- •Им. Адмирала ф.Ф. Ушакова в.В.Пятницкий. В.М.Комиссаров схемотехника усилительных устройств
- •Часть 1
- •Сборник опорных конспектов лекций по разделу №1 дисциплины «основы схемотехники»
- •Лекция №1 общие сведения об усилителях электрических сигналов
- •Предмет, цели и задачи дисциплины «Основы схемотехники». Ее роль и место в системе подготовки офицера-специалиста вмф
- •Раздел 1. Схемотехника усилительных устройств.
- •Раздел 2. Схемотехника устройств, используемых в средствах связи.
- •Вопрос №2 Типы усилителей электрических сигналов и их классификация
- •Вопрос №3 Блок-схемы усилителей
- •Заключение
- •Лекция № 2 основные характеристики и параметры усилителей электрических сигналов
- •Основные характеристики усилителей электрических сигналов
- •Вопрос №2 Искажения сигналов в усилителях электрических сигналов
- •Заключение
- •Лекция №3 Резистивно-емкостной усилитель
- •Вопрос №1
- •Принцип построения усилителя. Состав и назначение элементов схемы
- •Вопрос №2 Температурная стабилизация исходного режима работы усилителя
- •Коллекторная стабилизация
- •Вопрос №1 Эквивалентная схема резистивно-емкостного усилителя (реу)
- •В схеме 4.2 обозначено:
- •На нижних частотах на нижних и средних частотах
- •Вопрос №2 Характеристики и параметры реу в режиме усиления малого сигнала. Линейный режим усиления
- •Заключение
- •Лекция №5 обратная связь в усилителях
- •Вопрос №1 Виды обратной связи в усилителях
- •Uвх uвых Вход Выход
- •Вопрос №2 Влияние отрицательной обратной связи на свойства усилителей
- •Входное сопротивление
- •Частотные и фазовые искажения сигнала
- •Заключение
- •Лекция №6 резонансные усилители
- •Вопрос №1 Принципиальная схема резонансного усилителя (ру). Состав и назначение элементов схемы
- •Тогда избирательность δ будет . (6.11)
- •Это объясняется тем, что в формуле (6.8) пропадает последний множитель , так как при выводе этих формул следует брать не отношение напряжений, а отношение токов.
- •Вопрос №2 Линейный и нелинейный режим работы ру
- •Режим класса а
- •Заключение
- •Лекция №7 эквивалентная схема резонансного усилителя
- •Вопрос №1
- •Вопрос №2 Характеристики и параметры ру
- •Заключение
- •Лекция №8 усилители постоянного тока и дифференциальный усилительный каскад
- •Вопрос №1 Общие сведения об упт. Однотактные (прямого усиления) упт
- •Вопрос №2 Балансный (дифференциальный) усилительный каскад
- •Вопрос №3 Дифференциальный усилительный каскад (дук) с генератором стабильного тока (гст)
- •Вопрос №1 Синфазные и дифференциальные сигналы, проходящие через дук
- •При прохождении дифференциального сигнала (дс) токи каждого из транзисторов получат одинаковые по абсолютной величине, но разные по знаку, приращения
- •Вопрос №2 Основные характеристики дук
- •Вопрос №3 Функциональные возможности дук
- •Дук на транзисторах с супербетой
- •Заключение
- •Лекция №10 аналоговые преобразователи электрических сигналов на базе операционных усилителей с линейными элементами в цепях ос
- •Вопрос №1 Общие сведения об оу
- •Вопрос №2 Основные способы включения оу в схемы с оос. Масштабные усилители на оу
- •Вопрос №3 Интегрирующие и дифференцирующие усилители Интегрирующие усилители
- •Лекция №11 операционные усилители с нелинейными элементами в цепях ос
- •Вопрос №1 Логарифмические усилители
- •Вопрос №2 Умножители и делители аналоговых сигналов. Компараторы
- •М етод логарифмирования сигналов
- •Компараторы
- •Заключение
- •Лекция №12 активные резистивно-емкостные фильтры (аrc-фильтры)
- •Вопрос №1 Особенности избирательных усилителей и их характеристики
- •Вопрос №2 Реализация аrс-фильтров на усилителях с пос
- •Вопрос №3 Реализация аrс-фильтров на усилителях с оос
- •Заключение
- •Лекция №13
- •Вопрос №1
- •Вопрос №2 Схемы реализации rc-генераторов
- •Заключение
- •Лекция №14 схемотехника аналого-цифровых устройств
- •Вопрос №1 Аналого-цифровые устройства
- •Квантование сигналов
- •Кодирование дискретной величины
- •Вопрос №2 Цифроаналоговые устройства
- •Заключение
- •Список использованной литературы
- •Список сокращений
Вопрос №2 Основные способы включения оу в схемы с оос. Масштабные усилители на оу
Операционные усилители – основа усилителей со специальными частотными характеристиками.
В ОУ обратная связь является отрицательной, если она подается с выхода усилителя на его инвертирующий вход. В этом случае напряжение обратной связи находится в противофазе с входным напряжением.
Обратная связь является положительной, если она подается на неинвертирующий вход. В этом случае напряжение обратной связи находится в фазе с входным напряжением (рис.10.4 а, б)
а) б)
Рис.10.4. Обратная связь в ОУ:
а) отрицательная ОС; б) положительная ОС
На рисунке 10.4а обозначено:
U1 – входное напряжение 1-го входа,
U2 – входное напряжение 2-го входа,
U3 – выходное напряжение.
На рисунке 10.4б обозначено:
U1 – входное напряжение,
U2 – выходное напряжение.
В зависимости от вида комплексных сопротивлений в цепях обратной связи ОУ может иметь различные частотные характеристики. Другими словами, изменяя характер сопротивления цепи обратной связи, можно получить необходимую частотную характеристику и реализовать определенные математические операции.
Ниже рассмотрены основные способы включения ОУ в схемах с отрицательной обратной связью (ООС):
– инвертирующее включение ОУ,
– инвертирующий сумматор,
– неинвертирующее включение.
Инвертирующее включение ОУ
Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ представлена на рисунке 10.5., где обозначено:
U1 – входное напряжение,
U2 – выходное напряжение,
R – балансное сопротивление.
Рис.10.5. Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ
Коэффициент передачи цепи определяется выражением
,
где RВХд – дифференциальное входное сопротивление ОУ,
К – коэффициент усиления ОУ.
Полное входное сопротивление схемы определяется выражением
.
Выходное сопротивление схемы определяется выражением
.
Одной из разновидностей инвертирующего усилителя является инвертирующий сумматор (рис.10.6).
На рисунке 10.6 обозначено:
U1 – входное напряжение 1-го входа,
Ui – входное напряжение i-го входа,
Un – входное напряжение n-го входа,
U2 – выходное напряжение,
Z1 – входное сопротивление 1-го входа,
Zi – входное сопротивление i-го входа,
Zn – входное сопротивление n-го входа.
Рис.10.6. Принципиальная схема инвертирующего сумматора
Через элемент цепи обратной связи ZОС протекает суммарный ток, поэтому выходное напряжение определяется следующим выражением
.
В инвертирующих схемах на входе схемы, а также в цепи обратной связи, могут быть включены не только одиночные элементы, например, резисторы и конденсаторы, но и более сложные цепи, состоящие из ряда линейных и нелинейных элементов.
Неинвертирующее включение ОУ
Принципиальная схема неинвертирующего включения ОУ представлена на рисунке 10.7.
Рис.10.7. Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ
На рисунке 10.7 обозначено:
U1 – входное напряжение,
U2 – выходное напряжение.
Коэффициент передачи цепи определяется выражением
.
В случае, когда , коэффициент передачи стремится к единице КП = 1, усилитель работает как повторитель напряжения.
Масштабные усилители
Усилители, имеющие точное нормированное значение коэффициента усиления, называются масштабными (МУ).
Среди них выделяются измерительные и электрометрические усилители.
Измерительные усилители относятся к числу прецизионных. Значения их параметров являются нормированными и в заданном диапазоне рабочих частот, температуры не выходят за пределы, оговоренные в технических условиях. Эти усилители применяются для масштабирования измеряемых сигналов в системах получения и обработки информации.
Электрометрические усилители имеют высокое входное сопротивление (до 109 –1015 Ом) и ничтожно малые входные токи. Они обычно применяются в устройствах, где требуется измерять электрические заряды или преобразовывать малые токи.
Выделение МУ в специальный класс устройств несколько условно и характеризуется только тем, что к значению их параметров, а также к стабильности этих параметров, предъявляются повышенные требования.
Масштабный усилитель,
не инвертирующий входной сигнал
Рис.10.8. Принципиальная схема МУ, не инвертирующего входной сигнал
На рисунке 10.8 обозначено:
U1 – входное напряжение,
U2 – выходное напряжение.
В случае, когда от МУ не требуется сверхвысокой точности, то входным и выходным сопротивлениями пренебрегают и считают, что RВХ→∞, RВЫХ →0.
В случае же прецизионных преобразователей, когда нельзя пренебрегать погрешностями, вносимыми вышеуказанными допущениями, анализ работы следует вести с учетом следующих значений коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений:
; ; .
Данный усилитель применяется или самостоятельно, или в составе сложных усилителей, когда требуется иметь повышенное входное сопротивление при значительном коэффициенте усиления по напряжению.
Кроме того, существуют и другие схемы МУ, например, повторитель напряжений, а также усилитель переменного напряжения.
Повторитель напряжения используется во входных устройствах, в которых требуется высокое входное сопротивление, а также в случае необходимости получения минимального выходного сопротивления.
Усилитель переменного напряжения имеет 100-процентную обратную связь по току, что гарантирует малые изменения выходного сигнала при постоянном токе, равные дрейфу нуля. Коэффициент усиления достаточно большой и его значение определяется навесными резисторами.
Масштабный усилитель,
инвертирующий входной сигнал
Рис.10.9. Принципиальная схема МУ, инвертирующего входной сигнал
В схеме МУ, инвертирующего входной сигнал, имеет место отрицательная обратная связь.
Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления определяются следующими выражениями:
; ; ,
где RВЫХдиф – дифференциальное выходное сопротивление ОУ.
Схема на рисунке 10.9 является предпочтительной для масштабирования напряжения, так как отсутствует синфазный сигнал и параметры схемы более стабильны. Однако следует учитывать, что последовательное включение более двух ОУ может привести к потере устойчивости. Это обусловлено тем, что выходное сопротивление реальных ОУ не равно нулю и повышается при увеличении частоты. Кроме того, повышается и дифференциальный входной сигнал на входе каждого ОУ из-за уменьшения коэффициента усиления КU.
В результате этого могут создаваться условия, когда выходной сигнал третьего ОУ, используя цепи обратной связи, через резисторы RОС может попасть на вход первого ОУ и вызовет самовозбуждение всего МУ. Поэтому целесообразно между каждой парой инвертирующих МУ устанавливать МУ, не инвертирующий входной сигнал.
Выводы по 2-му вопросу:
1. Для разработки высокоточных электронных устройств используются масштабные усилители.
2. Наиболее предпочтительной является схема МУ, инвертирующего входной сигнал.