Раздел 5. Электронные усилители.

5.1 Классификация и основные характеристики усилителей. Занятие 32

Электронные усилители (ЭУ) усиливают мощность сигнала за счет источника питания. В состав усилителей входят активные и пассивные элементы. Активными элементами являются биполярные и полевые транзисторы, лампы и др. Сигнал поступает на усилитель по входной цепи. Усиленный сигнал образуется в выходной цепи и поступает в нагрузку ( сопротивление, колебательный контур, электродвигатель, трансформатор, отклоняющая система ЭЛТ и т.д.). Выходной сигнал имеет постоянную и переменную составляющие. Для того, чтобы отделить постоянную составляющую от переменной, используются конденсаторы и трансформаторы. Усилители могут состоять из каскадов усиления, т.е. быть многокаскадным.

Классификация: --по типу используемых активных элементов—ламповые, транзисторные, интегральные, комбинированные;

--по роду усиливаемых сигналов—непрерывных и импульсных;

--по ширине полосы частот усиливаемого сигнала—широкополосные и узкополосные. Могут быть УНЧ, УВЧ;

--по режиму работы—линейные и нелинейные;

--по усиливаемым параметрам—усилители тока, напряжения, мощности;

--по виду используемых связей—с реостатно-емкостными, трансформаторными и гальваническими связями.

Могут быть и другие классификации.

Основные технические показатели и характеристики .

Коэффициент усиления. Различают по току, по напряжению, по мощности.

К_U=

(комплексные амплитуды)

Коэффициенты усиления задаются при определенных значениях входного сигнала. При разных величинах входного сигнала они могут отличаться. Зависимость U_вых (U_вх) называется амплитудной характеристикой. Идеальная амплитудная характеристика это прямая линия. реальная—имеет загибы снизу и вверху. С ее помощью можно находить нелинейные искажения.

Амплитудно-частотная характеристика—зависимость м одуля коэффициента усиления от частоты. В области средних (СЧ) частот амплитуда не зависит от частоты. Имеются области нижних и верхних частот, в которых модуль коэффициента усиления понижается в раз.

Фазочастотная характеристика выражает зависимость фазового сдвига между входным и выходным напряжениями на разных частотах.

5.2 Обратная связь в усилителях.

5.2.1 Положительная и отрицательная обратные связи (ОС). Занятие 33.

В оздействие сигнала выходной цепи на входную цепь называется ОС. ОС образует петлю ОС. Для передачи ОС на вход усилителя может использоваться специальное звено с коэффициентом усиления β, который часто называют коэффициентом передачи цепи ОС. ОС называется положительной, если сигнал ОС совпадает по фазе с входным сигналом, отрицательной,— если поступает в противофазе. В этом случае нижний квадрант элемента сложения заштриховывается.

По способу подключения к нагрузке различают ОС по напряжению и ОС по току. При ОС по напряжению цепь ОС включается параллельно нагрузке. При этом напряжение ОС U_ос=βU_вых. При ОС по току цепь ОС включается последовательно с нагрузкой и U_ос=βi_выхZ_ос.

П о способу подключения ко входу усилителя различают последовательную и параллельную ОС. Таким образом, возможно четыре комбинации ОС: по напряжению—последовательная и параллельная; по току—последовательная и параллельная. Наиболее употребительны следующие виды ОС: последовательная ОС по току; последовательная ОС по напряжению; параллельная ОС по напряжению. Параллельная ОС по току неудобна.

5.2.2 Влияние ОС на коэффициент усиления. Занятие 34.

На схемах показана последовательная ОС по току и последовательная ОС по напряжен ию. В обоих случаях на входе усилителя напряжение состоит из двух составляющих U_ВХ и U_ОС, причем U_ОС имеет знак "+" в случае положительной ОС (ПОС) и "—" в случае отрицательной ОС (ООС).

= U_ВХ± U_ОС. 1)

Для обеих схем имеются следующие параметры:

К= -- коэффициент усиления усилителя без учета ОС;

К_ос = -- коэффициент усиления усилителя с учетом ОС;

β= --коэффициент передачи цепи ОС.

Деление правой и левой частей выражения 1) на U_вых дает

= ± , откуда = , = , , откуда

, 2)

где знак "—" соответствует ПОС, а знак "+"ООС.

Последовательная ПОС увеличивает коэффициент усиления усилителя, а последовательная ООС—уменьшает. Вместе с тем ООС увеличивает стабильность усиления при изменении условий работы усилителя (температуры, скачков напряжения, старения элементов и т.д.). Уменьшаются линейные и нелинейные искажения, увеличивается полоса пропускания усилителя. параллельной ОС. Эти замечания справедливы и для параллельной ОС.

Величину А= 1+ βК называют глубиной ООС. При расчетах принимают А= 2…4 . При А< 2 ООС мало влияет на свойства усилителя, при А> 4 сильно уменьшается коэффициент усиления.

5.2.3 Влияние ОС на входное сопротивление. Занятие 35.

Последовательная или параллельная ОС существенно влияет на входное сопротивление усилителя, охваченного ОС.

При последовательной ОС Z_вх.ос = = = =

В связи с тем, что U_ос = βU_{вых =}β К_ос U_вх Z_вх.ос = = , 3)

где К_ос определяется выражением 2).

Из выражения 3) следует, что при положительной ОС уменьшает входное сопро тивление (+в знаменателе), ООС—увеличивает. Стремятся к увеличении. входного сопротивления, т.к. при большем сопротивлении меньше влияния на выходные цепи.

При параллельной ОС входное сопротивление уменьшается из-за параллельного включений сопротивлений (усилителя и ОС).

Кроме специально вводимых ОС в усилителе могут действовать паразитные ОС (межэлектродные, межэлементные, монтажные связи, создаваемые, например, емкостями между проводами). Такие связи могут существенно нарушить работу усилителя, особенно на ВЧ. Для их устранения применяют специальные меры: развязывающие фильтры, уменьшение емкости монтажа и проч.

5.3 Режимы работы усилительного каскада

5.3.1 Режимы работы усилительного каскада (А, В, С). Занятие 36.

Нагрузочная характеристика

В цепь транзистора ( в эмиттерную или коллекторную) включается нагрузка. Наиболее простой случай, когда эта нагрузка активная. При наличии нагрузки напряжение U_кэ не остается постоянным: U_к = U_кэ + I_к R_к

С оотношение показывает, что ток коллектора I_к зависит не только от тока базы, но и от напряжения U_кэ на коллекторном переходе.

I_к = - Uкэ 1)

З ависимость является линейной. Совмещение этой характеристики с выходной характеристикой позволяет построить зависимость I_к(I_б). На выходной характеристике строится прямая АВ, представляющая собой I_к=f(Uкэ) (ХХ).

Точка В соответствует Uкэ=0. В этом случае I_к = . (КЗ).

Точка А соответствует I_к=0. В этом случае U_к =U_кэ. Прямая АВ называется нагрузочной прямой, или выходной нагрузочной характеристикой, или линией нагрузки. По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками можно построить зависимость I_к=f(I_б), позволяющую произвести соответствующий расчет. Эта линия называется динамической переходной характеристикой.

Положение точки В линии нагрузки зависит от R_к. При R_к=0, I_к = . Линия проходит вертикально из точки А. В этом случае динамическая переходная характеристика пройдет выше построенной и будет называться статической переходной характеристикой (Uкэ не меняется).

При R_к= I_к= . При увеличении R_к наклон прямой уменьшается, уменьшается и максимальное значение I_к.

Рабочая точка выбирается на нагрузочной прямой. Возможны три основные области работы транзистора.

Участок МN--активная область. Все линейные усилительные схемы работают в этой области. Транзистор работает при прямом смещении на эмиттерном и обратном смещении на коллекторном переходах. Для малого сигнала дифференциальный коэффициент усиления тока

β= ,

соответствующий наклону динамической переходной характеристики в рабочей точке. Для большого сигнала интегральный коэффициент усиления тока

В≈ ,

соответствующий наклону прямой, проходящей через рабочую точку и начало координат.

Область отсечки—область, лежащая ниже линии I_б = 0, т.е. базовый ток I_б должен быть отрицательным. В этом случае оба перехода транзистора работают при обратном смещении. Обратный ток коллекторного перехода скомпенсирован отрицательным напряжением на базе. Транзистор заперт. В кремниевых транзисторах этот ток практически равен нулю. Поэтому линия I_б = 0 проходит по оси координат. Транзисторы запираются при I_б = 0.

Область насыщения—характеризуется прямым смещением обоих переходов транзистора. Это состояние возникает при увеличении тока базы выше прямой 0М. Ток базы в точке М называется критическим. Для насыщения используют ток базы в К раз больший критического. К называется коэффициентом насыщения. Обычно К=1.5…3.

Области отсечки и насыщения широко используются в импульсной технике, в том числе и в микросхемах. Режимы называют ключевыми. Токи базы выбирают такими, чтобы транзистор переходил из области отсечки в область насыщения и наоборот. Режим работы усилительного каскада в ключевом режиме называется режимом класса D. Важными параметрами ключевого режима являются время нарастания тока коллектора и время рассасывания носителей заряда.

Существует еще три режима работы усилительного каскада: режимы класса А, класса В и класса С.

5.3.2 Режимы работы усилительного каскада (А, В, С). Продолжение. Занятие 37.

В режиме А рабочая точка состояния покоя (постоянного тока коллектора) выбирается в середине линейного участка динамической характеристики (точка А). В этом режиме изменения тока базы передаются в ток коллектора с минимальными нелинейными искажениями. Для создания этого режима на базу должно быть подано постоянное смещение. Независимо от того, подается входной сигнал или нет, ток смещения протекает всегда и усилитель расходует мощность P =I_k0E_K. КПД усилителя в режиме А оказывается менее 25%. Режим используется в при малых мощностях.

В режиме В рабочая точка выбирается вблизи области отсечки. Вследствие этого в двухполярных входных сигналах усиливается только одна полярность входного напряжения. Режим работы активного элемента принято характеризовать углом отсечки.

Под углом отсечк и понимают выраженную в градусах половину части периода входного напряжения, в течение которой в активном элементе протекает ток. В режиме класса В угол отсечки Ѳ= 90⁰. В режиме класса А Ѳ=180⁰. КПД режима может достигать 60…70%. Недостатком режима являются большие нелинейные искажения. Применяются в двухтактных усилителях.

С целью уменьшения нелинейных искажений применяют смешанный режим АВ, при котором 90⁰< Ѳ<180⁰.

В режиме С рабочая точка выбирается в области отсечки! Ѳ<90⁰. Усилитель усиливает только часть входного сигнала, выходящего за область отсечки. Только тогда через него и начинает протекать ток. КПД достигает 85%. Зато большие нелинейные искажения. Применяется в импульсных устройствах и усилителях повышенной мощности.

5.4 Усилители синусоидальных сигналов

5 .4.1 Работа усилителя. Нагрузочная характеристика. Занятие 38.

Изображена нагрузочная характеристика полевого транзистора. По ней построена динамическая входная характеристика, на линейную область которой проецируется синусоидальное входное напряжение. На нагрузочной характеристике строят точки, соответствующие точкам 1…5 входного напряжения. Выходное напряжение построено в четвертом квадранте. Из рисунка видно, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Схема, соответствующая нагрузочной характеристике, показана ниже. На схеме для создания начального с мещения во входную цепь включен источник напряжения U_зи. На входе усилителя действует синусоидальное переменное напряжение U_вх . При отсутствии переменного сигнала в цепи стока протекает ток I_ст0, соответствующий точке А входной характеристики. На сопротивлении R_С создается падение напряжения U_Rc= I_ст0R_c.. На транзисторе падает напряжение U_си0=Е_с-I_ст0R_c.

При увеличении входного напряжения (точка 2) выходное напряжение уменьшается, при уменьшении (точка 4)—увеличивается. За счет источника Е_с на выходе транзистора входное напряжение усиливается. Усиление зависит не только от характеристик транзистора, но и от сопротивления R_С. Конденсатор С не позволяет поступать на выход усилителя постоянной составляющей. Емкость его должна быть достаточной, чтобы на нем падала малая часть переменного напряжения.

Подобный усилитель можно создать и на биполярном транзисторе.

5.4.2 Усилительные каскады на биполярных транзисторах. Занятие 39.

Смещение тока базы можно создать не специальным источником напряжения, а за счет токов, протекающих в цепи коллектора или эмиттера. В зависимости от способа смещения эмиттерного перехода различают: а) усилители с фиксированным током базы; б) усилители с фиксированным напряжением база-эмиттер; в) усилители со смещением за счет ОС.

Во всех случаях необходимо определить статический ток базы, как это делалось до сих пор, т.е. построить нагрузочную характеристику в соответствии с выражением

U_кэ = E -I_к R_к,

выбрать точку А на линейном участке динамической входной характеристики и перейти к расчету схемы.

1. Схема а). В статическом режиме ток базы зависит от резистора R_б и определяется выражением

I_б0 = ≈ , откуда можно определить ток базы I_б.

2. Схема б). С помощью делителя R₁ R₂ на базу можно подать постоянное напряжение U_R2= I_д R₂=U_бэ0 , где I_д—ток делителя. Зная ток делителя, легко определить R₂ и R₁. Для маломощных усилителей выбирают I_д= (5…10)I_б0, для мощных каскадов I_д= (2…5)I_б0.

Схемы а) и б) имеют крупный недостаток: любое изменение I_б0 (например, при изменении температуры) вызывает изменение режима работы усилителя (изменение тока коллектора и эмиттера), т.е. изменение статического режима.

3.Схема в). Схема в) отличается от схемы б) сопротивлением R_э в цепи эмиттера, которое создает последовательную ООС по току. Сопротивление R_э, в основном, служит для уменьшения температурной нестабильности и для смещения базы относительно эмиттера.

Напряжение U_бэ= U_R2 - U_RЭ = U_R2- I_ЭRэ.

При увеличении температуры ток I_Э растет. Растет и падение напряжения I_ЭRэ. U_бэ убывает, что ведет к уменьшению токов транзистора. Таким образом осуществляется ОС по току: ток эмиттера вызывает падение напряжения на R_э, которое складывается (вычитается) с напряжением на сопротивлении R₂ (последовательная ОС). Так как напряжение вычитается, ОС получается отрицательной—последовательная ООС по току. Температурное изменение токов транзистора компенсируется изменением смещения базы за счет ООС.

Схема может иметь разновидности. В частности, может отсутствовать делитель R₁ R₂ фиксированной подачи напряжения на базу. Смещение за счет тока R_Э может передаваться на базу через выходное сопротивление предыдущего каскада.

При расчетах принимают U_RЭ= (0,1…0,2)Е.

R_Э = .

I_Э0 выбирается по нагрузочной характеристике.

R₂=

R₂ = = .

Вид стабилизации называется эмиттерной стабилизацией. Чаще всего производится температурная компенсация.

Иногда используется коллекторная стабилизация, при которой используется ОС по напряжению на сопротивлении в цепи коллектора.

5.4.3 Усилительные каскады на полевых транзисторах. Занятие 40.

Для автоматического смещения в цепь истока ПТ включают резистор R_и. Ток стока создает на нем падение напряжения

U_RИ = I_СR_И.

В результате напряжение стока относительно корпуса увеличивается на эту величину. Напряжение между затвором и истоком оказывается равным

U_ЗИ =U_З – U_И = U_З - U_RИ= U_З - I_СR_И, т.е напряжение на резисторе R_и за счет тока стока транзистора создает смещение напряжения затвора. Чем больше ток транзистора, тем больше смещение. Резистор R_и называется резистором автоматического смещения. В режиме покоя ток стока I_C0, U_ЗИ0 определяются по нагрузочной характеристике ПТ. Сопротивление R_{и = .}

Обычно напряжение смещения подают на затвор через резистор R_З , который можно считать входным сопротивлением усилителя .

Сопротивление R_и создает в усилителе параллельную ООС по току. Этим стабилизируется режим работы и коэффициент усиления.

В усилителях на МДП-транзисторах с индуцированным каналом создание смещения за счет сопротивления в цепи истока нецелесообразно. Смещение создается с помощью делителя R1- R2. Сопротивления выбирают исходя из следующих факторов: а) необходимое напряжение смещения (по нагрузочной диаграмме); б) допускаемое входное сопротивление усилителя.

5.4.4 Динамические режимы усилителей. Повторители напряжения. Занятие 41.

Динамические режимы это режимы с достаточно быстро изменяющимися значениями в ходных и выходных величин. Для динамических режимов рассмотренные ранее схемы несколько видоизменяются. В схему вставляют конденсаторы, назначение которых показано ниже.

Усилитель используется для работы с переменными напряжениями. Конденсаторы С_р1 и С_р2 не пропускают на вход усилителя и на выход его постоянную составляющую. Поэтому они называются разделительными. Разделительные конденсаторы должны пропускать переменное напряжение почти без потерь. Сопротивление конденсатора Х_С = где ω –круговая частота самой низкой гармоники усиливаемого сигнала. Емкости конденсаторов выбирают, исходя из следующих требований:

R_З= (20…30)Х_Ср1= (20…30) ; значит, С_Р1 = .

Точно так же С_Р2 = ,

С_Р2 = .

Сопротивление переменной составляющей в цепи стока в 20… 30 раз ниже сопротивления постоянной составляющей. ОС по переменному току практически отсутствует, тогда как по постоянному действует в полном объеме. R_И и С_И называются элементами автоматического смещения. Выбор рабочей точки динамической характеристики показан в предыдущих разделах.

Повторители напряжения передают входной сигнал без усиления по напряжению, вых одной сигнал совпадает по фазе с входным. Различают эмиттерные и истоковые повторители. Напряжение на нагрузку поступает с резистора, установленного в цепи эмиттера или истока. Это же напряжение подается на базу (или затвор). При этом возникает 100% параллельная ООС по напряжению (все напряжение подается на ОС). Вследствие этого коэффициент передачи цепи ОС β = 1 и коэффициент усиления по напряжению К_ОС = = < 1, повторители не усиливают напряжения. Важными качествами, из-за которых они широко применяются, являются следующие.

1. Входное сопротивление имеют весьма высокие значения. Это качество используется для того, чтобы не нагружать предыдущую схему.

2. Выходное сопротивление имеет достаточно малое значение и практически не зависит от сопротивления нагрузки. Это качество используется для согласования каскадов, один из которых имеет высокое выходное сопротивление, другой-- малое входное сопротивление.

3. Коэффициент усиления по току достигает больших величин. При коэффициенте усиления по напряжению близким к единице повторители обладают большим значением коэффициента усиления по мощности и могут применяться как усилители мощности.

5.5 Многокаскадные усилители.

5.5.1 Соединение усилителей. Занятие 42.

Усилители разделяют на каскады. Каскады предварительного усиления обеспечивают усиление входных сигналов до уровня, достаточного для работы последующих каскадов, и так вплоть до усилителей мощности. Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, трансформаторы) подбирают так. чтобы они обеспечивали максимальный коэффициент усиления по напряжению. Поэтому транзисторы включают по схеме с ОЭ. Если намеченный коэффициент усиления не получается, используют несколько каскадов, включенных последовательно. Первый каскад, как правило, должен иметь фильтрующее звено и экранирование проводов, препятствующее воздействию внешних электромагнитных полей. Элементы связи между каскадами оказывают сильное влияние на частотные характеристики усилителей.

Непосредственная связь наиболее проста, экономична, надежна, обеспечивает широкий диапазон частот и минимальный уровень искажений. Недостатком является то, что одинаково эффективно передает как рабочие частоты, так и паразитные.

Резисторно-конденсаторная связь отличается наличием конденсатора между каскадами. Этот вид связи возможен только по переменному току, прост, надежен, имеет малые габаритные размеры. Однако невозможна передача низких частот (высоко емкостное сопротивление) и высоких частот (возрастают утечки емкости монтажа).

Дроссельно-конденсаторная связь и трансформаторная связь отличаются наличием индуктивности (дросселя или первичной катушки трансформатора) в цепи эмиттера. Роль дросселя могут играть обмотки реле или электродвигателя. Это позволяет повысить КПД усилителя, понизить напряжение источника питания.

Чтобы уменьшить число каскадов, применяют составные транзисторы. Схема Дарл ингтона ( а) имеет коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления обоих транзисторов, входное сопротивление значительно больше суммы сопротивлений одиночных транзисторов, выходное сопротивление меньше выходного сопротивления любого из транзисторов. Схему рассматривают как один транзистор и включают по схеме с ОЭ. Мощность нагрузки определяется транзистором VT2 , а частотные свойства относительно малым транзистором VT1.

Второй часто применяемый вариант составного транзистора—транзистор с дополнительной симметрией (б) выполнен на комплементарных транзисторах. Схема подобна эмиттерному повторителю: она не инвертирует входное напряжение, имеет большое входное сопротивление и малое выходное.

Занятие 43. Лабораторная работа№6. Исследование двухкаскадного усилителя с RC-связью.

5.6 Усилители мощности

5.6.1 Однотактные усилители мощности (УМ). Занятие 44.

УМ являются выходными каскадами и служат для передачи мощности. Основными параметрами являются: выходная мощность, КПД, коэффициент гармоник. При высокоомных с опротивлениях они выполняются и рассчитываются по обычной схеме усилителя напряжения с ОЭ. При низкоомных нагрузках для увеличения КПД УМ выполняются по трансформаторной схеме. Первичная обмотка трансформатора по постоянному току имеет малое сопротивление. Нагрузочная характеристика проходит почти вертикально. Это приводит к тому, что ток коллектора имеет большое значение при малом размахе напряжения U_кэ. При числе витков w₂ вторичной обмотки, меньшем числа витков w₁ первичной обмотки можно получить достаточно большой ток через низкоомную нагрузку.

Достоинством трансформаторного каскада является высокий КПД, который может достигать 50%. Его достоинствами так же является возможность изменения фазы выходного сигнала (переключить обмотки трансформатора) и возможность использования низкого напряжения питания (малое напряжение U_кэ).

Недостатки: значительные размеры и масса; высокая зависимость параметров от частоты сигнала; появление дополнительных гармоник.

5.6.2 Двухтактные усилители мощности. Занятие 45.

Д вухтактные УМ могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

В трансформаторном УМ входное переменное напряжение U_вх передается через трансформатор на базы транзисторов. Вследствие того, что трансформатор обеспечивает противоположные фазы напряжения на базах транзисторов, они работают попеременно, каждый в течение одного полупериода входного напряжения Транзисторы должны работать в режиме В. Тогда КПД усилителя будет максимальным. Однако вследствие нелинейности входных характеристик транзисторов появляются значительные нелинейные искажения. Чтобы уменьшить их, используют режим АВ. Для этого необходимо сместить напряжения баз (по постоянному току) относительно напряжения эмиттера. Такое смещение осуществляется разными способами, например, установкой диода (как показано на схеме) или с помощью делителя. На схеме небольшое напряжение, возникающее на p-n переходе диода (около 0,4В), через обмотки трансформатора подается на базы. Чтобы исключить это смещение для переменных составляющих, диод (или сопротивление в делителе) шунтируют емкостью.

Двухтактным трансформаторным усилителям так же, как однотактным, присущи общие недостатки: значительные размеры и масса; зависимость от частоты усиливаемого сигнала; чувствительность к магнитным полям.

Ш ирокое применение получили бестрансформаторные двухтактные УМ. Наиболее удобно применять бестрансформаторные УМ с двумя источниками питания. В этом случае УМ можно представить как два УМ, совмещенных друг с другом. Чтобы в каждом полупериоде работала своя часть схемы, используются комплементарные транзисторы с одинаковыми , но "противоположными " характеристиками: на положительной полуволне работает VT2, на отрицательной-- VT1. Токи обоих транзисторов протекают по нагрузке R_н.

Недостатком такого усилителя является а) необходимость двух источников питания; б) сложность подбора двух совершенно одинаковых транзисторов с противоположным типом проводимости.

5.7 Усилители постоянного тока

5.7.1 Общие сведения. Занятие 46.

Название УПТ довольно неточно, т.к. они довольно хорошо работают и для усиления переменных величин. Разница состоит в отсутствии конденсаторов или трансформаторов в цепях связи между каскадами. Последние создают искажения, связанные с тем, что они по-разному работают на разных частотах. Отсутствие разделительных конденсаторов и трансформаторов улучшает частотные характеристики и исключает фазовый сдвиг между входными и выходными сигналами. Связи создаются за счет непосредственных соединений или сопротивлений. Поэтому правильнее называть такие усилители усилителями с гальваническими связями (УГС).

УГС находят применение в источниках питания (в частности, в стабилизаторах напряжения и тока, в которых переменная составляющая должна быть мала), в логических элементах и вычислительных устройствах, в системах автоматики. В связи с широким внедрением и нтегральной технологии появилась возможность использовать УГС в радиотехнических устройствах (УНЧ, УВЧ, широкополосных усилителях и т.д.). Интегральные УПТ имеют очень высокие параметры, которые невозможно получить "навесным" монтажом.

Наиболее широкое использование имеют УГС прямого усиления, т.к. просты в изготовлении и наладке. Они выполняются в виде усилителей с непосредственными связями или с потенциометрическими связями.

В усилителе с непосредственными связями увеличение числа каскадов не приводит большому увеличению коэффициента усиления. Это связано с тем, что каждый последующий каскад усиливает большую мощность (ток или напряжение). Даже при уменьшении R_Э каждого последующего каскада в нем увеличивается ООС, которая ведет к уменьшению коэффициента усиления.

В усилителях с потенциометрическими связями (вместо непосредственной связи—резисторы) удается получить одинаковые коэффициенты усиления каскадов, но приходится вводить дополнительные элементы.

5.7.2 Дрейф нуля и борьба с ним. Занятие 47.

Отсутствие разделительных конденсаторов между каскадами приводит к тому, что любое изменение постоянной составляющей тока (напряжения) в предыдущем каскаде усиливается последующим каскадом. Этот усиленный сигнал воспринимается как полезный сигнал. Явление называется дрейфом нуля. Если на вход усилителя подать полезный сигнал, равный нулю (закоротить вход усилителя с корпусом), за счет дрейфа нуля на выходе будет сигнал, соответствующий некоторому полезному сигналу! Наибольшее влияние на дрейф нуля оказывает первый каскад, так как его выход подается на последующие каскады и максимально усиливается. Основные причины, вызывающие дрейф нуля:

-изменение температуры окружающей среды;

-изменение состояния окружающей среды, в основном, влажности;

-нестабильность напряжения источника питания;

-старение элементов усилителя, изменение их номиналов;

-шумы, возникающие в элементах (в основном—активных) усилителя. Шумы это результат спонтанного изменения тока в связи с неучитываемыми воздействиями на элементы усилителя.

Для учета величины дрейфа его приводят ко входу усилителя, т.е. напряжение, возникающее за счет дрейфа на выходе усилителя, делят на коэффициент усиления (даже если основная составляющая дрейфа возникает в промежуточном каскаде).

У биполярных транзисторов дрейф больше, чем у полевых, у кремниевых биполярных транзисторов дрейф ниже, чем у германиевых.

Приведенный дрейф нуля по напряжению для одиночных каскадов кремниевых транзисторов составляет 2..8 ; германиевых---20…30 в то время как для полевых транзисторов он составляет 3…4 .

Дрейф нуля можно уменьшить следующими мерами:

-стабилизацией источников питания;

-термостатированием усилителей;

-применением термокомпенсации;

-применением ОС по постоянному току;

-использованием баллансных схем.

5.8 Операционные усилители (ОУ)

5.8.1 Структура и основные параметры ОУ. Занятие 48.

ОУ были разработаны в 50-х годах прошлого века для выполнения некоторых математических операций (сложение, вычитание, умножение, интегрирование и др.) в аналоговых ЭВМ. При выполнении подобных операций в настоящее время аналоговые элементы полностью вытеснены логическими цифровыми элементами. Но применение их перешло в другие сферы автоматики: датчики, измерительные приборы, усиление слабых сигналов и т.д. ОУ выпускаются промышленностью в виде ИС. Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель б), для изучения которого удобно предварительно рассмотреть параллельный балансный усилитель а).

В балансном усилителе имеется два совершенно одинаковых каскада, на базы которых подается входное напряжение. Транзисторы и резисторы R_к1 и R_к2 составляют мост. Выходное напряжение можно снимать с диагонали моста. Оба эмиттера имеют общий резистор R_Э.

П ри подаче U_вх напряжения баз становятся равными ± . Такой сигнал называется парафазным (противоположные фазы). Ток одного каскада увеличивается, другого – на столько же уменьшается. Ток через сопротивление R_Э не изменяется, т.е. для парафазного напряжения R_Э не является сопротивлением ОС. При U_вх=0 U_вых =0. Коэффициент усиления усилителя параллельного баланса такой же, как коэффициент усиления одного каскада.

При подаче на оба входа разных сигналов U_вх1 и U_вх2 усилитель превращается в дифференциальный. При U_вх1=+ , а U_вх2=- (парафазное напряжение), усилитель работает как балансный, ток через резистор R_Э. остается постоянным, резистор не является резистором ОС. В дифференциальном усилителе входные сигналы могут отличаться и тогда выходной сигнал пропорционален разности входных напряжений. Например, при U_вх1= U_вх2 (синфазное напряжение) каждое плечо создает свой ток через R_Э, напряжение на нем равно двум напряжениям от одного плеча, ООС удваивается. Выходное напряжение равно нулю. Это качество широко используется для подавления помех, которые являются синфазными, в то время как полезные сигналы на обоих входах могут отличаться. В любом случае для подавления помех необходим минимальный коэффициент усиления синфазного сигнала, что достигается увеличением R_Э. Получается, что для уменьшения синфазного сигнала необходимо увеличение R_Э, а для усиления парафазного сигнала—уменьшение R_Э.Для достижения таких противоречивых качеств используют или генераторы стабильного тока или токовые зеркала: если ток в R_Э стабильный, это значит, что любое изменение напряжения вызывает очень малое изменение тока. Тогда в динамическом режиме (ΔI→0)

R_Э= →∞.

В статическом режиме сопротивление определяется стабильным током и может быть как угодно малым.

Реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах почти невозможно. А в интегральном исполнении за счет стабильности и высокой идентичности элементов ОУ выпускаются серийно.

ОУ обычно имеют два входа и один выход (иногда два—прямой и инверсный) и включают несколько каскадов усиления, обеспечивающих коэффициент усиления напряжения от единиц до десятков тысяч. Обозначение ОУ в схемах таково.

В состав ОУ обычно входит каскад сдвига уровня напряжения, позволяющий получить на выходе нулевое напряжение при отсутствии напряжения на входе (исключает постоянную составляющую).

Выходной каскад для лучшего согласования с нагрузкой имеет малое выходное сопротивление. Часто в нём предусмотрена защита от перегрузок путем ограничения максимального тока выходных транзисторов. Необходимо показать двухтактный выходной каскад!

Наиболее употребительными параметрами являются:

-коэффициент усиления дифференциального (разностного) сигнала;

-коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазных входных напряжений;

-напряжение смещения—значение напряжения на входе ОУ, при котором напряжение на выходе равно нулю;

-входные токи I_вх1, I_вх2 и разность входных токов ΔI= I_вх1- I_вх2;

-потребляемые токи, входные и выходные сопротивления и проч.

5.8.2 Усилители постоянного и медленно меняющегося напряжения. Занятие 49.

Н есмотря на то, что дрейф нуля современных усилителей с гальваническими связями может достигать нескольких мкВ/град, они непригодны для усиления напряжений, соизмеримых с мкВ. Для усиления таких напряжений их модулируют переменным напряжением, для которого не может быть дрейфа, усиливают переменное напряжение, затем осуществляют синхронное детектирование, выделяя постоянную составляющую, которая и представляет усиленный сигнал. Структурная схема и графики, поясняющие работу схемы подобного устройства, изображены ниже.

На модулятор М поступают входной сигнал и опорная частота от ГОИ. На выходе модулятора –промодулированное по амплитуде напряжение U_М. Частота усиливается усилителем У. Так как на вход усилителя поступает переменное напряжение дрейф нуля не сказывается (он может только " сдвинуть" выходное напряжение на величину дрейфа). На демодуляторе происходит синхронное детектирование; полярность выходного напряжения определяется полярностью сигнала. Фильтр низкой частоты выделяет огибающую усиленного сигнала.

Для получения малых искажений частота усиливаемого сигнала должна быть меньше опорной частоты в 10 и более раз. Следовательно, устройство работает в достаточно узкой полосе частот, что является недостатком.

Такие устройства часто называют М-ДМ.

8.3 Применение ОУ. Занятие 50.

Вследствие невысокой цены ОУ широко применяются в разных областях аналоговой и импульсной техники. Напряжение выхода зависит от напряжения питания. Обычно к ОУ подключают два источника питания: +U_пит и - U_пит . Эти напряжения могут быть в пределах значения от 3В до ±15В. Однако могут быть и другие напряжения, в том числе и 0. ОУ имеют а) очень высокие входные сопротивления (Мом и более), поэтому входными токами можно пренебречь, т.е. ОУ усиливают напряжения; б) ОУ имеют очень высокие коэффициенты усиления (1000 и более, что можно считать ∞). Поэтому входной сигнал усиливается в ∞ раз. Так как выходной сигнал не может быть больше, чем напряжение питания, то он изменяется скачком до напряжения питания.

1 Компаратор. При подключении ОУ без добавочных элементов, т.к. он представляет собой дифференциальный усилитель, на выходе возникает напряжение U_вых = (U_вх1 - U_вх2)K, где К—коэффициент усиления. Если напряжение на прямом входе больше, чем на инверсном, на выходе будет значение положительного источника питания, меньше—отрицательного. Устройство позволяет сравнивать два сигнала. Такие устройства называются компараторами. Компараторы выпускаются промышленностью в виде специальных микросхем, а изображенный выше почти не применяют. Это связано с тем, что при равенстве входных сигналов выходное напряжение постоянно будет изменяться от максимального к минимальному и наоборот, так как входные напряжения не могут быть идеально постоянными. Для работы компаратора он должен обладать зоной нечувствительности при нулевом напряжении на выходе (гистерезис). Компаратор переключится на противоположное напряжение лишь после того, как разница между входными сигналами будет больше напряжения гистерезиса. Гистерезис создается с помощью ОС, которые и выполнены в промышленном компараторе. Способ создания гистерезиса за счет ОС показан на примере триггера Шмитта (ТШ).

2 ТШ (если позволяет время). Подача выходного напряжения на вход позволяет создать зависимость работы усилителя от выходного сигнала. Такое соединение называется ОС. Если выход подключен к неинвертирующему входу, ОС называется положительной (ПОС), к инвертирующему—отрицательной (ООС). В показанном случае используется ПОС, на неинвертирующий вход подается напряжение с делителя R₁R₂, равное U_вых . Если напряжение на инвертирующем входе положительно и больше напряжения на неинвертирующем входе, U_вых<0, равное напряжению отрицательного источника питания. На неинвертирующий вход подается отрицательное напряжение, соответствующее 1). При уменьшении U_вх уменьшается и напряжение, поданное на неинвертирующий вход, но U_вых<0 и неизменно. Как только выполнится условие U_вх < U_вых (2), выходное напряжение изменит полярность и станет равным напряжению положительного источника питания. Теперь напряжение на прямом входе станет положительным и соответствующим выражению 1).Чтобы изменилась полярность выходного напряжения (на отрицательное), необходимо выполнение условия U_вх > U_вых . Таким образом, путем введения ПОС усилитель получил зону U_вх =2 U_вых , так называемый порог чувствительности или гистерезис, в которой выходная величина не изменяется, пока входной сигнал не выйдет за порог этой зоны (то, что необходимо в компараторе).

Устройства, срабатывающие при изменении входной величины после превышения ею величины порога, называются пороговыми элементами или ТШ.

3 Усилитель получается при использовании ООС. При использовании ООС проявляется интересное качество: при подаче U_вх на выходе напряжение U_вых изменяется до тех пор, пока напряжения на обоих входах усилителя станут равными! Это объясняется именно огромным коэффициентом усиления и большим быстродействием ОУ без ОС: как только выходное напряжение станет таким, что на инверсном входе напряжение уравняется с напряжением на прямом входе, U_вых поменяет полярность и станет изменяться в противоположную сторону. Так как на инверсный вход подается напряжение с делителя, то U_вх = U_вых . Коэффициентом усиления усилителя с ООС является К= = (больше единицы).

4 Повторитель. Если U_вых подать на инвертирующий вход непосредственно (без делителя) выходное напряжение станет равным входному. Такое устройство используется для усиления мощности без изменения напряжения.

5 Инвертирующий усилитель получается так же при использовании ООС. Входной сигнал подается на инверсный вход, прямой вход подключается к корпусу. Так как напряжение на прямом входе равно нулю, то и на инверсном равно нулю. Ранее было принято, что I_вх=0 (R_вх =∞), т.е. I₁ = I₂ .

I₁= ; I_{2= - ; -}

К оэффициент усиления инвертирующего усилителя К_и = = - . Знак "-" говорит о том, что полярность выходного напряжения противоположна полярности входного напряжения. К_и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ, а зависит только от . Входное сопротивление такого усилителя равно R₁ (так как напряжение точки А равно нулю).

В реальных схемах I_вх≠ 0. Чтобы уравнять потенциалы входов, схему дополняют еще одним сопротивлением (R₃).

На основе таких схем можно создать суммирующий усилитель. Для этого параллельно входу I₁ нужно подключить несколько источников сигнала через свои сопротивления. Если входные сопротивления R₁ будут одинаковыми, на выходе ОУ будет отрицательное напряжение, равное сумме входных напряжений с масштабным множителем . При разных сопротивлениях R₁ множители определяются подобным образом для каждого входа.

6 Вычитающий усилитель. Можно построить сочетание инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Если в таком усилителе R₁ =R_3, R₂ = R₄,

U =(U_вх2 - U_вх1 ) .