Усиление сигналов. Типы и параметры усилителей

Во многих радиоэлектронных устройствах имеют место колебания, частоты которых близки к нулю. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяют усилители постоянного тока (УПТ). Современные УПТ в основном выполняют в виде интегральных микросхем и их можно условно разделить на дифференциальные и операционные усилители.

Дифференциальные усилители. Практически во всех схемах УПТ между соседними усилительными каскадами используют непосредственную (гальваническую) связь, что вызывает эффект дрейфа нуля — самопроизвольное изменение выходного сигнала при отсутствии входного сигнала. Даже небольшое изменение постоянного тока транзистора в первом каскаде УПТ создает приращение напряжения на его выходе, которое затем усиливается другими каскадами и выделяется на нагрузке как полезный сигнал. Дрейф нуля отсутствует в схемах параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями (ДУ), которые строят по методу уравновешенного моста. На входы ДУ подают как дифференциальные (разностные), так и синфазные (одинаковые) сигналы. При этом ДУ усиливает дифференциальные и подавляет синфазные сигналы. Один из входов ДУ по отношению к выходу является инвертирующим (выходной сигнал противофазен входному), а другой — неинвертирующим (выходной сигнал синфазен с входным). Наиболее часто ДУ применяют для сравнения с высокой точностью значений или разности двух напряжений. Это объясняет название «дифференциальный усилитель».

Операционный усилитель (ОУ) - высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (10⁶...10⁷), высокое входное (сотни мегаОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель, а выходным каскадом — эмиттерный повторитель. На рис. 1. а показано условное графическое обозначение ОУ. Один из входов ОУ по отношению к выходу является неинвертирующим, а другой — инвертирующим (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляют от двух одинаковых разнополярных источников +U_П и —U_П (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности входных U₀=U_Н-U_И

Коэффициент усиления по напряжению Ко собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

К₀ = U_BЫХ/U₀

Передаточные характеристики (рис. 1. б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению Ко. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение

В теории интегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем на ОУ вводят понятие «идеальный ОУ», для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиления Ко = ∞ и входное сопротивление R_BX0 = ∞ и нулевое выходное сопротивление R_BЫX0= 0.

Из этих допущений вытекают два основных свойства ОУ.

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала

Рис. 1. Операционный усилитель:

а — условное графическое обозначение; б — передаточные характеристики

Понятие идеального ОУ соответствует принципу «виртуального» (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов.

При виртуальном замыкании, как и при физическом, напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Но в отличие от физического замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи. В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения — инвертирующую и неинвертирующую. Фактически любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях.

Рис. 2. Инвертирующие схемы на ОУ:

т.к. то

отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

При

схема на рис. 2 а превращается в инвертирующий повторитель (инвертор).

Еще одним вариантом инвертирующего усилителя является преобразователь тока в напряжение. Это достигают при R1 = 0. Тогда ток I_ВХ = I_ОС= -U_BbIX/R_ОС и выходное напряжение U_BbIX = - I_ВХ*R_ОC

Сумматор (рис.2.б)

инвертирующий вход почти не потребляет ток, то сумма всех входных токов I₁, I₂ и I₃ протекает только через резистор R1 и общий входной ток создает на нем падение напряжения U_ВЫХ = -(I₁+ I₂+I₃)/ R_ОС Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные напряжения, и положив R = R_ОС, получим инвертирующий сумматор

Неинвертирующие схемы на ОУ:

Рис. 3. Неинвертирующие схемы на ОУ:

а — усилителя; б — сумматора

Поскольку то

Если то - повторитель напряжения,

, то

- постоянная времени цепи

Рис. 4.Устройства на ОУ:

а — дифференцирующее; б — интегрирующее

Интегрирующее устройство (интегратор). Поскольку в схеме рис. 4, б ток , находим . Приравняв эти токи и интегрируя, получим

На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, широко использующиеся в различных радиотехнических устройствах, например в качестве генераторов напряжения разверток электроннолучевых осциллографов, телевизионных систем и пр.

Рис.6. Избирательные усилители:

а — резонансный; б — с частотно-зависимой ОС; б — частотные характеристики