Электронные усилители и их элементная база

К электронным усилителям относят усилители на электронных лампах и на полупроводниковых приборах – транзисторах (биполярных и полевых) и микросхемах. Ламповые усилители применяются редко – только в устройствах автоматики, разработанных несколько десятилетий тому назад. Поэтому основное внимание следует уделить усилителям на полупроводниковых приборах и на микросхемах.

Транзисторные усилители по способу подключения основного элемента – транзистора могут выполняться по одной из трех схем: схемы с общей базой, схемы с общим коллектором или схемы с общим эмиттером. На рис. 11.5 эти схемы изображены применительно к р-n-р-транзистору. Все они обеспечивают усиление входного сигнала, однако обладают разными свойствами.

Рис. 11.5 – Способы включения биполярного транзистора: а) схема с общей базой; б) схема сообщим коллектором; в) схема с общим эмиттером

Схема с общей базой (Рис.11.5, а) не усиливает сигнал по току (К_I < 1), а по напряжению усиление достигает десятков и сотен раз. Входное сопротивление при этом мало, выходное – велико. Эти свойства и предопределяют область применения усилителя с общей базой, когда источник входного сигнала обладает малым внутренним сопротивлением, а последующее устройство – высоким входным сопротивлением.

Схема с общим коллектором (Рис. 11.5, б) наоборот, не обладает способностью усиливать входной сигнал по напряжению (К_U < 1), но обеспечивает усиление по току (К_I =10…100). При этом входное сопротивление усилителя с общим коллектором велико – десятки и сотни килоом, что в ряде случаев необходимо, например, в измерительных устройствах, чтобы снизить влияние входного преобразователя на процесс измерения. Наряду с этим нагрузка усилителя (R_Н) может иметь низкое сопротивление - десятки и единицы Ом, т. к. сам усилитель, как источник выходного сигнала, имеет малое сопротивление.

Следует заметить, что обе рассмотренных схемы усилителей обеспечивают усиление входного сигнала по мощности в десятки и в сотни раз.

Схема с общим эмиттером (Рис. 11.5, б) обеспечивает усиление сигнала как по току, так и по напряжению (К_I = 20…100, К_U = 10…200). Входное сопротивление относительно велико – единицы и десятки килоом и зависит от величины сопротивления нагрузки, т. к. R_Н включено параллельно выходу транзистора. Схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление по мощности.

Важно также знать, что отдельно взятые схемы на одном транзисторе применяются редко, так как чаще всего они не удовлетворяют требованиям по величине коэффициента усиления, по выходной мощности, по условиям согласования с другими приборами и др. Поэтому используют каскадное включение усилителей, когда к выходу первого усилителя подключается вход второго и т. д.

Операционные усилители (ОУ) – это усилители, выполненные по интегральной технологии и обладающие большим коэффициентом усиления по напряжению (К_U =10⁴…10⁵ раз и более), высоким входным сопротивлением (10⁵…10⁷ Ом и более) и широкими спектром усиливаемых частот (от 0 Гц до единиц МГц). ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

На рис. 11.6. приведен пример схемы включения операционного усилителя.

Рис. 11.6 – Схема включения операционного усилителя

Выполненный как отдельное законченное устройство, он имеет два входа. Первый вход (U_ВХ1) – инвертирующий, обозначается на схемах кружком. Второй вход (U_ВХ2) – не инвертирующий (прямой). Первый и второй входы образуют между собой дифференциальные входы. При одновременном их использовании питание подается на оба питающих входа +U и –U. Сопротивление нагрузки подключают к выходному контакту.

На базе операционных усилителей обычно создаются схемы с различными свойствами, например: инвертирующие усилители, суммирующие, интегрирующие усилители и др.