Как называется усилитель постоянного тока с очень высоким усилением
Перейти к содержимому

Как называется усилитель постоянного тока с очень высоким усилением

  • автор:

Усилители постоянного тока — назначение, виды, схемы и принцип действия

Основная функция усилителя — генерировать выходной сигнал, который является копией входного, но с более высоким уровнем сигнала. Усилители могут быть разработаны специально для усиления по напряжению, мощности или току. Чаще всего усилитель используется в качестве устройства усиления по напряжению.

Ниже на рисунке показана типичная схема усилителя, где входной сигнал Vi подается на его входную клемму, а выходное напряжение Vo генерируется на его выходе. Коэффициент усиления по напряжению усилителя может быть выражен как отношения выходного напряжения к входному.

Схема усилителя

Например, усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 100 будет преобразовывать входной сигнал 50 мкВ в сигнал 5 мВ.

Во многих приложениях уровень постоянного тока на входе или выходе не важен. Скорее это вариационная или переменная часть сигнала, которая содержит информацию, подлежащую обработке.

Усилители, предназначенные только для передачи вариационных частей входного сигнала, называются усилителями со связью по переменному току, тогда как усилители, предназначенные для усиления и передачи постоянного тока, а также уровней вариаций, называются усилителями с прямой связью.

Электронные усилители представляют собой сложные и дорогие элементы электронного оборудования, включающие как линейные, так и нелинейные компоненты.

Суммарное назначение этих устройств (кроме подавления посторонних шумов) состоит в том, чтобы преобразовать слабый сигнал в сильную версию того же сигнала с минимальными искажениями.

Чем ближе усилитель приближается к идеалу отсутствия искажений в широкой полосе частот, тем сложнее и дороже он должен быть.

Современные усилители высокой точности очень близко подходят к достижению идеала в довольно широком диапазоне частот. Это сделало возможным точное усиление сигналов, ранее записанных с низкой точностью или вообще не записанных.

Так, например, детальный анализ таких данных, как электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, сейсмограммы, записи космических лучей, во многом стал реальностью благодаря развитию современной записывающей и усиливающей аппаратуры.

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц.

Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.

По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.

Транзисторы

Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты.

Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада.

По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.

Усилитель постоянного тока в акустике

Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.

Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, — тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе.

Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.

Дрейф нуля

Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы.

Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.

Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.

Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.

Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход.

В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).

Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам.

Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь.

В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры.

В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.

При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.

Схема прямого усиления

Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.

Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора.

Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер.

Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.

Параллельный балансный каскад

В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.

При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю.

Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку.

На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.

Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока.

Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Как называется усилитель постоянного тока с очень высоким усилением

Основные определения, термины
и понятия по военно-технической подготовке

  • Военно-техническая подготовка
  • Тактитка зенитных ракетных войск
  • Боевое применение зенитного ракетного комплекса

1.9. Усилители электрические

1.9.1. Усилитель постоянного тока (УПТ)

Общие сведения об усилителях находятся в разделе 1.6.4.

Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).

На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.

В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора.

Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды.

Недостатками схемы являются малое входное сопротивление и отсутствие усиления по току.

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α

Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов (для мощных — ещё меньше), так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

  • Хорошие температурные и частотные свойства.
  • Высокое допустимое напряжение

Недостатки:

  • Малое усиление по току, так как α < 1
  • Малое входное сопротивление
  • Два разных источника напряжения для питания.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/29/NPN_common_base.svg/150px-NPN_common_base.svg.png

Рис 1. Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора

1.9.2. Усилитель низкой частоты (УНЧ)

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ) усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню −3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот.

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются также усилителями звуковой частоты. Кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники; радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Классификация по режиму работы выходного каскада.

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

класс, или режим « A » — режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 360°: прибор никогда не закрывается и, как правило, никогда не переходит в режим насыщения или ограничения тока. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.

класс « AB » — режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.

класс « B » — режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 180° или несколько превышает это значение. Для уменьшения нелинейных искажений при переходе сигнала через ноль выходные лампы или транзисторы работают с небольшими, но не нулевыми токами покоя.

Установка нулевого тока покоя переводит каскад из режима B в режим С : угол отсечки уменьшается до менее 180°, при переходе через ноль оба плеча двухтактной схемы находятся в отсечке. Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.

класс « D » — режим работы каскада, в котором активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходным ключом (ключами). Выходной LC-фильтр, включённый между ключами и нагрузкой, усредняет импульсный сигнал от ключей, восстанавливая звуковой сигнал.

Режиму А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D — наименьшие потери при удовлетворительной линейности.

Рис 1. Структурная схема усилителя класса D.

Входной звуковой сигнал и сигнал дополнительного генератора пилообразного напряжения подаются на аналоговый компаратор (С), формирующий ШИМ ( Широтно-импульсная модуляция — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.) прямоугольное колебание, далее усиливаемое силовыми ключами и подаваемое на громкоговоритель через LC-фильтр нижних частот. Частота пилообразного сигнала выбирается много больше самой верхней частоты в спектре звукового сигнала.

Рис 2. Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

1.9.3. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) ( схема с общей базой, схема с общим эммитером )

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) — электронный усилитель сигнала промежуточной частоты.

Применяется в трактах радиоприёмных и радиопередающих устройств, измерительных приборов. Широко используются при построении систем связи, радиолокации, радионавигации. Благодаря применению УПЧ достигается полная развязка между каскадами усиления в многокаскадных усилителях. Без применения УПЧ даже слабые наводки, создаваемые верхними каскадами усилителя, попадая в нижние каскады, вызвали бы эффект самовозбуждения колебаний, сделав невозможной работу усилителя.

На рисунке приведена практическая схема усилителя промежуточной частоты с одним источником питания. Нагрузкой усилителя являет­ся резонансный контур С 3 L 1 с трансформаторной связью. С 1 – входной разделительный конденсатор, резисторы R 1 и R 2 образуют цепь смещения по постоянному току, R 3 — эмиттерный резистор. Развязывающий конденсатор С 2 обеспечивает сохранение на базе транзистора нулевого потенциала по переменному току. В данном случае развязывающий конденсатор присоединен к положительной шине источника питания, а не с шасси. Это допустимо, поскольку по переменному току (то есть для переменного сигнала) потенциал этой шины равен нулю. Потенциалы положительной шины источника питания и шасси отличаются только по постоянному току.

http://www.bestreferat.ru/images/paper/87/52/8065287.png Типичный УПЧ по схеме с общей базой

Рис 3. Одноконтурный каскад УПЧ по схеме с общим эммитером (ОЭ).

1.9.4. Усилительный каскад ( на квадратиках схема, его характеристики )

Каскад с общим эмиттером.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a0/NPN_common_emitter.svg/150px-NPN_common_emitter.svg.png

Рис 4. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, но снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов ( Ie, Ic, Ib ) равна нулю

\sum_<k=1></p>
<p>^ I_k=0″ width=»82″ height=»52″ /></p>
<p><img loading=

, где

— коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером,

— коэффициент передачи тока эмиттера.

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]

Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

Достоинства:

Большой коэффициент усиления по току

Большой коэффициент усиления по напряжению

Наибольшее усиление мощности

Можно обойтись одним источником питания

Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

Простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала и нагрузке

На рисунке изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала и нагрузке.

Каскад состоит из:

биполярного транзистора VT1 ;

резистора R Б, который задаёт точку покоя каскада по постоянному току;

резистора R К, который преобразует меняющийся ток коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также участвует в задании напряжения покоя на коллекторе.

Для удаления постоянной составляющей входного сигнала источник подключается ко входу каскада через разделительную ёмкость C Р1. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке R Н через ёмкость C Р2. Поскольку ёмкости вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они искажают сигнал, однако выбором достаточно больших величин ёмкости эти искажения сводятся к минимуму. Нагрузка, изображённая в виде сопротивления R Н может представлять собой устройства различного назначения — динамик, индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

Режим работы каскада.

В активном режиме транзистор VT1 открыт, напряжение на базе относительно эмиттера U BE меняется слабо и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,7 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения U BE объясняется тем, что зависимость U BE( I B) логарифмическая, и в широком диапазоне изменении тока базы I B напряжение U BE меняется очень мало.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при фиксированном R С полностью определяется сопротивлением R B:

U_C = E_P - I_C R_C = E_P - \beta I_B R_C= E_P - \beta R_C \frac<E_P - U_<BE>>,» width=»204″ height=»44″ /></p>
<p>где β — коэффициент усиления по току транзистора <em>VT1</em> в схеме с общим эмиттером.</p>
<p>Таким образом, чтобы в режиме покоя обеспечить на коллекторе напряжение <em>U</em> C, при известном <em>R</em> C необходимо взять сопротивление в цепи базы <em>R</em> B равным</p>
<p><img decoding=

R_<out></p>
<p> = R_C || r_C = \frac,» width=»226″ height=»44″ /></p>
<p>где <em>r</em> B и <em>r</em> C — сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно (справочные величины).</p>
<p> <strong>Усиление сигнала.</strong> </p>
<p>Сигнал источника <em>U</em> G поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника <em>R</em> G и входное сопротивление каскада <em>R</em> in, создавая входной ток</p>
<p><img decoding=

выходное напряжение каскада можно записать как

U_<out></p>
<p> = I_C^ R_H^» width=»313″ height=»48″ /></p>
<p>а коэффициент усиления по напряжению</p>
<p><img decoding=

1.9.5. Многокаскадный усилитель ( на квадратиках схема, его характеристики )

На практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют многокаскадные усилители, собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.

В качестве нагрузки можно подключать в выходную цепь каскада УМ комплексные активно-реактивные нагрузки (R, RL, RС, РСL), например обмотку громкоговорителя, фидерную или абонентскую сеть, самописец, обмотку электромагнитного реле, или шагового (искателя) двигателя, или электроконтактора, обмотку возбуждения электродвигателя, различные контрольно-измерительные приборы, блоки развертки луча осциллографа или телевизора, световые индикаторы и т. д.

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.

http://bourabai.ru/toe/amplifier/image119.jpg

Рис 6. 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.

На блок-схеме пунктиром показаны цепи отрицательной обратной связи b1 и b2, которые, уменьшая коэффициент усиления, улучшают другие более важные качественные показатели усилительного устройства.

Многокаскадные усилители характеризуются следующими признаками, параметрами и характеристиками. По разным признакам различают:

1) усилители на электронных усилительных лампах, на транзисторах, на тиристорах, на туннельных диодах, на микросхемах и т. п.;

2) по количеству усилительных каскадов — двух-, трех- и более каскадные усилители;

3) по частотным свойствам — усилители напряжения или тока низкой частоты (НЧ), высокой частоты (ВЧ), промежуточной частоты (ПЧ), ультразвуковой частоты (УЗКЧ), узкополосные и широкополосные усилители, усилители постоянного тока (УПТ);

4) по виду межкаскадной связи — усилители с RС-связью, в которых применяются разделительные конденсаторы между каскадами; усилители с трансформаторной связью между каскадами; усилители с полосовым колебательным контуром связи между каскадами; усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами;

5) по виду используемой последовательной или параллельной отрицательной обратной связи по напряжению или току;

6) по режимам работы в классах А, В, АВ, С, Д;

7) по соотношению величины входного сопротивления первого каскада Rвх к-да, сравнительно с величиной сопротивления датчика Rг входного сигнала различают: а) режим холостого хода (хх), когда Rвх к-да >> Rг; б) режим короткого замыкания (кз), когда Rвх к-да

8) по соотношению величины выходного сопротивления со стороны выходных клемм усилителя сравнительно с величиной сопротивления нагрузки Rн различают следующие режимы работы:

а) режим хх, когда Rвых

б) режим кз, когда Rвых >> Rн;

в) режим согласования, когда Rвых » Rн.

Основные характеристики многокаскадных усилителей:

1. Амплитудная характеристика , показывающая зависимость величины выходного напряжения усилителя от величины входного напряжения при постоянной частоте усиливаемого сигнала, то есть Uвых = f(Uвх) при f = = соnst » 400 или 1000 Гц (рис. 2, а). Чтобы нелинейные искажения не превышали допустимой величины, используется только линейный участок амплитудной характеристики.

Наличие внутренних шумовых помех приводит к тому, что при отсутствии входного сигнала (Uвх = 0) на выходе усилителя имеется выходное напряжение Uвых = Uшума.

2. Частотная ( или амплитудно-частотная ) характеристика , показывающая зависимость величины коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала при неизменной величине входного напряжения, то есть К = Uвых / Uвх = j(f) при Uвх = соnst.

На частотной характеристике, показанной на рис. 2, б, различают три области: а) область низкой частоты; б) область средней частоты; в) область верхней частоты.

http://bourabai.ru/toe/amplifier/image120.jpg

Рис 7. Характеристики усилителей: а — амплитудная; б — частотная (или амплитудно-частотная); в — фазовая

Эта характеристика показывает, что наибольшее усиление полезного сигнала происходит в области средних частот, а в областях низкой и верхней частот происходит завал характеристики, обусловленный реактивными (емкостными) элементами в схеме усилителя.

На этом графике показана рабочая полоса частот в пределах от верхней граничной частоты до нижней граничной частоты, то есть Df = fв гран — fн гран, где завал частотной характеристики не превышает допустимую величину более чем на 30% от коэффициента максимального усиления. Обычно ось абсцисс частотной характеристики строят в логарифмическом масштабе, чтобы очень сильно не растягивать график.

3. Фазовая характеристика , показывающая величину угла сдвига фазы j между фазой выходного сигнала и фазой входного сигнала в зависимости от частоты сигнала, то есть j = y(f).

На графике (рис. 2, в) видно, что фазовый угол сдвига j между выходным и входным напряжениями в области средних частот примерно равен нулю, а в областях нижней и верхней частот допустимая величина этого угла примерно равна j » p/4 = 45°.

Нужно иметь в виду, что фазовые искажения связаны с наличием реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) в схемах усилительных устройств. Фазовые искажения существенное значение имеют в осциллографической, телевизионной, радиолокационной, импульсной и т. п. технике. В усилителях звуковой частоты они не оказывают заметного влияния на восприятие звукового сигнала человеком.

Параметры многокаскадных усилителей:

1. Общий коэффициент усиления по напряжению

Кu = Uвых / Uвх = Um вых / Um вх ,

где Uвх и Umвх обозначают соответственно действующие и амплитудные значения выходных и входных напряжений усиливаемого сигнала.

В ламповых схемах усилителей, а также в усилителях на полевых униполярных транзисторах, у которых входное сопротивление каскада значительно больше внутреннего сопротивления датчика входного сигнала, то есть Rвх к-да >> Rг, то можно принять Uвх » Ег, где Ег — ЭДС датчика сигнала.

Кu = Uвых / Uвх = Кu1 * Кu2 . Кun.

2. Коэффициент усиления по току

Кi = Im вых / Im вх = Iвых / Iвх ,

где Iвых — ток в нагрузке, Iвх — ток во входной цепи усилителя.

3. Коэффициент усиления по мощности

Кp = Кi * Кu = Рвых / Рвх,

где Рвых — полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Рвх полезная мощность, расходуемая во входной цепи усилителя.

4. Если коэффициенты усиления усилителя выражены в децибелах, то расчетные формулы имеют следующий вид:

Кu(дб) = 20lgКu; Кi(дБ) = 20lgКi; Кр(дБ) = 10lgКр.

Некоторые соотношения для перевода безразмерных Кu в коэффициенты усиления, выраженные в децибелах Кu(дБ), приведены в таблице:

Как называется усилитель постоянного тока с очень высоким усилением

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т.д. Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабиль­ности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и не­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями I кбо , U бэ0 и B .Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо умень­шать коэффициент нестабильности S нс .

Абсолютным дрейфом нуля , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: е др = . Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е др ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях (рассмотренных в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R Э большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит KU для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален S нс , то величина е др оказывается независимой от S нс . Минимального значения е др можно достичь за счет снижения величин R э, R б и Rr . При этом для кремниевых УПТ можно получить в своих каскадах. В многокаскадном усилителе наблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзистора каждого

При разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания EK . Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R 1 и R 2 . На рисунке 2.3.1 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТ прямого усиле­ния. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Рисунок 2.3.1 схема входного каскада УПТ

Нагрузка усилителя обычно включается в диагональ моста, образованного элементами выходной, цепи УПТ. Рассматриваемый здесь способ включения нагрузки используется для получения U н =0 при Е r =0. Номиналы резисторов R3 и R4 выбираются таким образом, чтобы напряжение средней точки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора в режиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока. В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления Ku oc каскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами и Ku ОС = — R кн / R э соответственно. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R к имеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где R к меньше, все равно его номинал должен быть больше номинала R э . В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада может оказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада в идеальном случае и сведен к нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь при специальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры. Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее в УПТ с четным числом усилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

Способ построения УПТ на основе непосредственной связи в усилительных каскадах с глубокой ООС может быть использован для получения сравнительно небольшого коэффициента усиления (в несколько десятков) при достаточно большом 2.3.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью: К118УД, КР198УТ1 и др. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рисунке 2.3.1.1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R к1 и R к1 , а два других — транзисторами Т1 и Т2. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R 01 и R 02 имеют небольшие величины, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R Э подключен к эмиттерам транзисторов. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

Рисунок 2.3.1.1 Схема дифференциального усилителя

Использование второго источника (—Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров Т1 и Т2 до потенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений. При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т1 и резистора Rк1 (и R01 ), второе —из транзистора Т2 и резистора Rк2 (и R02 ). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, что ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор RЭ , которым и задается их общий ток. Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранить свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По нему необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т1 и Т2, а также Rк1 = Rк2 (и R01 = R02 ). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при Uвх1 = Uвх2 = 0 достигается полный баланс моста, т. е. потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах, ОЭ (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет от­сутствовать. За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Если собрать ДУ на таких дискретных элементах, то он может быть и продемонстрируете желаемый результат, но только в относительно небольшой промежуток времени. С течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом в соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на них различным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушится симметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счете можно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практически невозможно. Это и обусловили тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашли должного использования в дискретной электронике. Приблизиться к выполнению первого основного требования для ДУ позволила микроэлектроника. Ясно, что симметрию общих плеч ДУ могут, обеспечив лишь идентичные элементы в которых все одинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИС первое требование к ДУ почти выполнено. Это «почти» позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, но все же с хорошими параметрами, но при непременном условии выполнения второго основного требования к ДУ.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (рис. 10) присутствуют U вх1 = U вх2 , причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R Э , (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т1 и Т2 приотк­роются и токи их эмиттеров возрастут. В результате по резистору R Э будет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R Э образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, K исф1 и Кисф2 . Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала Кисф = Кисф1 — Кисф2 и за счет выполнения первого основного требования Кисф1 ≈ Кисф2 удается получить весьма малое значение Кисф , т. е. значительно подавить синфазную помеху.

Так как в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основных требования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизить влияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ров элементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, но по весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослабляться наличием ООС.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала — дифференциального. Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U вх2 — отрицательной.

За счет действия U вх1 транзистор Т1 приоткрывается, и ток его эмиттера получает положительное приращение ∆I Э1 , а за счет действия U вх2 транзистор Т2 закрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение, т.е. — ∆I Э2 . В ре­зультате приращение тока в цепи резистора R ЭIR Э = ∆I Э1 — ∆I Э1. Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆IR Э = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит и название усилителя — дифференциальный. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т1 и Т2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор R Э , образует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то R Э все же будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по току задают в каскадах ДУ с по­мощью резисторов R01и R02 . Как отмечалось выше, эти резисторы имеют небольшие номиналы (участки полупровод­никовой подложки), поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет на усилительные свойства ДУ.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следует различать схемы его включения.

Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель и принцип его работы

Операционный усилитель (ОУ) — это многокаскадный электронный усилитель постоянного тока, оснащённый дифференциальным входом и обычно одним выходом. Это устройство обладает огромным коэффициентом усиления. Хотя ОУ был разработан давно, он имеет долгую историю и обширную сферу применения, и наиболее часто используется в схемотехнических решений в электронной технике.

В статье разберем для чего нужен ОУ, наиболее применяемые схемы включения ОУ и методиками расчёта их параметров. В практической части, разберем схему устройства, одновременно позволяющую понять, каким образом работает операционный усилитель, а также произвести проверку его исправности.

Василий Мокрецов - автор статей в Суперайс

Эксперт — Василий Мокрецов

Время чтения: 17 минут

  • История создания
  • Основы функционирования
    • Условное графическое изображение
    • Реализация питания
    • Принцип работы
    • Компаратор
    • Повторитель напряжения
    • Дифференциальный усилитель
    • Инвертирующий усилитель на ОУ
    • Неинвертирующий усилитель на ОУ
    • Интегратор
    • Дифференциатор
    • Генератор
    • Пиковый детектор

    История создания

    Операционный усилитель был придуман в конце 30-х — начале 40-х годов прошедшего века. Он был разработан для выполнения математических операций (отсюда и появилось название — операционный усилитель) в составе первых аналоговых электронных вычислительных машин (сложение, вычитание, а также интегрирование, дифференцирование и др.).

    Первые выпускаемые промышленностью серийные операционные усилители выполнялись на радиолампах, позже появились транзисторные модели. В 60-х годах в США компанией Fairchild Semiconductor был разработан первый в мире ОУ в виде микросхемы. С того времени практическое применение первых устройств на радиолампах и транзисторах почти полностью прекратилось и само название «операционный усилитель» устойчиво закрепилось за номенклатурой микросхем ОУ различных видов и сфер применения.

    Основы функционирования

    Условное графическое изображение

    На электрических принципиальных схемах операционный усилитель обозначается:

    операционный усилитель в Суперайс

    [Vin+] — неинвертитующий (прямой) вход;

    [Vin-] — инвертирующий (обратный или инверсный) вход;

    (неинвертирующий и инвертирующий входы вместе называются дифференциальным входом)

    [V+] — положительный полюс источника питания (Vdd, Vcc);

    [V-] — отрицательный полюс источника питания (Vss, Vee).

    Для устранения информационной загруженности электрической принципиальной схемы знаки + и — внутри треугольника не обозначают, но для распознавания конкретного типа входа на схеме инвертирующий вход дополняют небольшой окружностью:

    операционный усилитель купить в Суперайс

    С той же целью в большинстве схем не обозначают выводы подключения питания устройства:

    усилитель постоянного тока в Суперайс

    Реализация питания

    Кроме отдельных версий ОУ, работающих на однополярном питании, оптимальным (но не обязательным) для операционных усилителей является двухполярное электропитание.

    На схеме ниже источник питания обозначен в виде двух гальванических элементов (батареек). На практике помимо гальванических элементов могут использоваться аккумуляторы, трансформаторные и импульсные блоки питания. Относительно средней точки, обозначаемой знаком ⏚ напряжения [V+] и [V-] должны быть равны, но большинство ОУ допускают некоторый перекос, величина которого отражается в технической документации.

    операционный усилитель оу в Суперайс

    Вывод средней точки источника питания обычно не подключается к ОУ, и одновременно является еще и общим сигнальным проводником.

    При необходимости (к примеру, при питании устройства от бортовой сети автомобиля) возможно подключение и однополярного источника питания.

    При подобной схеме подключение средняя точка создаётся искусственно при помощи резистивного делителя напряжения. Сопротивление резисторов R делителя, как правило, выбирают одинаковым, чтобы значение электрического потенциала средней точки делителя составляло половину питающего напряжения.

    усилитель постоянного тока купить в Суперайс

    Принцип работы

    Дифференциальный вход (от лат. differentia — «разность») устройства состоит из неинвертирующего [Vin+] и инвертирующего [Vin-] входов.

    Идеальный ОУ усиливает разницу напряжений на них. Синфазный сигнал (то есть совпадающий по величине и фазе на обоих входах) не влияет на результирующее напряжение. Чтобы определить Vout на выходе идеального ОУ, потребуется формула:

    усилитель постоянного тока заказать в Суперайс

    где V1 и V2 — напряжение на неинвертирующем и инвертирующем входах соответственно, K — коэффициент усиления при отсутствии обратной связи.

    У реального ОУ, ввиду временного и температурного дрейфа нуля, отсутствия полной стабилизированности источника питания, собственных шумов и деградации полупроводника, Vout не будет в точности соответствовать расчётному.

    Синфазная составляющая с нулевым коэффициентом усиления у идеального ОУ, в реальном устройстве будет влиять на выходной сигнал. Но так как параметры современных интегральных операционников близки к идеальным, то в большинстве случаев, особенно в радиолюбительских конструкциях, погрешностью можно пренебречь.

    Значение коэффициента K для идеального ОУ равняется бесконечности, для типового реального — 10⁵ ÷ 10⁶ и более. Малая разность между V1 и V2 будет приводить к возникновению на выходе Vout, параметры которого будут близки к напряжению источника питания.

    На практике такая схема (без обратной связи) включения не используется, за исключением схемы компаратора (см. раздел «Типовые схемы включения»). Для обеспечения предсказуемости работы прибора применяется отрицательная обратная связь (ООС), реализуемая путем подачи части Vout на инвертирующий вход [Vin-].

    Параметры идеального операционного усилителя и его отличие от реального

    • Коэффициент усиления ОУ при отсутствии обратной связи K равен бесконечности. У реального усилителя он находится в диапазоне 10⁵ ÷ 10⁶, а если используется ООС, то коэффициент вовсе может быть уменьшен вплоть до 1 (повторитель, см. раздел «Основные типы») и тогда значение K вообще никак не сказывается на работе ОУ.
    • Выходное напряжение Vout распологается в диапазоне от минус бесконечности до плюс бесконечности. На практике Vout ограничено диапазоном питающего напряжения.
    • Входное сопротивление равно бесконечности. У реального усилителясопротивление очень велико, но всё же не нулевое, и хоть в незначительной степени, но всё же влияет на входной сигнал.
    • Вытекающие из предыдущего пункта, имеющие нуль входной ток и напряжение смещения (Vout=0, при V1=V2)
    • Полоса пропускания бесконечно широкая и скорость, с которой нарастает выходное напряжение, бесконечно большая. Реализовать на практике это не представляется возможным.
    • Отсутствие собственных шумов.
    • Степень подавления (коэффициент подавления) синфазной составляющей сигнала равна бесконечности.
    • Отсутствие влияния шумов и пульсаций источника питания ОУ на Vout.
    • Выходное сопротивление равняется нулю. У реального ОУ выходное сопротивление отлично от нуля, и поэтому выходной ток влияет на величину выходного напряжения, или, другими словами, со снижением сопротивления нагрузки выходное напряжение падает.

    Типовые схемы включения операционных усилителей

    Все расчёты дают верный результат только для идеального ОУ (см. раздел «Идеальный и реальный операционные усилители»). Результат расчёта будет не соответствовать измеренным параметрам реального операционного усилителя на величину погрешности.

    Компаратор

    операционный усилитель принцип

    Компаратор (от лат. comparare — “сравнивать”) — простейшая схема включения ОУ. Принцип работы заключается в сравнении входных напряжений и выдаче постоянного напряжения на выходе усилителя V+, если V1 > V2, или V-, если V1 < V2:

    операционный усилитель схема

    Компаратор применяется в цепях автоматики (к примеру, сравнение показаний двух датчиков температуры) и используется в качестве простейшего аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

    Повторитель напряжения

    операционный усилитель назначение

    Повторитель имеет аналогичное значение напряжения как на выходе, так и на входе. Коэффициент усиления равен 1. Повторитель служит буферным усилителем, для согласования нагрузки в цепи Vout, имеющей малое сопротивление с высоким выходным сопротивлением источника Vin.

    Дифференциальный усилитель

    схемы включения операционных усилителей

    Дифференциальный усилитель на ОУ- электронный усилитель с Vout равным разности V1 и V2, помноженной на константу:

    характеристики идеального оу

    Чтобы диф. усилитель усиливал только разность V1 и V2, и не воспринимал синфазную составляющую, необходимо соблюсти соотношение сопротивлений резисторов:

    идеальный оу

    При таком соотношении коэффициент усиления синфазной составляющей станет равным нулю, и Vout будет зависеть только от разности V1 и V2:

    эквивалентная схема идеального оу

    Дифференциальный усилитель предназначен для применения в сигнальных цепях, в которых полезную информацию несёт не конкретное значение напряжения относительно общего проводника, а разность напряжений между двумя сигнальными линиями.

    Простейшим примером является разность потенциалов между выводами резистора малого сопротивления, включённого последовательно с нагрузкой и используемого в качестве датчика тока.

    Линии связи, применяемые в цифровой технике выполнены по дифференциальной схеме, при которой информация передаётся по парам проводов (Ethernet, CAN, USB, HDMI и многие другие). Синфазные помехи, воспринимаемые линией связи во время работы, одинаково влияющие на оба проводника в паре, нетрудно подавить во входном дифференциальном усилителе.

    Инвертирующий усилитель на ОУ

    где используются операционные усилители

    Данный тип инвертирует входной сигнал и, в зависимости от соотношений сопротивлений резисторов Rin и Rf на выходе Vout усиливает/ослабляет/повторяет входное напряжение:

    идеальный операционный усилитель схема устройства принцип работы

    Коэффициент усиления операционного усилителя бывает, как положительным (усиление), так и отрицательным (ослабление) и равным единице (повторение).

    Схема имеет разновидность, называемую инвертирующий усилитель-сумматор:

    схема идеального операционного усилителя

    Схема на выходе Vout выдаёт напряжение, равное сумме входных напряжений:

    принцип работы ОУ

    если R1=R2=. =Rn, то:

    схема компаратора на операционном усилителе

    если R1=R2=. =Rn=Rf, то:

    работа операционного усилителя

    Неинвертирующий усилитель на ОУ

    входы операционного усилителя

    В схеме Vout равно Vin, умноженному на положительную константу:

    операционный усилитель оу

    Интегратор

    выходы операционного усилителя

    Схема на выходе Vout выдаёт инвертированное напряжение численно равное интегралу Vin по времени t. Значение выходного напряжения в момент t (Vinitial) определяется формулой:

     в Суперайс

    где Vinitial в момент t = 0.

    Стоит учесть, что при схеме включения ОУ перестает быть усилителем постоянного тока, поскольку отрицательная обратная связь реализована через конденсатор с бесконечно большим сопротивлением постоянному току.

    Интеграторы применяется в различных системах автоматики, требующих вычисления интеграла (как правило, по времени). К таким системам относится радионавигационное оборудование, системы курсовой устойчивости, системы контроля и учёта потребления жидкости, газа и множество других.

    Схему можно рассматривать как фильтр нижних частот (ФНЧ), используемый в различной звуковоспроизводящей, радиопередающей и радиоприемной аппаратуре.

    Дифференциатор

    как работает операционный усилитель

    Такая схема включения дифференцирует по времени и инвертирует Vin и на даёт выходе Vout, определяемое по формуле:

    принцип действия операционного усилителя

    Схему можно рассматривать как фильтр верхних частот (ФВЧ), который, совместно с фильтром низких частот применяется в различных устройствах автоматики и обработки аналоговых сигналов.

    Генератор

    операционный усилитель принцип работы схемы

    Схема автоколебательного генератора (мультивибратора) прямоугольных импульсов основана на предыдущей схеме дифференциатора на операционном усилителе, в цепи которого введена положительная обратная связь, образованная резисторами R2 и R3. Частота импульсов зависит от времязадающей цепочки R1C и определяется по формуле:

    схемы генераторов на операционных усилителях

    Пиковый детектор

    электронное оборудование в Суперайс

    Пиковый детектор — устройство, предназначенное для «запоминания» пикового (минимального или максимального) значения входного сигнала Vin. «Ячейкой памяти» является конденсатор С, заряжаемый экстремумами напряжения через диод D.

    Для «стирания» «сохранённого» пикового значения замыкают ключ K: через него конденсатор разряжается и значение напряжения на его обкладках становится равным нулю. После размыкания ключа устройство вновь готово к работе. Для сохранения отрицательного экстремума Vin полярность включения диода меняется на противоположную.

    В реальных устройствах ключ K является электронным, выполненным, например, на транзисторе, и управляется логической часть устройства.

    В качестве примера совмещения интегратора, дифференциатора и пикового детектора можно указать устройство, которое встречается в звуковоспроизводящей аппаратуре, предназначенное для индикации пиковых уровней сигнала на различных частотах.

    Виды

    Номенклатура операционных усилителей широка, поэтому описать все виды этого электронного прибора невозможно. Приведем основные виды, применяемые в массовой аппаратуре и радиолюбительских конструкциях.

    • Широкого применения. В эту группу входят как недорогие, «классические» ОУ, так и имеющие наиболее усреднённые базовые параметры. Использоваться могут как в аналоговых, так и в цифровых схемах. Примером могут служить TL084, и знакомый всем радиолюбителям сверхпопулярный LM324, выпускаемые отечественной промышленностью КР140УД1А, КР544УД1А и другие.
    • Звуковые ОУ как ясно из названия, применяются для усиления сигнала звуковой частоты. Имеют крайне низкий коэффициент нелинейных искажений. Наиболее популярными в промышленных и авторских конструкциях звуковых усилителей являются ОУ TL072, LM4562, AD797 и некоторые другие.
    • Малошумящие ОУ применяются во входных каскадах звукоусиливающей аппаратуры, к примеру, в RIAA-корректорах высококлассных проигрывателей виниловых дисков. Примером могут служить OPA2180, NE5532.
    • Прецизионные ОУ имеют высокую временную стабильность параметров. Основное применение — схемы точного измерения характеристик сигнала, а конкретнее, входные цепи измерителей аналоговых величин: напряжения, температуры и т. п. В качестве примера можно выделить морально устаревший, но популярный AD707 и более современный AD8551.
    • Сильноточные (мощные) ОУ применяются в качестве драйверов исполнительных органов различной аппаратуры. Примером может служить L2722 с током нагрузки до 1 ампера и используемый для управления коллекторными микродвигателями цепей автоматического регулирования. Данный ОУ так же нашел применение в качестве усилителя мощности звуковой частоты в недорогой аппаратуре.

    Практическая часть

    В практической части будет рассмотрена схема простого устройства, позволяющего понять, как принцип работы прибора, так и произвести проверку его работоспособности. Схема устройства представлена ниже.

    электронный усилитель схема

    Основа схемы — операционный усилитель. Тип ОУ не указан, так как устройство будет работоспособно с любым широко распространённым маломощным представителем оборудования этого класса. Номиналы других электронных компонентов указаны на схеме.

    Те, кто только знакомится с операционными усилителями, но внимательно прочёл статью, уже заметили, что в данной схеме ОУ включён по схеме компаратора напряжения с однополярным питанием.

    Принцип работы устройства очень прост. На инвертирующий вход испытуемого операционного усилителя напряжение подаётся через резистивный делитель, образованный резисторами R1 и R2. Номиналы обоих резисторов одинаковые и в их общей точке, подключенной к инвертирующему входу ОУ, напряжение составит ½ питающего напряжения, то есть около 4.5 вольт.

    В момент подключения устройства к источнику питания конденсатор C1 будет разряжен и напряжение на неинвертирующем входе ОУ, подключенного к этому конденсатору будет равно нулю.

    Напряжение на выходе компаратора определяется по следующей формуле (см. раздел «Типовые схемы включения»):

    устройство электронного усилителя

    По формуле, если V2 на инвертированном входе превышает V1 на неинвертированном входе ОУ, то Vout станет равным отрицательному напряжению питания. В нашем случае при однополярном питании Vout будет равно 0 и светодиод LED, подключенный через токоограничивающий резистор R4 светиться не будет из-за отсутствия тока в этой цепи.

    Если нажать кнопку SW1, то конденсатор C1 начнет через резистор R3 заряжаться от источника питания, и как только напряжение на его выводах (соответственно и на неинвертированном входе ОУ) превысит напряжение на инвертированном входе ОУ, то компаратор сменит своё состояние. Тогда напряжения на выходе и источника питания сравняются, то есть 9 вольт, что приведёт к появлению тока в цепи светодиода и его свечению.

    После отпускания кнопки SW1 светодиод продолжит светиться. Конденсатор С1 можно разрядить принудительно с помощью кнопки SW2, которая замыкает его накоротко. После разрядки конденсатора С1 светодиод гаснет.

    Отсутствие свечения светодиода после нажатия кнопки SW1, либо, наоборот, присутствие свечения после нажатия кнопки SW2, тусклое «вполнакала» свечение светодиода при нажатии на любую из кнопок сообщает о неисправности тестируемого операционного усилителя.

    Устройство несложное схемотехнически и довольно просто собирается на любой макетной плате, к примеру, на Breadboard MB-102. Все электронные компоненты можно найти в любом образовательном наборе на основе платформы Arduino, например, в многофункциональном расширенном наборе Arduino Starter Kit UNO R3.

    электронный усилители тока

    В качестве испытуемого операционного усилителя использовался широко распространённый TL072 компании TexasInstruments.

    электронный усилитель купить

    В качестве источника питания для устройства можно применить любую батарейку 9 вольт. Подойдет самая обыкновенная «крона», либо аккумулятор с близкими параметрами, либо сетевой блок питания. В моём случае напряжение питания подавалось через лабораторный блок питания Maisheng MS-3010D, который просто обязан быть в мастерской у любого радиолюбителя.

    Блок питания обладает высокой точностью выходных параметров, способен выдавать напряжение до 32 вольт при силе тока более 10 ампер. Блок имеет хорошую перегрузочную способность и высокое общее качество изготовления.

    электронные усилители принцип действия

    Погрешность установки выходного напряжения Maisheng MS-3010D не превышает 0.01 вольта: показания блока питания в точности соответствуют показаниям мультиметра ANENG M20, имеющего точность измерения ±0.5%, множество других отличных функций, к которым, к примеру, можно отнести TrueRMS, позволяющую с высокой точностью измерять действующее напряжение переменного тока любой частоты. Автоматический выбор предела измерения, который защитит ваш измерительный прибор от повреждений, даже если случайно подать высокое напряжение. Индикатор электромагнитного поля, который помогает в поиске скрытой электропроводки, в бесконтактной проверке.

    Операционный усилитель, разработанный более 60 лет назад, имеющий в основе радиолампы и созданный для выполнения операций, которые использовались в математике на первых в те годы электронных вычислительных машинах претерпел за свою историю видоизменения.

    Сфера применения компонента также значительно расширилась: встретить его можно и в импульсном блоке питания, и в усилителе звуковой частоты, и в любом устройстве автоматики. И все без исключения параметры были улучшены, что позволило ОУ стать универсальным электронным компонентом, способным к выполнению множества практических задач в промышленной технике и в радиолюбительских конструкциях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *