполнении (ИОУ, далее ОУ) является, по сути элементом электронных цепей, т.к. он в своё время стал основным средством построения сложных аналоговых устройств. преобразования сигналов (АЦП и ЦАП) устройств связи с объектами управляющих ЭВМ и контроллеров. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, что его полоса пропускания начинается с частоты ноль Гц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые ламповые образцы ОУ использовались для построения т. н. аналоговых ЭВМ (АВМ), использовавшихся для моделирования сложных динамических систем и даже для расчёта траекторий запуска космических и баллистических ракет, в которых на его основе выполнялись различные математические операции (отсюда эпитет операционный) типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и т. д. Позже, в 70 –е годы прошлого века ОУ стал основой для построения сложных аналоговых устройств для систем автоматического управления самыми различными объектами и прослужили вплоть до 90-х годов, после чего были вытеснены микро-ЭВМ и микроконтроллерами.

Но и в настоящее время ИОУ широко используются там, где нужно работать с аналоговыми сигналами, в схемах сопряжения микроконтроллеров и микро-ЭВМ с объектами управления, т.н. УСО. На их основе строятся аналогово – цифровые преобразователи (АЦП) и цифро – аналоговые преобразователи (ЦАП), измерительные усилители и нормализаторы напряжений, формирующие сигналы нужной амплитуды.

 

Идеальный ОУ

Это гипотетический усилитель, не существующий в природе, но характеристики современных ИОУ настолько близки к идеальным, что при расчётах схем этой метафорой часто пользуются. Параметры идеального ОУ:

Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой

Разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю.

Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах.

 

Рис. 14. Идеальный ОУ

 

В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

 

Рис. 15. Схема неинвертирующего усилителя

 

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

 

Рис. 16. Схема инвертирующего усилителя.

 

Коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор входного сигнала

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально интегралу по времени от входного сигнала. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

 

Рис. 17. Интегратор на операционном усилителе.

 

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Выходное напряжение определяется выражением:

Величина Т=R1*C1 называется постоянной интегрирования.

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия.

 

ЛЕКЦИЯ 8. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. 2 часа.