Многокаскадные усилители, принцип усиления и построение, виды межкаскадных связей

Многокаскадные усилители - усилители, образованные путем соединения между собой с помощью элементов связи нескольких усилительных каскадов. Как правило, усилители состоят из нескольких каскадов, при этом каждый отдельный каскад в составе усилителя выполняет свои функции. Входное устройство служит для передачи сигнала от источника во входную цепь каскада предварительного усиления. В качестве входного устройства могут быть использованы конденсаторы, резисторы, трансформаторы. Конденсатор С, включают, чтобы исключить прохождение постоянной составляющей тока и напряжения смещения первого активного элемента в источник сигнала, а также чтобы постоянная составляющая тока от источника сигнала не поступала на вход активного элемента. Конденсатор С, - входное устройство для второго каскада, он осуществляет связь каскадов.

В блок-схеме многокаскадного усилителя первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению.

Рис. 1. Блок-схема многокаскадного усилителя

Последний - оконечный, или выходной, каскад является каскадом усиления мощности, передаваемой в полезную нагрузку. Все остальные промежуточные каскады, включая предоконечный каскад, обеспечивают усиление полезного сигнала по напряжению или току до величины, необходимой для оптимальной работы выходного каскада, при которой отбирается в нагрузку максимально возможная полезная мощность каскада при допустимой величине нелинейных искажений.

Принципы построения многокаскадных усилительных трактов:

С помощью однотранзисторного каскада обычно не удается обеспечить желаемого усиления, необходимых свойств по входному или выходному сопротивлению, требуемых по условиям работы предельных значений выходных сигнальных токов и напряжений. В связи с этим усилительные тракты приходится выполнять по многокаскадной схеме, включающей два или более каскадов.

В общей структуре усилительного тракта можно выделить три ее основных функциональных звена. Это входной каскад, один или несколько каскадов предварительного усиления, выходной каскад. На входной каскад кроме функции усиления возложена задача согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением входного каскада. Под согласованием здесь понимаются мероприятия по повышению коэффициента передачи входной цепи, которые обычно достигаются за счет применения во входном каскаде схемных конфигураций с повышенным входным сопротивлением. Так включение на входе тракта дополнительного каскада ОК хотя и не приводит к повышению усиления в самом тракте, но приближает коэффициент передачи сигнала во входной цепи к его предельному значению, равному единице.

50 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

V+: неинвертирующий вход

V−: инвертирующий вход

Vout: выход

VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как,, или)

VS−: минус источника питания (также может обозначаться как,, или)

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Параметры

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

Ограниченное усиление: коэффициент G не бесконечен (типичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра G в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G на 1÷2 порядка или еще меньше).

Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10−9 ÷ 10−12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.

Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).

Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС Uсм. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения Uсм составляют 10−3 ÷ 10−6 В.

Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному току

Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.

Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.

Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.

Ненулевое время восстановления после насыщения.

Нелинейные эффекты

Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277 выходное напряжение находится в пределах от VS−+0,5 В до VS+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340, эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).

Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.

Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

51. Операционные усилители (ОУ) инвертирующие и неинвертирующие: схемы, принцип действия, параметры (входные и выходные), применение.

Операционный усилитель – усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций с входными сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью и имеющий большой коэффициент усиления.

Основные св-ва ОУ- Большой коэффициент усиления, очень большое входное сопротивление, маленькое электрическое потребление, маленькое выходное сопротивление, широкий частотный диапазон, маленькие собственные шумы, малые габариты. ОУ считают наиболее приближенными к идеальным усилителям.

Применение: Операционный усилитель – основной элемент аналоговой электротехники. Применяется в радиоэлектронной аппаратуре, генераторах импульсов и синусоидальных колебаний, для построения фазовых и амплитудных дискриминаторов. Для построения систем телеметрии. Коэффициент усиления задается сопротивлением обратной связи.

Включение ОУ

Инвертирующий усилитель усиливает сигнал и изменяет фазу входного сигнала. Через резистор обратной связи Р2 создается цепь отрицательной обратной связи.

Неинвертирующий усилитель – Усиливаемый сигнал подается на неинвертирующий вход, а для того чтобы обратная связь была отрицательной ее создают по инвертирующему входу.

Дата добавления: 2015-05-06