Усилители

ВВЕДЕНИЕ

Техническая электроника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического управления и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Большинство пассивных датчиков обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны входные сигналы стандартных устройств обработки данных и исполнительных устройств, таких как аналого-цифровые преобразователи, частотные модуляторы, двигатели и т.п. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения датчиков к таким устройствам требуются промежуточные усилители электрических сигналов. Существуют несколько стандартных схем усилителей, реализованных на дискретных компонентах: транзисторах, резисторах, конденсаторах и катушках индуктивности. Но в настоящее время чаще всего используются усилители, построенные на основе операционных усилителей и пассивных дискретных компонентах.

Современные системы управления, электросвязи и обработки данных имеют множество применений, в которых требуются стабильные периодические сигналы. Поэтому схемы генерации, синхронизации и синтеза частот занимают одно из основных мест в этих системах.

Целью данных методических рекомендаций является ознакомление читателя с принципом действия и основами расчета усилителей и генераторов. Методические рекомендации можно рассматривать как часть курса лекций по дисциплине “Электротехника и электроника”, который читается кафедрой ФН-7 МГТУ им. Н.Э. Баумана студентам факультетов СМ, Э, РК, МТ и ИБМ.

УСИЛИТЕЛИ

Усилителем называют устройство для увеличения напряжения, тока или мощности электрического сигнала [1, 2]. Усилитель, рис. 1, имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал подается в нагрузку.

Основными параметрами усилителя являются коэффициенты усиления по напряжению , току и мощности .

Здесь U, I – действующие значения напряжения и тока.

Рис. 1. Входные и выходные цепи усилителя.

Для усилителя возможны различные значения коэффициентов усиления, но принципиально важно то, что коэффициент усиления по мощности больше единицы.

К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному.

Схемы усилителей отличаются числом и режимом работы транзисторов. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же. Покажем его на примере структурной схемы, рис. 2, действительной для усилительных каскадов на одном транзисторе [1].

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функции которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с источником постоянного напряжения Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

При подаче на управляемый элемент напряжения входного сигнала в токе выходной цепи создается переменная составляющая, вследствие чего на управляющем элементе образуется аналогичная составляющая напряжения, превышающая переменную составляющую напряжения на входе.

Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i _вых в выходной цепи является однонаправленным, рис. 2. При этом ток и напряжение выходной цепи следует рассматривать как сумму переменных составляющих, накладывающихся на их постоянные составляющие I _{вых п} и U _{вых п}. Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих, т.е. I _{вых п} ≥ I _m, U _{вых п} ≥ U _m.

Рис. 2. Принцип построения и временные диаграммы усилительного каскада.

Если эти условия не будут выполняться, ток i _вых в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала.

Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I _{вых п} и напряжения U _{вых п}. Эту задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U _{вх п}.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи (I _{вх п}, U _{вх п}) и по выходной цепи (I _{вых п}, U _{вых п}) характеризуют состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

1.1. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, играющего роль управляющего элемента [3]. Наибольшее применение нашел способ включения по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим особенности усилительных каскадов с ОЭ на примере схемы рис. 3 [1].

Усилитель реализован на транзисторе n – p – n типа. Резисторы R ₁ и R ₂ используются для установки режима покоя каскада. Резистор R ₁ предназначен для создания цепи протекания тока покоя базы транзистора I _{б п}. Совместно с R ₂ резистор R ₁ обеспечивает исходное напряжение на базе U _{б п}.

Конденсаторы С _р1 и С _р2 являются разделительными. Конденсатор С _р1 исключает шунтирование входной цепи каскада, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи E _к - R ₁ - R _г и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе в режиме покоя от внутреннего сопротивления этого источника R _г. Функция конденсатора С _р2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей тока и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы R _э1 и R _э2, включенные по постоянному току последовательно, R _э = R _э1 + R _э2 являются элементами отрицательной обратной связи и служат для стабилизации режима покоя при изменении температуры. В некоторых вариантах выполнения каскадов с ОЭ резистор R _э1 отсутствует, однако его наличие придает схеме ряд достоинств, в частности, повышает входное сопротивление со стороны базы по переменному току и обеспечивает предсказуемый коэффициент усиления по напряжению всего каскада.

Рис. 3. Усилитель с общим эмиттером.

Конденсатор С _э шунтирует резистор R _э2 по переменному току, ослабляя (а в случае R _э1 = 0 и исключая) проявление отрицательной обратной связи по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С _э приводит к уменьшению коэффициентов усиления каскада.

Анализ работы каскада проведем графоаналитическим методом. На выходных статических характеристиках транзистора, рис. 4, проводят линию нагрузки каскада по постоянному току (а – б), представляющую собой геометрическое место точек, координаты U _кэ и I _к которых соответствуют возможным значениям точки покоя. Аналитическую зависимость линии нагрузки находят, записав второй закон Кирхгофа для выходной цепи:

(1)

Поскольку коэффициент α близок к единице, без особой погрешности можно записать

(2)

где - сопротивление каскада по постоянному току.

Выражение (2) является уравнением прямой. В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка “а”) и короткого замыкания (точка “б”) выходной цепи каскада. Для точки “а” I _{к п} =0, U _{кэ п}= E _к и для точки “б” U _{кэ п}=0, I _{к п} = E _к/(R _к+ R _э)= E _к/ R ₌. Наклон линии нагрузки по постоянному току определяется величиной R ₌.

Выбрав по входной (базовой) характеристике транзистора необходимое значение тока базы покоя I _{б п}, определим тем самым координаты точки П' - пересечения соответствующей выходной характеристики при I _б = I _{б п} с линией нагрузки каскада по постоянному току.

Обычно точка покоя П' располагается приблизительно посередине между точками “а” и “б” линии нагрузки. При этом напряжение на коллекторе транзистора в режиме покоя равно примерно половине питающего напряжения E _к, т.е. U _{к п}≈ E _к/2.

Для определения переменных составляющих выходного напряжения используют линию нагрузки каскада по переменному току. Необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора приближенно равно R _э1, так как резистор R _э2 шунтируется конденсатором С _э. Сопротивление коллекторной цепи по переменному току также будет меньше R _к. Действительно, коллекторное сопротивление R _к через разделительный конденсатор С _р2 соединено с нагрузкой. Считая малыми емкостное сопротивление разделительного конденсатора и внутреннее источника питания E _к, можно утверждать, что сопротивление со стороны коллектора по переменному току R _{к ~} определяется сопротивлениями резисторов R _к и R _н, включенных параллельно.

(3)

Суммарное сопротивление выходной цепи усилителя по переменному току с учетом сделанных замечаний будет R _~ = R _{к ~}+ R _э1. Поскольку при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянной и переменной составляющей, линия нагрузки по переменному току (в – г), рис. 4, также проходит через точку покоя П'. Наклон ее будет больше, чем линии нагрузки по постоянному току, т.к. он определяется величиной R _~, а она меньше R ₌.

Для анализа каскада в режиме усиления удобно построить переходную характеристику усилителя, рис. 4. Она может быть легко получена по точкам пересечения линии нагрузки по переменному току с выходными характеристиками транзистора.

При подаче на вход каскада напряжения u _вх(t) происходит перемещение рабочей точки по входной характеристике. Проецируя перемещение рабочей точки сначала на переходную, а затем и на выходные характеристики, получаем переменную составляющую усиленного напряжения u _кэ(t), которая практически равна выходному напряжению каскада. При этом фаза выходного напряжения каскада с ОЭ противоположна фазе входного сигнала.

Рис. 4. Графоаналитический метод расчета усилителя с общим эмиттером.

Проведенные на рис. 4 геометрические построения показывают, что коэффициент усиления каскада по напряжению K _U напрямую связан с наклоном линии нагрузки по переменному току. Теоретически коэффициент усиления можно приближенно определить по выражению

(4)

где определяется по формуле (3).

Основными характеристиками каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя показан на рис. 5.

Рис. 5. Амплитудная характеристика усилителя.

Линейная зависимость между U _вх и U _вых (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока рабочая точка перемещается относительно точки покоя П по линейному участку переходной характеристики усилителя, рис. 4. На участке 2-3 пропорциональная зависимость нарушается. Причиной является ограничение напряжения одной или обеих полуволн выходного напряжения на неизменном уровне. Ограничение напряжения одной из полуволн обусловливается перемещением рабочей точки вдоль линии нагрузки по переменному току в область начальных участков коллекторных характеристик, а другой полуволны – перемещением рабочей точки в область отсечки коллекторного тока.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления K _U от частоты усиливаемого сигнала при неизменном входном сигнале. Типовая АЧХ усилителя с общим эмиттером и разделительными конденсаторами изображена на рис. 6.

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Нелинейность АЧХ обусловлена наличием в схеме усилителя элементов, параметры которых зависят от частоты. В диапазоне средних частот коэффициент усиления K _U0 практически неизменен. По мере снижения частоты начинает сказываться увеличение емкостного сопротивления

разделительных конденсаторов.

Вследствие увеличения падения напряжения на конденсаторе С _р1 уменьшается напряжение сигнала, поступающего на базу транзистора от источника входного сигнала. Кроме этого на нагрузку приходит меньший сигнал из-за увеличения падения напряжения в С _р2.

Необходимо отметить, что на коэффициент усиления в области низких частот оказывает влияние также конденсатор С _э. При снижении частоты шунтирующее действие этого конденсатора ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной связи по переменному току и снижению коэффициента усиления каскада.

Уменьшение коэффициента усиления на высоких частотах обусловлено снижением коэффициента усиления транзистора β, наличием межэлектродных емкостей транзистора, влияние которых заключается в шунтировании соответствующих p-n переходов тем больше, чем выше частота усиливаемого сигнала.

Диапазон частот, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называют полосой пропускания. Различают нижнюю f _н и верхнюю f _в граничные частоты полосы пропускания, на которых коэффициент усиления падает в раз. При расчете усилителя выбор конденсаторов С _р1, С _р2 и С _э производится таким образом, чтобы их емкостное сопротивление в диапазоне частот полосы пропускания было мало и падением напряжения на них можно было пренебречь.

На практике ни один усилитель не используется без обратной связи. Под обратной связью понимается передача части электрического сигнала из выходной цепи во входную. В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь (ООС), которая позволяет улучшить многие характеристики усилителей. Несмотря на снижение общего коэффициента усиления введение ООС (или увеличение ее глубины) делает усилитель более стабильным, расширяет его полосу пропускания и линейный участок амплитудной характеристики, рис. 7.

В исследуемом усилительном каскаде, рис. 3 применена отрицательная обратная связь по току эмиттера, а резисторы R _э1 и R _э2 являются элементами цепи обратной связи. В данном случае обратная связь необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация.

Рис. 7. Влияние ООС на характеристики усилителя.

Температурная зависимость параметров режима покоя обусловлена зависимостью коллекторного тока покоя I _{к п} от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I _{к п} его температурные изменения вызывают смещение режима работы каскада в нелинейную область характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток I _{к п} нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 3. Предположим, что под влиянием температуры ток I _{к п}↑ увеличивается. Это вызывает увеличение тока I _{э п}↑ и повышение напряжения U _{э п}↑ = I _{э п}↑ (R _э1 + R _э2) = I _{э п}↑ R _э. При неизменном напряжении на базе U _{б п}= const напряжение между базой и эмиттером U _{бэ п}↓ = U _{б п} - U _{э п}↑ снижается. С уменьшением U _{бэ п}↓ снижается ток I _{б п}↓, но так как I _{к п} = β · I _{б п}, то происходит уменьшение тока I _{к п}↓. В результате создается препятствие наметившемуся его увеличению.

Повышение U _{э п} (за счет выбора резистора R _э большей величины) сказывается на увеличении температурной стабильности режима покоя, однако при этом уменьшается рабочий диапазон выходного напряжения. С учетом данных факторов напряжение U _{э п} обычно выбирают равным (0.1….0.3) Е _к.

И наконец, еще раз остановимся на роли конденсатора С _э. Введение этого конденсатора ослабляет отрицательную обратную связь по переменному току. Глубина обратной связи в рассмотренной схеме усилителя регулируется соотношением резисторов R _э1 и R _э2. При большей глубине обратной связи (повышении R _э1) коэффициент усиления падает, однако при этом усилительный каскад в целом становится более стабильным и расширяется его полоса пропускания. Обычно соотношение R _э1 и R _э2 (при R _э1 + R _э2 = const) выбирается исходя из разумного компромисса между коэффициентом усиления и частотными свойствами каскада.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется электронным усилителем? Объясните принцип действия усилителя.

2. Перечислите основные характеристики и параметры усилителей.

3. Объясните назначение элементов усилительного каскада с общим эмиттером.

4. Какие элементы усилительного каскада влияют на положение рабочей точки?

5. Как отрицательная обратная связь в усилительном каскаде влияет на его характеристики и параметры?

6. Каким образом в каскаде с ОЭ обеспечивается термостабилизация точки покоя?

7. Какие элементы схемы каскада влияют на нижнюю граничную частоту полосы пропускания?

8. Какова фаза выходного напряжения каскада с ОЭ по сравнению с фазой входного сигнала?

9. Какие элементы усилительного каскада с ОЭ влияют на величину коэффициента усиления по напряжению?

10. Что является причиной появления нелинейных искажений усиливаемого электрического сигнала?

1.2. Усилительный каскад с ОК (эмиттерный повторитель)

Схему рис. 8 называют каскадом с ОК, потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада. Эмиттерным повторителем схему называют вследствие того, что ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению и совпадает с ним по фазе.

Рис. 8. Усилитель с общим коллектором.

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как в схеме с ОЭ, т.е. равен нескольким десяткам. Схема обладает большим входным, малым выходным сопротивлением и является усилителем тока. Она часто применяется для согласования выходной цепи усилителей разного типа с низкоомной нагрузкой. При этом каскад с ОК применяют в качестве выходного каскада усилителя. Подобный каскад на полевом транзисторе называется “истоковый повторитель”, он обладает свойствами, аналогичными каскаду с ОК.

1.3. Усилительные каскады на полевых транзисторах

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что полевой транзистор управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности. Этой особенности уделяется главное внимание при анализе каскадов на полевых транзисторах по постоянному току.

Полевые транзисторы, так же как и биполярные, имеют три схемы включения. В соответствии с названиями электродов различают каскады с общим стоком (ОС), с общим истоком (ОИ) и с общим затвором (ОЗ). Каскад с ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение. Рассмотрим транзисторы с каналом п -типа. С учетом изменения полярности напряжений питания его можно использовать и для усилительных каскадов на транзисторах с каналом р -типа.

Схема усилителя с ОИ приведена на рис. 9.

Рис. 9. Усилительный каскад с общим истоком.

Использование полевого транзистора в качестве управляемого нелинейного элемента не изменяет основные способы построения усилительного каскада. Отличие заключается в способе задания точки покоя. По аналогии с каскадом с ОЭ на стоковых характеристиках полевого транзистора рис. 10, строим линию нагрузки по уравнению

По точкам пересечения ее с выходными характеристиками транзистора строим переходную (проходную) характеристику . Выбираем на ней точку П на середине линейного участка. Ей соответствует точка на нагрузочной прямой. Точка покоя П обеспечивается при отрицательном напряжении . Это напряжение создается соединением затвора через высокоомный резистор с общей точкой. Действительно, так как входная цепь транзистора практически не потребляет ток, можно считать, что потенциалы точек 1 и 2, рис. 9, равны и в режиме покоя .

В этих условиях и сопротивление выбирается из соотношения . Таким образом, в отличие от каскада с ОЭ резистор предназначен не для температурной стабилизации (полевой транзистор достаточно термостабилен), а для задания точки покоя. Назначение остальных элементов схемы аналогично каскаду с ОЭ.

Рис. 10. Графоаналитический расчет каскада ОИ.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Чему равны коэффициенты по напряжению и по току каскада с ОК?

1. Какова фаза выходного напряжения каскада с ОК по сравнению с фазой входного сигнала?
2. Где применяются усилительные каскады с ОК?
3. В чем отличие усилительного каскада с ОИ от каскада с ОЭ?
4. Каково назначение элементов схемы усилительного каскада с ОИ?

1.4. Обратные связи в усилителях

Введение обратной связи ОС призвано улучшить показатели усилителя или придать ему некоторые специфические свойства. Ранее был рассмотрен простейший вид обратной связи в усилительном каскаде с ОЭ, где она применялась для температурной стабилизации режима покоя. Проанализируем общие закономерности, обусловливаемые введением обратных связей в усилитель. Обратная связь осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его выхода. Иллюстрацией усилителя с обратной связью служит структурная схема, приведенная на рис. 11. В общем случае усилитель без обратной связи характеризуется комплексным коэффициентом передачи , где - амплитудно-частотная, а - фазо-частотная характеристики усилителя. Комплексный коэффициент передачи звена обратной связи .

Если при наличии обратной связи входное напряжение складывается с напряжением обратной связи в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение , то ОС называется положительной. Если из вычитается и результирующий сигнал на выходе усилителя уменьшается, то обратная связь называется отрицательной.

Рис. 11. Структурная схема усилителя с обратной связью.

В усилителях применяются различные виды обратных связей. Вид обратной связи зависит от параметра выходного сигнала (напряжения или тока), используемого для создания обратной связи, и способа подачи обратной связи на вход усилителя. В связи с этим различают обратную связь по напряжению и по току . Возможна и комбинированная обратная связь, т.е. одновременно как по напряжению, так и по току.

При подаче напряжения обратной связи с выхода четырехполюсника последовательно с напряжением источника входного сигнала обратную связь называют последовательной. Когда же напряжение обратной связи подается на вход усилителя параллельно напряжению источника входного сигнала, обратная связь является параллельной.

Отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые показатели усилителя, в связи с чем она нашла преимущественное применение. Оценку влияния обратной связи на показатели усилителя рассмотрим на примере схемы с последовательной обратной связью по напряжению, рис. 11.

Определим коэффициент усиления усилителя . В соответствии с рис. 11

, но

. (5)

Для положительной обратной связи .

Введение ООС уменьшает коэффициент усиления в раз.

Оценим стабильность коэффициента усиления усилителя с ООС. С этой целью продифференцируем выражение (5)

(6)

Умножив левую и правую части (6) на и учтя соотношение (5), получим выражение для относительных изменений коэффициентов усиления

(7)

Из выражения (7) следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС в раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи, т.е. величины . Если, например, предположить, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя без ООС и , то относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС составит всего 0, 2%.

При большом коэффициенте усиления и глубокой ООС удается практически полностью исключить зависимость коэффициента усиления усилителя от изменения его параметров. Введение ООС повышает входное сопротивление усилителя , снижает его выходное сопротивление и расширяет полосу пропускания.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие виды обратных связей используются в усилителях?

2. Как отрицательная обратная связь в каскаде с ОЭ влияет на коэффициент усиления по напряжению и полосу пропускания?

3. Какие элементы каскада с ОЭ обеспечивают отрицательную обратную связь?

4. Как положительная обратная связь влияет на параметры и характеристики усилителей?

1.5. Усилители постоянного тока. Дифференциальный усилительный каскад

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени. Связь источника сигнала с входом усилителя и межкаскадные связи не могут быть осуществлены в УПТ посредством конденсаторов и трансформаторов, поскольку это обеспечило бы амплитудно-частотную характеристику, у которой при . Для передачи медленно меняющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная (по постоянному току) связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами. Наличие непосредственной связи обусловливает особенности задания точки покоя транзисторов в УПТ в сравнении с рассмотренными ранее усилителями.

В УПТ отсутствуют элементы, предназначенные для отделения усилительных каскадов по постоянному току (ранее для этих целей использовались разделительные конденсаторы) [6]. В связи с этим выходное напряжение определяется здесь не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счет изменения во времени параметров режимов каскадов по постоянному току. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном входном напряжении называется дрейфом усилителя. Радикальным средством уменьшения дрейфа УПТ является применение параллельно-балансных (дифференциальных) каскадов. Дифференциальный усилительный каскад (ДУ), рис. 12, выполняют по схеме сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R 1 и R 2, а два других – транзисторами VT 1 и VT 2.

Рис. 12. Дифференциальный усилительный каскад.

Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов и сопротивлений. Благодаря этому при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста. Напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, Высокая стабильность схемы в отношении изменения напряжения питания, температуры и прочих факторов объясняется тем, что при одинаковом дрейфе по обоим усилительным каналам каскада напряжения на коллекторах изменяются на одну и ту же величину и дрейф на выходе каскада отсутствует.

Дифференциальный каскад допускает подачу входных сигналов от двух источников (на оба входа ) или от одного источника входного сигнала . При равенстве выходной сигнал отсутствует. Увеличение , рис. 12 б, снижает потенциал коллектора VT 1, усиленный выходной сигнал повторяет по форме входной, но инвертирован по отношению к нему. Этот вход усилителя называется инвертирующим. При увеличении , выходной сигнал изменяется синфазно с входным. Этот вход усилителя называется прямым или неинвертирующим. Входной сигнал, поданный для усиления как дифференциальный, связан с сигналами первого и второго входов уравнением . В идеальном случае, когда плечи ДУ полностью идентичны, выходное напряжение ДУ пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его входам, и не зависит от их абсолютных значений где - коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Реальный ДУ не обладает идеальной симметрией, в результате чего выходное напряжение зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов

где - коэффициент передачи синфазного сигнала .

Качество ДУ оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала . У реальных схем ДУ . Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики ДУ приведены на рис. 12 г, д. Таким образом, ДУ является универсальным усилителем, способным усиливать как переменное, так и постоянное напряжение.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Сколько входов у дифференциального усилительного каскада?

2. Поясните принцип построения дифференциального усилительного каскада.

3. Для усиления каких электрических сигналов используются дифференциальные усилительные каскады?

4. Какая связь источника сигнала с входной цепью используется в дифференциальном усилительном каскаде?

1.6. Операционный усилитель

Операционным усилителем (ОУ) называется дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, двумя высокоомными входами и одним низкоомным выходом, предназначенный для выполнения операций над аналоговыми величинами.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель, обеспечивающий нагрузочную способность всей схемы. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, необходимое общее усиление ОУ достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и эмиттерным повторителем.

Условное обозначение ОУ в электрических схемах показано на рис. 13.

Рис. 13. Условное обозначение ОУ.

Один из входов усилителя называется инвертирующим , а второй неинвертирующим. Типовые параметры реальных ОУ [3, 8]: дифференциальный коэффициент усиления частота единичного усиления до Гц, - сотни кОм, - единицы, десятки мОм, , напряжение питания .

Широкое практическое применение ОУ в аналоговых схемах основывается главным образом на применении в них различного рода внешних отрицательных обратных связей, чему способствует большое значение коэффициента усиления , а также высокое входное и малое выходное сопротивление ОУ. При анализе работы схем с ОУ, параметры усилителя часто принимаются идеальными: . Рассмотрим некоторые примеры построения аналоговых схем на ОУ, при работе ОУ в линейном режиме.

Инвертирующий усилитель. Инвертирующий усилитель, рис. 14, изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора отрицательной обратной связи по напряжению.

Рис. 14. Схема инвертирующего усилителя.

Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять , то , следовательно , откуда

(8)

При напряжение на входе ОУ , в связи с чем уравнение (8) принимает вид

(9)

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя определяется только параметрами пассивной части схемы

(10)

Неинвертирующий усилитель. Неинвертирующий усилитель, рис. 15 а, содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, поданную по инвертирующему входу, входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

В силу равенства нулю напряжения между входами ОУ входное напряжение схемы связано с выходным напряжением соотношением

откуда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

(11)

При и приходим к схеме повторителя, рис. 15 б, с .

Рис. 15. Неинвертирующий усилитель (а), повторитель напряжения (б).

Инвертирующий сумматор. Схема инвертирующего сумматора, рис. 16 а, выполняется по типу инвертирующего усилителя (см. рис. 14) с числом параллельных ветвей на входе, равным количеству сигналов, предназначенных для сложения.

Сопротивления резисторов принимают одинаковыми

При имеем или

(12)

Соотношение (12) отражает равноправное весовое участие слагаемых в их сумме. Суммирование может производиться и с соответствующими весовыми коэффициентами для каждого из слагаемых:

Это достигается применением различных значений сопротивлений резисторов во входных ветвях.

Рис. 16. Схема инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) сумматора.

Неинвертирующий сумматор. При , рис. 16 б, напряжения на обоих входах ОУ равны и составляют При равенстве нулю тока по неинвертирующему входу имеем

откуда

(13)

Выбор параметров схемы производят, исходя из равенства единице первого сомножителя в правой части выражения (13):

Интегратор. Схема интегратора, рис. 17, создается заменой в схеме рис. 14 резистора конденсатором. По аналогии со схемой рис. 14, Тогда

где - выходное напряжение при

Рис. 17. Схема интегратора на ОУ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие усилители используются в качестве входного и выходного каскадов в ОУ?

2. Сколько входов и выходов у ОУ?

3. Каковы параметры идеального ОУ?

4. Какие операции с электрическими сигналами можно производить с помощью ОУ? Поясните на примерах.