Принцип усиления

Рассмотренная схема резисторного каскада и графики изменения то­ков и напряжений показывают, что при подаче сигнала от источника пере­менной ЭДС изменение потенциала базы приводит в соответствие со вход­ной характеристикой биполярного транзистора к изменению тока базы, а увеличение тока базы вызывает на выходной ВАХ транзистора смещение за­висимости тока коллектора от напряжения на коллекторе в сторону больших значений. При этом изменение тока базы на доли мА вызывает изменение то­ка коллектора на десятки миллиампер. Это происходит потому что напряже­ние Uбэ включено в прямом направлении в переходе р - n (э - б) и вызывает уменьшение потенциального барьера перехода база - эмиттер, потому внут­реннее сопротивление транзистора резко падает, а при изменении полярности поступающего на базу напряжения, т.е. плюсом к «n» области базы, оно ока­зывается включенным в обратном направлении, что приводит к увеличению потенциального барьера, внутреннее сопротивление транзистора резко воз­растает, становится много больше сопротивления коллектора и тогда боль­шая часть напряжения источника питания падает на R_K. Таким образом срав­нительно небольшое изменение по напряжению переменного сигнала на базе

(порядка одного или менее вольт) приводит к изменению напряжения на кол­лекторе на 10 или более вольт в зависимости от напряжения питания.

Самостоятельная работа.

Схемотехнические особенности усилителей на транзи­сторах. Классы усиления А, АВ, В.

Рекомендуемая литература:

1. Ф.И. Вайсбурд и др. «Электронные приборы и усилители».

М. Комкнига 2007г. 480с.

§14.5. Характеристики каскадов с различными схемами включения усилительных элементов стр. 283 - 291.

§14.6. §14.6. Режимы работы усилительных элементов стр. 292 - 295.

Тема 2.3.Использование обратных связей. Виды обратных связей: положительная и отрицательная обратная (ПОС и ООС). Схемы с использованием О ОС. 1.1. Виды обратных связей.

Предназначенный для усиления сигнал подается на вход электронно­го усилителя и пройдя через него попадает на выход.

Прохождение сигнала со входа на выход называется прямым прохож­дением. Однако часто для улучшения показателей качества усилителя в нем создают цепи для прохождения сигнала в обратном направлении, т.е. с выхо­да на вход.

Передача энергии сигнала или его части с выхода усилителя (напря­жения или тока) на его вход называется обратным прохождением или обрат­ной связью.

Различают следующие виды связей: внешние, внутренние, паразит­ные, в зависимости от тех причин, которыми они вызваны.

Внешние обратные связи в усилителях вводятся специально для улучшения их технических показателей. При внешней обратной связи часть напряжения или тока с выходной цепи усилителя с помощью специально созданных для этой цепи электрических цепей передается во входную цепь. Эти дополнительные цепи называются цепями обратной связи.

Схематически на функциональной схеме усилитель с цепью обратной связи образует замкнутый контур:

в котором β - это коэффициент обратной связи, а сама цепь называет­ся (β - цепью. Произведение Ки* β называется петлевым усилением.

Внутренние обратные связи в электронных усилителях возникают са­мопроизвольно и являются следствием особенностей конструкции электро­радиоэлементов и происходящих в них физических процессов.

Обратная связь, возникающая через паразитные индуктивности и ем­кости, возникающие при сборке и монтаже электронной схемы (например близко расположенные проводники печатной платы, отсутствие необходи­мых экранов и т.п.) называются паразитными.

Внутренние и паразитные обратные связи вызывают ухудшение тех­нических характеристик. В практике проектирование радиоэлектронных схем накоплен достаточный опыт и соответствующие рекомендации по их умень­шению и устранению.

1.2. Виды обратных связей.

В усилительных устройствах могут применяться самые различные виды реализации обратных связей. Вид обратной связи определяется по сле­дующим основным признакам: способу снятия с выхода и подачи на вход усилителя энергии сигнала; знаку петлевого усиления, зависимости от часто­ты сигнала.

По способу снятия энергии сигнала с выхода усилителя различают обратные связи: по напряжению (рис. 44, а), по току (рис. 44, б), смещенные (комбинированные) (рис. 44, в). Структурные схемы, реализующие эти связи изображены на рисунке 44 (а, б, в).

а) обратная связь по напряжению, когда напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению. Вход цепи обратной связи под­ключен параллельно нагрузке

б) обратная связь по току, когда напряжение обратной связи пропор­ционально выходному току. Вход цепи обратной связи подключен последо­вательно с нагрузкой

в) комбинированная связь, при которой напряжение обратной связи пропорционально как выходному напряжению так и току.

По способу подачи энергии сигнала на вход усилителя различают по­следовательную, параллельную и комбинированные связи рисунок 46а, б, в.

а) последовательная, когда напряжение источника сигнала включено последовательно с напряжением обратной связи (суммирование напряжения)

б) параллельная обратная связь когда напряжение обратной связи и напряжение источника сигнала складывается на общем входном сопротивле­нии усилителя (суммирование токов)

в) комбинированная по входу обратная связь представляющая соче­тание последовательной и параллельной по входу обратной связи.

1.3. Положительная и отрицательная обратные связи (ПОС и ООС).

По знаку петлевого усиления различают два вида обратной связи: по­ложительную и отрицательную (ПОС и ООС).

При положительной обратной связи напряжение ее точно совпадает по фазе с ЭДС источника сигнала, в результате чего напряжение на входе усилителя увеличивается. В усилителях положительная обратная связь при­меняется очень редко так как при многократном прохождении сигнала по ПОС сигнал быстро достигает своего максимального значения, ограничивае­мого возможностями источника питания.

Обратная связь, напряжение которой находится точно в противофазе с ЭДС источника сигнала, называется отрицательной.

В усилительных устройствах используется в основном отрицательная обратная связь. Применение ООС позволяет стабилизировать работу усили­тельного каскада от различных возмущающих факторов и улучшить его тех­нические показатели.

1.4. Схемы и использованием ООС.

В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь. Применение ее позволяет улучшить показатели качества усилителя, в част­ности: повысить стабильность коэффициента усиления; уменьшить частот­ные, фазовые и переходные искажения; уменьшить нелинейные искажения; ограничить влияние собственных шумов.

При этом различные виды отрицательной обратной связи влияют на отдельные технические показатели усилителя по-разному.

Как видно на рис. 46, поступающее на вход усилителя напряжение обратной связи Uос можно определить так:  

  где Р - коэффициент передачи или коэффициент обратной связи, по­казывающий, какую часть выходного напряжения преобразуется в напряже­ние обратной связи. Тогда  

Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиле­ния и его стабильность. В усилителе с обратной связью напряжение на вхо­де изменяется в результате действия обратной связи, т.е.

  где U_ex - напряжение на входе до введения обратной связи; U'_вх - напряжение на входе при действии обратной связи; U_o.с. - напряжение обратной связи. Определим коэффициент усиления в усилителе с последовательной обратной связью по напряжению, схема которого приведена на рисунке 46.

Разделив числитель и знаменатель на U_вx, получим  

Из этого выражения становится ясно, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления по напряжению в (1 + βКU) раз. Сумма 1 + βКU называется глубиной обратной связи. Она показывает, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления при введении обратной свя­зи. Произведение рк_и называется коэффициентом петлевого усиления. Он равен отношению напряжения обратной связи к первоначальному напряже­нию:

Выражение для определения коэффициента усиления усилителя, по­лученное для схемы с последовательной обратной связью по напряжению, справедливо для всех способов снятия напряжения обратной связи с выхода и подачи его во входную цепь усилителя.

Как видно из формулы К_Uo.c. = KU /(1 + βКU), при отрицательной об­ратной связи коэффициент усиления напряжения для каскада, охваченного обратной связью, уменьшается в (1 + βКU)раз. Следовательно, выходное на­пряжение усилителя также уменьшается. Поэтому для восстановления преж­него (до введения обратной связи) значения выходного напряжения надо увеличить напряжение на входе усилителя в (1 + βКU) раз.

Коэффициент усиления усилителя должен быть постоянным. Однако на показатели усилителя действует ряд дестабилизирующих факторов: неста­бильность источников питания, разброс параметров элементов схемы и их старение, изменение температуры окружающей среды и т. д. Все это вызыва­ет нестабильность параметров, в том числе и коэффициента усиления.

При отрицательной обратной связи нестабильность коэффициента усиления уменьшается пропорционально глубине обратной связи.

Физическая сущность стабилизации коэффициента, усиления состоит в следующем. Если, например, по каким-либо причинам усиление увеличи­лось, то напряжение на выходе возрастаем вызывая увеличение напряжения обратной связи, что ведет к уменьшению напряжения на входе, а следова­тельно, и на выходе. В результате напряжение на выходе изменится незначи­тельно. При уменьшении усиления уменьшается выходное напряжение и, со­ответственно, уменьшится напряжение обратной связи, что приведет к воз­растанию входного напряжения, а значит и выходного. Таким образом, изме­нения коэффициента усиления будут уменьшены. При глубокой отрицатель­ной обратной связи нестабильность коэффициента усиления уменьшается значительно.

Влияние отрицательной обратной связи на частотную, фазовую и переходную характеристики. Частотно - независимая отрицательная об­ратная связь улучшает частотную, фазовую и переходную характеристики усилителя, расширяя полосу усиливаемых частот. Это происходит потому, что на крайних частотах диапазона, где усиление без обратной связи умень­шается, глубина обратной (1 + βКU) также уменьшается. А так как напряжение обратной связи уменьшается, то суммарное напряжение на входе возрастает и усиление увеличивается. В результате края частотной характеристики под­нимаются и полоса усиливаемых частот расширяется, как показано на рис. 47, на котором кривая 1 - частотная характеристика усилителя без обратной связи, кривая 2 частотная характеристика усилителя с отрицательной обрат­ной связью. Таким образом отрицательная обратная связь выравнивает час­тотную характеристику.

Отрицательная обратная связь уменьшает фазовые сдвиги в усилите­ле, и фазовая характеристика приближается к линейной. Фазовые искажения в усилителе под действием отрицательной обратной связи уменьшаются.

Переходная характеристика в усилителях с отрицательной обратной связью также улучшается, поскольку уменьшается время восстановления. Это происходит вследствие уменьшения входной емкости усилительных приборов под действием отрицательной обратной связи. Спад вершины им­пульса уменьшается в результате стабилизации коэффициента усиления уси­лителя, т. е, подъема частотной характеристики.

В усилителях часто бывает необходимо скорректировать (исправить) определенный участок частотной характеристики. Для этого используется частотно - зависимая отрицательная обратная связь, в цепи которой имеются частотно - зависимые элементы (индуктивности, емкости).

Принцип действия частотно - зависимой отрицательной обратной связи рассмотрим на примере цепи, состоящей из резистора R_o.c. и конденса­тора Сo.c. (рис. 49, а). На высоких частотах сопротивление конденсатора С_о.c. уменьшается, шунтируя выход цепи обратной связи.

С повышением частоты шунтирующее действие емкости возрастает и напряжение на выходе цепи обратной связи уменьшается. Частотная харак­теристика коэффициента передачи напряжения цепи обратной связи |3 сни­жается (участок БВ на рис. 49, б), т.е действие обратной связи уменьшается и коэффициент усиления каскада увеличивается. Частотная характеристика в корректируемой области частот поднимается (участок БВ на рис. 49, в). На рис.48, в кривая 1 изображает частотную характеристику усилителя без об­ратной связи, кривая 2 - частотную характеристику усилителя с цепью об­ратной связи, 'содержащей R_o.с. и С_о.c.

В усилительных устройствах применяют самые различные схемы частотно - зависимых цепей обратной связи, которые обеспечивают коррек­тировку заданного участка частотной и фазовой характеристик.

Напомним, что отрицательная обратная связь изменяет коэффициент усиления, а также частотную и фазовую характеристики только той части устройства, которая охвачена петлей обратной связи.

Влияние отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивления. Различные ионы отрицательной обратной связи влияют на входное и выходное сопротивления усилителя по - разному.

Характер изменения входного сопротивления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, определяется способом введения сигнала во входную цепь и не зависит от способа снятия его с выходной цени.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уве­личивает входное сопротивление усилителя. Это можно объяснить так. По­скольку напряжение отрицательной обратной связи противоположно по фазе напряжению источника входного сигнала, напряжение на входе усилителя и входной ток уменьшаются, что эквивалентно увеличению входного сопро­тивления.

Входное сопротивление усилителей обычно имеет активную R_BX и ем­костную Х_с составляющие. Так как в цепи обратной связи сдвига по фазе нет, то и активная и емкостная составляющие входного сопротивления возраста­ют одинаково (1+(ЗК) раз:  

Увеличение емкостной составляющей входного сопротивления экви­валентно уменьшению входной емкости в (1 + (Ж) раз:  

Входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной об­ратной связью, можно определить по формуле

Параллельная обратная связь по напряжению уменьшает входное со­противление усилителя. Это происходит потому, что сопротивление обрат­ной связи шунтирует входное сопротивление усилителя.

Изменение входной емкости при параллельной отрицательной обрат­ной связи зависит от характера цепи обратной связи. Если обратная связь осуществляется через конденсатор, то она увеличивает входную емкость, а если через резистор, - то не изменяет входную емкость.

Аналогично этому последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, а параллельная - уменьшает его.

При всех видах отрицательной обратной связи входное сопротивле­ние усилителя зависит от коэффициента усилении K_U, а следовательно, и от сопротивления нагрузки R_и. и остается нестабильным. Это видно из формул для Zвх.о.с. и Rвх.о.с.

Во многих усилительных устройствах требуется обеспечить стабиль­ное входное сопротивление, не зависящее от коэффициента усилении К_и и сопротивления нагрузки R_H. Это достигается применением комбинированной отрицательной обратной связи, т. е. последовательно - параллельной. Подби­рая коэффициенты передачи цепей обратной связи, можно получить заданное стабильное входное сопротивление.

Изменение выходного сопротивления усилителя, охваченного после­довательной отрицательной обратной связью по напряжению, определяется способом снятия сигнала с выхода усилителя и не зависит от способа введе­ния ее во входную цепь усилителя.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя и увеличивает выходную ем­кость: Rвых.о.с. = Rвых/(1+βК); Свых.о.с.= Свых/(1+βК);

Уменьшение выходного сопротивления усилителя при отрицательной обратной связи по напряжению объясняется тем, что при возрастании выход­ного напряжения усилителя увеличивается напряжение обратной связи. В ре­зультате этого напряжение на входе усилителя, равное разности U - Uо.с, уменьшается, вызывая уменьшение U_выx, что эквивалентно снижению выход­ного сопротивления.

Аналогичное действие оказывает и параллельная отрицательная об­ратная связь по напряжению.

Последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя и уменьшает выходную емкость. Такие же изменения вносит и параллельная отрицательная обратная связь по току.

Поэтому с целью уменьшить зависимость выходного сопротивления от нестабильности параметров усилителя применяют смешанную отрица­тельную обратную связь - по току и по напряжению.

Влияние отрицательной обратной связи на нелинейные искаже­ния и динамический диапазон усилителя. В процессе работы усилителя из- за нелинейности вольт - амперной характеристики усилительных приборов (транзисторов, ламп) возникают нелинейные искажения, т. е. появляются но­вые гармоники, которых не было на входе усилителя. По цепи обратной свя­зи они поступают на вход усилителя и, пройдя через усилитель, оказываются на выходе, но уже в противофазе с первоначально возникающими гармони­ками. Поэтому амплитуды паразитных гармоник на выходе усилителя оказы­ваются ослабленными. А значение напряжения полезного сигнала доводится до прежнего увеличением входного напряжения в (1 + βК) раз. Следователь­но, введение отрицательной обратной связи увеличивает соотношение между полезным сигналом и паразитными гармониками, возникающими в усилите­ле.

Таким же образом отрицательная обратная связь уменьшает на выхо­де напряжения различных помех, возникающих в усилителе. Следует отме­тить, что отрицательная обратная связь уменьшает только те помехи, кото­рые возникают в самом усилителе, охваченном обратной связью, но не уменьшает помехи, подведенные ко входу усилителя вместе с полезным сигналом.

Благодаря уменьшению внутренних помех расширяется динамиче­ский диапазон усилителя. Такое действие отрицательной обратной связи на­блюдается при всех способах введения и снятия обратной связи.

Самостоятельная работа

Применение обратных связей в схемах А ЭУ

Рекомендуемая литература:

1. Вайсбурд Ф.И. и др. «Электронные приборы и усилители» М. Комкнога 2007 480с.

§13.2. Влияние обратных связей, стр. 252 - 264.

Тема 2.4. Операционные усилители: структура, парамет­ры, применение. Схемы включения операционных усилителей.

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для работы с глубокой отрицательной обратной свя­зью и выполнения ряда математических операций над входным сигналом. Это может быть: сложение, вычитание, деление, дифференцирование, интег­рирование и т.д.

Усилители постоянного тока отличаются от усилителей переменного тока тем, что позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы (на­пример для сигнала fсигналов = 0). Поэтому на входе и выходе между каскадами у них должны отсутствовать реактивные компоненты, т.е. конденсаторы, транс­форматоры и т.п. которые не пропускают постоянную составляющую.

Однако у усилителей постоянного тока, т.е. имеющих между собой и внутри себя только чисто гальванические связи наблюдается изменение вы­ходного сигнала при закороченном на корпусе входе. Это явление называется дрейфом нуля усилителя постоянного тока и оно объясняется нестабильно­стью источника питания, влиянием температуры на режим работы усили­тельных элементов (параметры транзистора зависят от температуры), изме­нением или смещением точки покоя П транзистора, шумами и наводками от внешних источников.

С целью снижения дрейфа нуля используются различные способы и схемно-технические методы. Одним из наиболее целесообразных практиче­ски реализуемым является использование параллельно - балансной схемы, когда два усилительных элемента связаны посредством отрицательной об­ратной связи. Дальнейший анализ способов совершенствования таких схем усиления привел к созданию сначала достаточно простых, а затем все более совершенных, но усложненных схем дифференциальных усилителей.

Дифференциальным усилителем называется симметричный каскад с двумя входами и двумя выходами. Дифференциальный каскад выполняется по принципу сбалансированного моста (рис. 50), два плеча которого образо­ваны резисторами R_к1, и R_k2, а два других транзисторами VT1 и VT2.

На рис. 50, б представлена упрощенная схема замещения, на которой транзисторы показаны динамически изменяющимися сопротивлениями. Ба­ланс моста в схеме б) достигается при симметрировании плеч моста. R1=R2; RVT2=RVT2- значение величины тока через мост определяется величиной R0  

т.е. оно не зависит от напряжений на входе и является постоянной ве­личиной, это означает что сумма токов I_К1 + I_к2 = const, следовательно при увеличении тока через VT1, ток через VT2 уменьшается в результате появля­ется разница напряжений на коллекторах VT1 и VT2 и эта разница является выходным напряжением дифференциального каскада. На базы транзисторов VT1 и VT2 может подаваться один и тот же сигнал - в этом случае он назы­вается синфазным. При подаче синфазного сигнала напряжения на коллекто­рах VT1 и VT2 в идеальном случае должно быть одинаковым, следовательно Uвых⁼ 0. Но практически из - за неодинаковости характеристик транзисторов может появляется Uвых. Однако этот сигнал в несколько раз меньше вход­ного. Отношение U_BX/U_Bblx = К_с называется коэффициентом ослабления син­фазного сигнала. Этот параметр характеризует качество балансировки мосто­вой схемы каскада и от него зависит величина дрейфа U_Bblx. При хорошей ба­лансировке каскада если базы транзисторов VT1 и VT2 подключены к потен­циалу земли, то U_Bblx = 0. Т_малое имеющееся в схеме сопротивление R, обеспе­чивает отрицательную обратную связь, которая способствует восстановле­нию равенства U_K1 = U_k2 при появлении каких - либо дестабилизирующих факторов.

Кроме того в схемах дифференциальных усилителей для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала вводится в цепь эмиттеров VT1 и VT2 генератор постоянного тока с целью более четкой фиксации I₀. Это приводит к усложнению схемы, но обеспечивает улучшение ее техниче­ских параметров. Развитие схемотехники дифференциальных усилителей на дискретных элементах показало, что они получаются очень громоздкими и дорогостоящими, поскольку включают в себя десятки усилительных элемен­тов, диодов, резисторов и т.д. Поэтому только освоение технологии произ­водства интегральных микросхем позволило построить на их базе операци­онные усилители (ОУ), обладающие многофункциональными возможностя­ми, малыми габаритами, большой надежностью и экономической целесооб­разностью.

В настоящее время ОУ выпускаются в виде полупроводниковых ин­тегральных микросхем и используются для построения различных электрон­ных приборов и устройств. Операционные усилители имеют один или выхода.

Операционный усилитель, имеющий два симметричных входа, вы­ходной сигнал которого является функцией входного напряжения или тока

называется дифференциальным. Один из входов (обозначается «V») назы­вается инвертирующим и характеризуется изменением фазы выходного сиг­нала относительно входного на 180°. Второй вход ОУ называется неинвертирующим. Выводы +U и -U предназначены для подключения ОУ к двухполярному источнику питания. Остальные выводы позволяют более точно

отрегу­лировать «ноль» на выходе или скорректировать частотную характеристику ОУ и т.п.

Первые операционные усилители, например К140УД1 и т.п. имели трехкаскадную структурную схемудва

:

На этой схеме входной усилительный каскад выполнен на транзисто­рах VT1 и VT2 по дифференциальной схеме. Выходы первого каскада связа­ны со входами второго каскада на транзисторах VT5 и VT6 также по диффе­ренциальной схеме. Транзисторы VT3 и VT4 представляют схему генератора стабильного тока для первого и второго каскада. Выходной сигнал со второго каскада снимается с резистора R8 и подается на базу выходного усилителя на VT7 и VT8. Двухполяное питание подается на контакты 7 и 1. Микросхема имеет два входа 10 и 9. Выходной сигнал снимается с контакта 5. Контакты 12, 2, 3, 4 предназначены для создания дополнительных электрических цепей в схеме устройства где применяется данная микросхема.

В настоящее время ОУ представлены сериями К140, К544, К553, К574 и др. отличающимися различной степенью сложности, технологиче­скими особенностями (использование биполярных или полевых транзисто­ров) и разнообразием технических параметров.

1.3. Параметры ОУ

Как и все электронные приборы, ОУ характеризуются своими пара­метрами - основными показателями, по которым выбирают тот или иной прибор для применения в реальной схеме. Параметры различных типов ОУ меняются в довольно широких пределах.

Рассмотрим параметры ОУ.

Входное сопротивление - дифференциальное сопротивление пере­менному току на входе R_вхдиф = U_вхдиф/ I_вх - отношение приращения диф­ференциального входного напряжения к соответствующему приращению то­ка неинвертирующего входа в режиме к.з.

Идеальное R_вхдиф —>∞. Реальное R_вх в зависимости от схемы входного каскада ОУ составляет от 4...5 кОм до десятков мегОм. Большое R_Bx позво­ляет обеспечить управление усилителем при наименьших затратах мощности источником сигнала и передать на вход ОУ без потерь напряжение источника сигнала.

Обычно в ОУ происходит большое подавление синфазной состав­ляющей, и поэтому входное синфазное сопротивление R_{BX с} на несколько по­рядков больше

R_{вх диф}.

Средний ток I_вх - среднее арифметическое значение постоянных входных токов инвертируемого и неинвертируемого входов и отсутствие сигнала. Обычно I_вх не превышает сотен наноампер.

Входной ток сдвига ∆ I_вх = I⁺ _вх - I^- _вх разность между входными тока­ми. Входной ток сдвига в несколько раз меньше среднего входного тока.

Напряжение смещения U_CM - напряжение постоянного тока, которое должно быть приложено к дифференциальному входу ОУ, чтобы его U_вых = 0. Обычно составляет не более единиц милливольт.

Дрейф выходного напряжения смещения ɛ_см=∆ U_CM /∆Т⁰С отноше­ние изменения входного напряжения смещения к изменению окружающей температуры. Обычно составляет 1... 5 мкВ/°С.

Выходное сопротивление R_вых - внутреннее сопротивление выхода ОУ. Идеальное R_вых —> 0, при этом все выходное напряжение выделяется без потерь в нагрузке. Реальное R_вых составляет единицы и сотни Ом.

Коэффициент усиления К= ∆U_вых/∆U_диф = ∆U_вых(∆U⁺_вх - ∆U^-_вх)отношение изменения U_вых к соответствующему изменению разности вход­ных напряжений при разомкнутой цепи обратной связи. В идеальных ОУ К—>∞, в реальных ОУ К составляет от сотен до сотен тысяч. Так как U_вых ограни­чено напряжением источника питания, которое обычно не превышает 10... 15 В, то при очень больших коэффициентах усиления U_вx очень мало. При больших U_вx транзисторы попадают в режим насыщения.

Полоса пропускания - полоса частот, в которой U_вых уменьшается не более чем до 0,707 своего максимального значения и неизменной амплитуде на входе.

Идеальная полоса пропускания ОУ —>∞. Реальная полоса пропуска­ния ограничена. Максимальную частоту полосы пропускания иногда называют

частотой среза. Иногда указывается частота единичного усиления f_b при которой коэффициент усиления уменьшается до 1.

Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых =∆U_вых/∆t - отношение приращения ∆ U_вых к интервалу времени ∆t, за который происходит это приращение, при подаче на вход прямоугольных импульсов. Чем выше частота среза, тем больше скорость нарастания выходного напряжения.

Время установления выходного напряжения t_нар — время, в течение которого U_вых ОУ изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения U_вых при воздействии на вход ОУ прямоугольных импульсов.

Время установления также пропорционально частоте среза.

Максимальный выходной ток I_выхтах — предельная амплитуда выход­ного тока, который может быть дан в нагрузку.

Максимальная мощность рассеяния Р_тах - максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна ОУ при наличии входного напряже­ния и подключенной нагрузке.

Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняе­мых функций. В каждом конкретном случае выбирают тот ОУ, у которого параметры в наибольшей степени удовлетворяют предъявленным требовани­ям.

В связи с тем что существует определенное противоречие в получе­нии нескольких групп оптимальных параметров ОУ, приходится изготовлять ОУ специального назначения, например, высокочастотные ОУ с широкой полосой пропускания, большой скоростью нарастания выходного напряже­ния и т. д., но в этом случае трудно получить ОУ с минимальными погреш­ностями на входе. В других случаях добиваются наибольшей точности пара­метров. Такие ОУ получили название прецизионных (высокоточных).

Таким образом, имеются ОУ общего назначения - универсальные, многофункциональные, которые больше всего применяют в аппаратуре свя­зи, и ОУ частного применения, которые имеют оптимальные значения по ка- кой-то группе параметров.

Поскольку в зависимости от своего назначения усилительные устрой­ства способны воспринимать и усиливать входные сигналы в определенном диапазоне значений постоянного или переменного тока необходимо знать их амплитудно - амплитудную характеристику (передаточная характеристика) и амплитудно - частотную характеристику (АЧХ).

В диапазоне U_{выx макс} - U_{выx мин} характеристика практически линейна. Этот диапазон называется областью усиления. В области насыщения с рос­том U_BX увеличения U_вых не происходит. Границы областей U_{вых макс} - U_{вых мин} отличаются от значений U_пит + - U_пит - как правило примерно ЗВ от соответ­ствующих питающих напряжений, а напряжения входного сигнала зависят от выбранного коэффициента усиления, которое определяется выбором величи­ны сопротивления обратной связи в цепи ООС. Собственное значение коэф­фициента усиления ОУ как правило может быть порядка 100 ÷ 1000 раз.

Амплитудная характеристика идеального ОУ проходит через нуле­вую точку, но для реальных ОУ она как правило сдвинута вправо или влево от нуля, следовательно для того чтобы добиться значения U_вых = 0 надо по­дать на вход ОУ напряжение, которое называется напряжением смещения нуля U₀. Поэтому в некоторых схемах интегральных ОУ имеются специаль­ные выводы для балансировки U₀.

Амплитудно - частотная характеристика ОУ отличается от АЧХ кас­када предварительного усиления равномерностью коэффициента усиления от 0Гц до некоторого верхнего значения f_Bepx Гц, где начинается снижение ко­эффициента усиления. Обычно АЧХ строится в логарифмическом масштабе и для ее обозначения применяется сокращение ЛАЧХ.

Где К_р - коэффициент усиления мощности Р в децибелах

f_rp - граничная частота полосы пропускания на уровне - 3дБ. Частотные возможности ОУ определяются также частотой единично­го усиления f₁. Причем f₁ = K_pмакс*f_rp, т.е. частота единичного усиления равна произведению коэффициента усиления на полосу пропускания. Интеграторы.

Интеграторы предназначены для интегрирования во времени входных сигналов длительностью t_u и например постоянной амплитуды. Элементарная схема интегратора с ОУ имеет вид:

  RC - постоянная времени интегрирования, определяемая значениями R и С. Обычно интегратор работает в три этапа: подготовка (сброс), интегри­рование и хранение. Схема используется в различных измерительных прибо­рах.

Дифференциаторы применяются когда необходимо преобразовать напряжение заданной формы в импульсные сигналы адекватные длительно­сти фронта нарастания и спада этого напряжения. Схемы данного типа могут использоваться для измерения времени быстропротекающих процессов в электронной технике.

Дата добавления: 2014-01-03