Усилители электрических сигналов. Разновидности, параметры. Характеристики.

Усилители электрических сигналов – это электронные устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока или мощности входных электрических сигналов за счет энергии источника питания.

Передача сигнала с помощью усилителя.

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам.

По роду усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше и усилители переменного тока, усиливающие переменные сигналы с частотой, отличной от нуля.

По частоте усиливаемого сигнала могут быть выделены следующие группы: усилители низкой частоты (УНЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;

усилители высоких частот (УВЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от сотен килогерц до сотен мегагерц и выше;

широкополосные усилители (ШПУ)– устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков – сотен герц до сотен мегагерц;

избирательные (резонансные) усилители (ИУ), обеспечивающие усиление в узком диапазоне частот.

АЧХ: а) УПТ, б) УНЧ, в) УВЧ, г) ШПУ, д) ИУ

По виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов. По функциональному назначению они делятся на усилители напряжения, тока и мощности.

Коэффициент усиления является основным количественным параметром усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по напряжению K_U, току K_I или мощности K_P: K_U = U _ВЫХ / U _ВХ, K_I = I _ВЫХ / I _ВХ, K_P = P _ВЫХ / P _ВХ.

Типовая АЧХ и ФЧХ УНЧ:

Спад коэффициента усиления на низких частотах определяется наличием разделительных емкостей в усилителях, спад на высоких частотах – паразитными емкостями в элементах схемы.

Динамический диапазон усиления характеризует диапазон изменения входного сигнала: D = U_{ВХ макс} / U _ВХмин

Коэффициент полезного действия (КПД):η = Р_ВЫХ / Р₀,

Входное и выходное сопротивление – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилителя как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой.

 

Компараторы напряжения.

Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух напряжений и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Компаратор представляет собой одноразрядный аналого-цифровой преобразователь.

Временные диаграммы работы компаратора без гистерезиса и с гистерезисом

Компараторы характеризуются следующими статическими параметрами.

1. Пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал. 2. Напряжение смещения Е _СМ – определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно идеального положения (рис.14.1, а). Для коррекции этого смещения используют балансировку. 3. Входные токи I⁺ _ВХ и I^- _ВХ – токи, протекающие через входные выводы компараторов. 4. Разность входных токов ΔI _ВХ = I⁺ _ВХ – I^- _ВХ – токи, протекающие через закороченные входы. 5. Напряжение гистерезиса U _Г – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К _ОСС – отношение синфазного сигнала U _СФ к дифференциальному сигналу ΔU _ВХ, вызывающему срабатывание компаратора К _ОСС = 20lg(U _СФ / ΔU _ВХ). 7. Входное сопротивление – полное входное сопротивление для малого разностного сигнала.

8. Выходные логические уровни – напряжения логического 0 и 1 на выходе. Основным динамическим параметром компаратора, определяющим его быстродействие, является время задержки распространения t _ЗД.Р. скачкообразного входного сигнала или время переключения компаратора (рис). Это время отсчитывают от момента подачи скачкообразного входного сигнала до момента установления на выходе логического 0 или 1.

Простейшие компараторы на операционных усилителях:

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения U _Г.

Инвертирующий триггер Шмита

При повышении входного напряжения U _ВХ, величина выходного напряжения U _ВЫХ сначала не меняется. Но как только U _ВХ достигает значения U _Нмакс, выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на неинвертирующем входе U _Н. Благодаря действию этой положительной обратной связи U _ВЫХ скачком падает до величины U _ВЫХмин, а потенциал U _Н будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения U _{ВЫХмакс} только тогда, когда входное напряжение U _ВХ достигнет значения U _Нмакс.

 

Применение ОУ.

Правила использования усилителя на ОУ: 1. В усилителе должна быть обязательно обратная связь. 2. В усилителе должна быть ООС по пост. Току. 3. Входы ОУ токов не потребляют. Rвх=10^6…10^17 Ом. 4. ООС делает разницу напряжения между входами равной.

1. Инвертирующий усилитель:

2. Неинвертирующий усилитель:

Повторитель (буфер):

Усилитель переменного тока на ОУ:

3. Интеграторы:

4. Дифференциатор на ОУ