Раздел 3

Операционные усилители. Аналоговые электронные устройства. Усилители.

Содержание:

РАЗДЕЛ 1. Операционные усилители

РАЗДЕЛ 2. Аналоговые электронные устройства. Усилители.

РАЗДЕЛ 1. Операционные усилители (ОУ)

ОУ представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока. Он усиливает сигналы, начиная с нулевой частоты f = 0 до граничной частоты fгр. ОУ выполняется в виде интегральной схемы. Условные графические обозначения (УГО) ОУ приведены на рисунке:

• 1 – инвертирующий (инверсный) вход;
• 2 – неинвертирующий (прямой) вход;
• 3 – выход;
• +U и -U – выводы для подключения положительного и отрицательного напряжения питания;
• 0В – общий вывод ("ноль вольт"). Вход и выход имеют общую точку (земля);
• NC и FC – метки, характеризующие функции вывода.

В наиболее широко используемых ОУ питание осуществляется от расщепленного источника ± U с нулевым выводом. Обычно |+U| = |-U| = 3…18 В.

Часто на схемах используют упрощенные УГО (а, б). Вариант (а) используют обычно в зарубежной литературе. Варианты (а) и (б) не соответствуют ЕСКД и не могут использоваться в курсовом и дипломном проектировании.

Физический смысл инвертирующего и неинвертирующего входов в том, что при подаче синусоидального сигнала на инвертирующий вход фаза выходного сигнала сдвинута на 180 градусов по отношению к фазе входного сигнала, при подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают.

ОУ усиливает разность входных напряжений – Uвх1 и Uвх2.

Напряжение Uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом).

Uдиф = Uвх2 - Uвх1.

Uвых = k·Uдиф, где k – коэффициент усиления ОУ.

Передаточная характеристика ОУ

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида Uвых = f(Uдиф), где f – некоторая функция.

Характеристика обычно не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно. Значение напряжения Uдиф, при котором выполняется условие Uвых= 0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через Uсм. Например, у ОУ типа К140УД1 Uсм = ±10 мВ

Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равно нулю, т.е. для того передаточная характеристика через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). Для этого могут быть предусмотрены выводы "NC", на которые нужно подавать напряжение, компенсирующие Uсм, что показано на рисунке:

• На единицы-десятки микровольт при изменении температуры на 1°С;
• На единицы-десятки микровольт при изменении напряжения питания на 1В;
• На доли-единицы микровольт при увеличении срока службы схемы на 1 месяц.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режим усиления (линейным, активным режимом).

В линейном режиме Uвых = k·Uдиф, где k – коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала), k = 104…105.

В режиме насыщения Uвых.max = +Uпит– 3В, Uвых.min = -Uпит+ 3В.

В приближенных расчетах принимают: Uвых.max = +Uпит, Uвых.min = -Uпит.

Диапазон значений напряжений Uдиф настолько мал, что в режиме линейного усиления при практических расчетах принимают Uдиф = 0.

Синфазный сигнал

ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли Uвых при изменении Uдиф и как можно меньше изменяли Uвых при одинаковом (синфазном) изменении Uвх1 и Uвх2.

Если модуль |Uсф| сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение Uвых. Иначе его влияние, как следует из графика, может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос.сф

Коэффициент К всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос.сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочных данных обычно указывают модули этих коэффициентов. Модуль коэффициента Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент K, т.е. 104…105.

Влияние входных токов на выходное напряжение

Рассмотрим схему с двумя резисторами на входе при отсутствии источников входных сигналов.

Для реальных ОУ токи I1, I2 составляют от десятков наноампер до единиц микроампер. Как правило, I1 ≠ I2, R1 ≠ R2. Следовательно на входе возникает паразитный сигнал, который будет восприниматься как дифференциальный, что приведет к нарушению режима работы ОУ. Для его коррекции могут быть использованы выводы "NC".

Амплитудно-частотная характеристика ОУ

При увеличении частоты f уменьшается коэффициент K и возникает сдвиг по фазе φ между напряжениями Uдиф и Uвых (предполагается, что эти напряжения синусоидальные). Для учета этого удобно учитывать комплексный коэффициент усиления по напряжению :

АЧХ ОУ приведена на рисунке:

АЧХ показывает, что || начинает уменьшаться уже при очень низких частотах (около 10 Гц). В практических схемах ОУ используется с отрицательными обратными связями, что значительно улучшает частотные свойства и обеспечивает работу на частотах в десятки, сотни кГц.

У некоторых операционных усилителей частотные характеристики таковы, что возможно самовозбуждение (при этом усилитель на основе операционного усилителя превращается в генератор). Для необходимого изменения частотных характеристик используют корректирующие устройства (конденсаторы или RC-цепочки). Выводы операционного усилителя, предназначенные для подключения корректирующей цепей, обозначаются через FC.

РАЗДЕЛ 2. Аналоговые электронные устройства. Усилители.

Усилители

При измерении электрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов возникает необходимость усиления электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности от источника питания в нагрузку. Усилители выполняются на биполярных и полевых транзисторах или на интегральных схемах.

Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется каскадом. Структурная схема усилительного каскада показана на рисунке:

Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение Uвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения Uвых (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии Е. УЭ - управляющий элемент, выполненный на биполярном или полевом транзисторе.

К основным характеристикам усилителя относятся:

Коэффициент усиления

Рассматривают коэффициент усиления по напряжению, ku = Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току ki = Iвых/Iвх, коэффициент усиления по мощности кр = Рвых/Рвх = Кu·Кi. Здесь U и I – действующие значения синусоидального напряжения и тока. Коэффициент усиления по мощности кр > 1. В зависимости от усиливаемого параметра, усилители подразделяются на усилители напряжения, тока, мощности. В ряде случаев усилитель делают многокаскадным, что позволяет увеличить коэффициент усиления. Структурная схема многокаскадного усилителя показана на рисунке:

При выполнении условий Uвых1= Uвх2, Uвых2= Uвх3, ..., Uвыхn-1= Uвхn коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов: Ku = Uвыхn/Uвх1= K1K2…Kn.

Выходная мощность

Это мощность на выходе усилителя в заданном режиме работы: Pвых = 0,5·Uн.m·Iн.m, где Uн.m – амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке, Iн.m – амплитуда синусоидально тока нагрузки.

Коэффициент полезного действия

Этот коэффициент равен отношению мощности на выходе усилителя к мощности, отдаваемой источником энергии с напряжением E: η = Pвых/Po, где Po = E·I0 (I0 постоянная составляющая тока).

Амплитудно-частотная характеристика

Это зависимость от частоты модуля коэффициента усиления. В зависимости от вида АЧХ усилителя подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители звуковой частоты (УЗЧ), избирательные усилители.

Вид АЧХ этих усилителей показан на рисунке:

– коэффициент частотных искажений (где Kf коэффициент усиления на заданной частоте).

Δf – полоса пропускания усилителя. Для УПТ (а) она начинается с частоты сигнала f = 0. УПТ усиливает как постоянный, так и переменный сигнал.

В УЗЧ (б) постоянный сигнал не усиливается. Сигналы низкой частоты усиливаются, начиная с нижней границы частоты fH до верхней границы частоты fB.

Характеристикой вида (в) обладают резонансные и частотно-избирательные усилители.

Амплитудная характеристика

Это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока). Амплитудная характеристика показана на рисунке:

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

, где U1m, U2m, U3m, Unm - амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина D = Uвх.max/Uвх.min характеризует динамический диапазон усилителя.

Переходная характеристика

Это зависимость выходного напряжения от времени Uвых(t), когда на вход подается ступенчатый сигнал Uвх(t) = E·1(t). Переходная характеристика показана на рисунке:

На ней показано ступенчатое напряжение Uвх и функция K(t) = Uвых(t)/E.

Переходная характеристика K(t) характеризуется выбросом δ, временем нарастания tн, временем импульса tимп, относительным спадом плоской вершины ΔK/K0.

Входное сопротивление

Это сопротивление усилителя со стороны входа для переменной составляющей заданной частоты.

Rвх = Uвх/Iвх, где Uвх и Iвх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя.

Выходное сопротивление

Характеризует сопротивление усилителя со стороны выхода для переменной составляющей сигнала заданной частоты.

Где ΔUвых и ΔIвых приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Обратная связь в усилителях

Усилитель, у которого часть энергии выходного сигнала подается на вход, называется усилителем с обратной связью. Структурная схема усилителя с обратной связью показана на рисунке:

На вход усилителя с коэффициентом усиления К подается сигнал y. Он равен сумме входного сигнала xвх и сигнала z, поступающего по цепи обратной связи z = Β · xвых. Здесь Β - коэффициент обратной связи. Сигнал на выходе усилителя xвых будет равен y · K, или: xвых = (xвх + Β · xвых) · К. Связь между входным и выходным сигналами в таком усилителе равна

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен

В рассмотренном случае y = хвх + z, т.е. на входе сигналы суммируются. Такая обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь в усилителях не используется.

В усилителях используется отрицательная обратная связь (ООС), при которой y = хвх - z.

Коэффициент усиления усилителя с ООС равен

где К – коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления без обратной связи, Β – коэффициент передачи цепи обратной связи, 1 + Β·k – глубина обратной связи, Β·k – петлевое усиление.

При Β·k >> 1, Koc ≈ 1/Β, т.е. при глубоком ООС зависит только от свойств цепи обратной связи.

В общем случае K и Β имеют комплексный характер . Для упрощения удобно считать частотно независимыми, т.е. действительными величинами K и Β.

Классификация обратных связей в усилителях

Обратные связи бывают полезными, если мы их создаем сами, и паразитными (вредными), если они возникают в схемах помимо нашего желания.

По месту нахождения по отношению к усилителю ОС могут быть внутренними, если передача сигнала с выхода на вход происходит через внутренние элементы усилителя, и внешними, если они охватывают усилитель снаружи.

По воздействию на величину коэффициента усиления ОС бывают положительными, если увеличивают его, и отрицательными, если уменьшают.

Реализация полезных обратных связей может быть различной. Различают 4 вида обратных связей:

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно "закоротить" нагрузки. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль, то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

Влияние отрицательной обратной связи на основные характеристики усилителя

Влияние положительной обратной связи не рассматриваем, т.к. она в усилителях практически не используется. Возникновение паразитных положительных обратных связей приводит к ухудшению характеристик усилителя и отказам в работе, что приводит к необходимости предпринимать меры, обеспечивающие устранение или ослабление действия положительной обратной связи.

На практике широко используются отрицательные обратные связи (ООС) в усилителях для целенаправленного изменения характеристик:

Коэффициент усиления (Кос)

Как отмечалось выше, коэффициент усиления усилителя, охваченного ООС, определяется по формуле:

Если глубина ООС достаточно велика ΒK >> 1, то Koc = 1/Β. Это значит, что Koc зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств цепи прямой передачи (транзисторы, ОУ и т.д.), которые не отличаются высокой стабильностью параметров. Если цепь обратной связи содержит только высокостабильные элементы (резисторы, конденсаторы и т.д.), то Koc оказывается стабильным, т.е. всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием ООС.

АЧХ усилителя, охваченного ООС

ООС уменьшает частотные искажения, т.е. расширяет полосу пропускания Δf как в сторону низких (fH), так и в сторону высоких (fB) частот.

Рассмотрим пример, где цепь прямой передачи образует ОУ типа К140УД8, а цепь обратной связи резисторы R1 = 9 кОм, R2 = 1 кОм:

R1 и R2 - делитель напряжения, причем .

,

АЧХ ОУ К140УД8 и ОУ охваченного ООС с Β = 0,1 показаны на рисунке:

Частота среза fср ОУ без ООС равна 10 Гц.

Для определения частоты среза fср.ос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в первом приближении достаточно провести горизонтальную линию на уровне || = 10 до пересечения с амплитудно-частотной характеристикой используемого операционного усилителя К140УД8. fср.ос = 5·105 Гц.

Входное сопротивление усилителя, охваченного ООС

Выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС

Таким образом, несмотря на снижение коэффициента усиления ООС применяют широко для существенного улучшения характеристик усилителя, например, для повышения стабильности и входного сопротивления и уменьшения выходного сопротивления.

Классы работы транзистора в усилителе

Примем, что на вход усилителя подается синусоидальный сигнал.

Различают классы А, АВ, В, С и D в зависимости от положения начальной рабочей точки (статического режима) и величины входного напряжения. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД. Работа усилителя в соответствующем режиме поясняется с помощью придаточной характеристики на рисунке:

Uвых.А – действует в течение всего периода Uвх.А. Uвых.В – действует в течение половины периода Uвх.В. Uвых.С – действует в течение интервала, меньшего половины периода Uвх.С.

Класс А подразумевает работу на линейной части характеристики с малым сигналом Uвх и сравнительно большой постоянной составляющей Uвх.п. Нелинейные искажения минимальны. Однако КПД резко превышает 0,35. Применяются в высококачественных линейных усилителях.

Класс В характеризуется работой с большим сигналом Uвх. Захватывается нелинейный участок передаточной характеристики. Форма выходного напряжения искажается (полусинусоида). Однако КПД достигает 80%. Применяется в 2-х тактных усилителях мощности.

Класс С характеризуется тем, что входное напряжение больше, чем в классе В. Выходное напряжение действует в течение времени меньшего, чем половина периода. Режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД приближается к единице. Применяется в избирательных усилителях и автогенераторах.

Класс АВ является промежуточным между А и В.

Класс D - ключевой (транзистор находится или в насыщении, или в отсечке).

Усилители на биполярных транзисторах

В промышленной электронике предпочтение часто отдают схемам на биполярных транзисторах, которые показаны на рисунке:

Сигнал источника eг с внутренним сопротивлением Rг через разделительный конденсатор С1 большой емкости поступает на вход усилительного каскада. Усилительный сигнал снимается с резистора RH через разделительный конденсатор С2 большой емкости. Питание каждой из схем осуществляется от источника ЭДС Е. Смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора осуществляется при помощи делителя напряжения на резисторах R1 и R2.

Усилители работают в классе А. Rэ-Cэ - цепь эмиттерной стабилизации начального режима работы. С1 препятствует связи по постоянному току источника eг с усилителем, С2 препятствует связи выходной коллекторной цепи с RH по постоянному току, СЭ ликвидирует ООС на переменному токе. С1, С2, СЭ выбирают такими, чтобы в области средних частот переменные составляющие на них были пренебрежимо малы: XC1 = 1/ωc1 << rвх.э, XC2 = 1/ωc2 << RH, XСЭ ≈ 10·XC1.

• Коэффициентом усиления по напряжению до десятков единиц;
• Коэффициентом напряжения по току в несколько десятков единиц;
• Низким входным сопротивлением (от сотен Ом до десятков кОм).

• Стабильным коэффициентом усиления по напряжению, близким по величине к 1 (находится в пределах 0,9…0,9995);
• Большим входным сопротивлением;
• Низким выходным сопротивлением.

Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах обладают существенно больших входным сопротивлением по сравнению с усилителями на полярных транзисторах. Наиболее часто используют схемы, показанные на рисунках:

Схемы (а) и (б) – с общим истоком, (в) и (г) – с общим стоком

Ток во входной цепи составляет величину 10-9…10-12А для схем (а) и (в). Для схем (б) и (г) этот ток в 103 раз меньше. Назначение С1, С2 и Си такое же, как С1, С2, Сэ в усилителях на биполярных транзисторах. Величина Rз назначается большой величины до нескольких МОм, оно определяет входное сопротивление усилителя.

Усилители с общим истоком имеют коэффициент усиления по напряжению порядка нескольких единиц. Имеют наибольшее распространение.

Усилители с общим стоком (стоковые повторители) имеют коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление.