Принципы построения и характеристики усилителей

Усилители различаются по ряду параметров:

По форме сигнала:

- усилители переменного тока;

- усилители постоянного тока (УПТ)

По параметру, подвергаемому наибольшему усилению:

- усилители напряжения K_u = U _вых / U _вх

- усилители тока. К _i = I _вых / I _вх

- усилители мощности.   K_p = P _вых /Р_вх

Усилитель усиливает сигнал за счет энергии источника питания.

 

Структурная схема усилителя

 

Усилитель должен как можно меньше искажать сигнал. Одна из важнейших характеристик – амплитудно–частотная – зависимость коэффициентов усиления от частоты усиливаемого сигнала.

 

 

Диапазон частот, в котором усилитель равномерно усиливает входной сигнал, называется полосой пропускания.

 

 Принципы построения усилителя.

В основе схемы усилителя лежит усилительный элемент, включаемый последовательно с некоторой нагрузкой R _н. Напряжение питания распределяется между этими элементами:

U _пит = U _н + U _уэ

U _н = U _пит - U _уэ

Усилительный элемент служит для перераспределения энергии источника питания между ним и нагрузкой. Он может быть представлен как управляемое переменное сопротивление. Как правило, - это транзистор.

 

2.2. Обратная связь в усилителях

 

Под ней понимается подача части выходного сигнала на вход усилителя. Это мощное средство воздействия на свойства усилителя.

Параметр b - коэффициент обратной связи, показывает, какая часть выходного сигнала подается на вход.

Обратная связь может быть положительной (ПОС) - сигнал обратной связи совпадает по знаку или по фазе со входным сигналом, или отрицательной (ООС) – знаки противоположны.

Пусть имеется усилитель с коэффициентом усиления   . Для ОС можно записать:

,

После преобразований получим:

.

Эта формула дает связь выходного сигнала с входным, где

 

 - коэффициент усиления для усилителя с ООС.

 

Если бы исследовалась ПОС, этот коэффициент имел бы вид:

 .

 

Из выражения для k _оос можно сделать два вывода:

1. k _оос < k, т.е. ООС уменьшает коэффициент усиления.

2. Если b k >>1, то . Отсюда следует, что коэффициент усиления усилителя с ООС не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а определяется только параметром b элемента обратной связи.

Элемент обратной связи выполняется на пассивных элементах, которые могут быть стабильными и точными, что обеспечивает стабильность точность всего усилителя.                                      

ООС увеличивает входное сопротивление усилителя, уменьшает выходное и снижает искажения сигнала, расширяет полосу пропускания.

При положительной обратной связи:

.

Следовательно k _ПОС > k, т.е. коэффициент усиления расчета. Однако в противовес ООС, уменьшается входное и увеличивается выходное сопротивления, увеличиваются искажения, уменьшается полоса пропускания усилителя.

Кроме того, если  то k _ПОС ® . В этом случае усилитель теряет свои свойства, становится неуправляемым и в таком режиме он превращается в генератор сигнала. Поэтому ПОС и используется в генераторах.

 

 

 2.3. Основные параметры ОУ

 

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, выполненный по интегральной технологии и предназначенный для использования с цепями обратной связи.

ОУ является основным элементом для построения аналоговых информационных электронных устройств.

Под интегральной технологией понимается создание в одном кристалле полупроводника в едином технологическом цикле функционально завершенного электронного устройства – интегральной микросхемы (ИМС). Выполнение электронных устройств в виде ИМС обеспечивает их миниатюризацию, снижение стоимости, энергопотребления и, что очень важно в эксплуатационном аспекте – резкое повышение надежности и упрощение применения. Интегральные микросхемы могут содержать различное число компонентов на одном кристалле, от нескольких десятков до миллионов (в основном – это транзисторы). Вместе с тем, надежность самой сложной микросхемы не ниже надежности отдельно изготовленного транзистора. Так, по отечественным стандартам, на одиночный транзистор и на весьма сложные ИМС гарантируется рабочий ресурс не менее 10000 час. Реальный же ресурс большинства полупроводниковых приборов и ИМС находится на уровне сотен тысяч часов и более.

Термин "ИМС" характеризует технологию изготовления электронного устройства. Функциональное же назначение ИМС может быть самым различным, т.е. по такой технологии могут быть выполнены устройства разного назначения. Одно из них – ОУ. Микросхема ОУ относится к простым ИМС, содержит несколько десятков элементов, в основном транзисторов и резисторов. Применение ОУ не требует знания его внутренней схемы (она и недоступна для пользователя), важно знать характеристики его входов и выходов. Поэтому ОУ воспринимается как целое и на схемах электронных устройств имеет собственное условное графическое обозначение, варианты которого показаны на рис. 2.7, 2.8.

 

Варианты обозначения ОУ по отечественным стандартам

 

а) полное обозначение; б), в) – варианты упрощенного обозначения, цепи питания не показаны

Рис. 2.7

 

ОУ имеет один выход и два входа – инвертирующий и неинвертирующий. При подаче входного сигнала на инвертирующий вход, усиленный выходной сигнал будет иметь полярность противоположную входному. Если входной сигнал подается на неинвертирующий вход, то сигнал на выходе совпадает по знаку с входным.

Операционный усилитель питается двухполярным напряжением. Схема подачи питания показана на рис. 2.8, где приведено условное обозначение ОУ, часто используемое за рубежом.

 

Зарубежное обозначение ОУ и схема подключения питания, входных и выходного сигналов

Рис. 2.8

 

На рис. 2.8. инвертирующий вход обозначен знаком минус, а неинвертирующий – знаком плюс. ОУ питается от двух одинаковых источников питания 15 В. Разнополярные выходы этих источников между собою объединены и точка их соединения принята в качестве общего провода схемы. Он обозначен знаком "^". За рубежом применяются и другие обозначения общего провода: " ", " ", " ". Электрический потенциал общего провода условно принят за ноль. Относительно общего провода в электронных устройствах подаются входные сигналы и снимается выходной. На рис. 2.8 обозначения "^" разных точек схемы означают, что все они соединены с общим проводом схемы. Относительно общего провода ОУ получает двухполярное питание – плюс 15 В (U _пит1) и минус 15 В (U _пит2). Это позволяет получить на выходе ОУ сигналы как положительной, так и отрицательной полярности.

Основные параметры ОУ:

k _ОУ =10⁴ ¸ 10⁶ – коэффициент усиления по напряжению;

U _пит = ± 15В;

U _смещ - это напряжение, которое нужно подать на вход ОУ, чтобы его сбалансировать, т.е. обеспечить U _вых =0 при U _вх =0; у "идеального" ОУ U _смещ =0, реально U _смещ =2 ¸ 10мВ.

U _вых =10 ¸ 12В – максимальное выходное напряжение;

R _вх =сотни кОм ¸ МОм – входное сопротивление;

R _вых =десятки Ом – выходное сопротивление;

f ₁ –частота единичного усиления, на которой k _ОУ =1 (рис. 2.9).

Кроме этого ОУ характеризуется рядом других параметров.

 

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: