1. Усилитель класса a — рабочая точка выбирается в середине линейного участка статической характеристики

2. Усилитель класса b — рабочая точка выбирается в начале линейного участка статической характеристики

3. Усилитель класса c — рабочая точка выбирается ниже начала линейного участка статической характеристики (усиление только чм сигналов)

Особенности усиления сигнала в усилителях этих классов иллюстрируются рис. 2.7. На этом рисунке приведены временные диаграммы выходного тока транзистора в зависимости от положения рабочей точки при поступлении на вход синусоидального сигнала. Как видно из этих временных диаграмм, усилители классов B и C обладают значительной нелинейностью и для ее устранения приходится применять специальные меры, такие как фильтрация выходного сигнала или применение двухтактных схем.

  Рисунок 2.7. Положение рабочей точки в усилителях класса A, B и C

Работа усилителя в ключевом режиме значительно отличается при усилении низкочастотного сигнала и высокочастотного узкополосного сигнала. В отечественной литературе эти режимы не различаются. Просто в литературе, ориентированной на низкочастотную усилительную технику и в литературе, ориентированной на радиочастотное применение ключевой режим описывается по разному. В зарубежных изданиях в зависимости от частоты усиливаемого сигнала различают следующие виды ключевых режимов:

1. класс D — транзистор работает в ключевом режиме

   • звуковые усилители класса D — для сохранения формы звукового сигнала используется ШИМ или ΣΔ-модуляция

   • высокочастотные усилители мощности класса D — дополнительная модуляция не требуется, она уже присутствует в усиливаемом сигнале. При этом амплитуда неизменна, информация содержится в частоте и фазе сигнала

2. усилитель класса E — это узкополосный усилитель, в котором при помощи согласующих цепей добиваются, чтобы ток через усилительный прибор протекал при нулевом напряжении. Переключение осуществляет высокочастотная несущая. Применим только для угловых видов модуляции.

3. усилитель класса F — это узкополосный усилитель в котором рабочая точка выбирается в начале линейного участка, как для класса B, а в качестве нагрузки используется многоконтурный фильтр, формирующий прямоугольное напряжение на коллекторе.

При работе с высокочастотными узкополосными сигналами можно реализовать более высокий к.п.д. по сравнению с классическим режимом работы усилителя класса B. Это достигается подчеркиванием высокочастотных гармоник на коллекторе или стоке транзистора. Этот метод хорошо описан в отечественной литературе, однако в зарубежной литературе он получил название класс F.

Следует отметить, что усилители классов C, E, F предназначены для усиления узкополосных высокочастотных сигналов с высоким к.п.д. Усилители классов A, B, D используются для усиления низкочастотных широкополосных сигналов, таких как звуковые сигналы, телевизионные или цифровые сигналы в BaseBand диапазоне. При этом класс B может быть использован только в двухтактных каскадах. Усилители класса A могут использоваться и для усиления высокочастотных сигналов если более важным параметром усилителя является его линейность и коэффициент шума. Усилители класса B тоже могут использоваться для усиления высокочастотных сигналов.

Операционный усилитель.

Операционными усилителями называют усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющие дифференциальный вход и один выход, предназначенные для работы с глубокой отрицательной обратной связью. 

Схема усилителя напряжения постоянного тока на операционном усилителе

Рис.Схема инвертирующего усилителя на ОУ

На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное. На резисторе R2 также имеется падение напряжения - оно такое же, как выходное. При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

ОУ имеет огромный коэффициент усиления, как минимум, 50000…100000, а реально — намного больше. Поэтому, в первом приближении, можно даже допустить, что он равен бесконечности.

Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами,независимо от их абсолютного значения и полярности.

Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм. Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.

Поэтому с большой степенью приближения можно считать, что ток во входы ОУ не течет. Это — первое важное правило, которое применяется при анализе работы ОУ. Однако это касается только самого ОУ, а не схем с его применением!

Инвертирующий и неинвертирующий оу

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход —  символом «минус», а неинвер­тирующий — символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

Рис. 2  Варианты условных графических изображений (УГО)  операционных усилителей

ОУ также изображались в виде треугольника, инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий — внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный — внизу).

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования сигналов речь пойдет ниже. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход  (Рис. 3, Б).

Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС)

В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае — суммируется со входным, общее усиление каскада повышается.

Примечание Глубина ООС показывает, во сколько раз изменяется коэффициент усиления схемы под её влиянием по сравнению с её отсутствием (без ООС). Выражается обычно в логарифмическом масштабе — децибелах.

ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и самое неприятное — вызывает ее самовозбуждение

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):

Рис. 4 Основные схемы включения ОУ

а) инвертирующее (Рис. 4, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

в) дифференциальное (Рис. 4, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.

Для анализа работы этих схем следует учесть второе важнейшее правило, которому подчиняется работа ОУ:Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Rоос во всех случаях заведена с выхода только на инвертирующий вход.  Определение:

Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.

Исходя из этого определения, «ведущим» при любом включении ОУ с ООС является неинвертирующий вход, а «ведомым» — инвертирующий.

Электронные генераторы.

Генератор, или автогенератор – это самовозбуждающаяся система, в которой энергия источника питания постоянного тока преобразуется в энергию переменного сигнала нужной формы и частоты. Генераторы бывают:

низкочастотные (НЧ) – до 100 кГц

высокочастотные (ВЧ) – от 0,1 до 100 МГц

сверхвысокочастотные (СВЧ) – выше 100 МГц

По форме колебаний генераторы делятся на гармонические (синусоидальные) и негармонические (импульсные). По способу возбуждения – с внешним возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы).

Подключим кратковременно к цепи, состоящей из параллельно соединенных конденсатора и катушки индуктивности источник постоянного тока (рис. 1).Ключ К замкнем и разомкнем. Конденсатор Ск зарядится до некоторого значения и после этого начнет разряжаться через катушку Lк . Катушка в этот момент будет накапливать энергию.

Рис.1. Создание колебаний в контуре.

После того, как конденсатор разрядится (а катушка, соответственно, накопит энергию), процесс пойдет в обратном порядке, т.е. накопленная в катушке энергия будет заряжать конденсатор и т.д. Следовательно, в этой цепи, которая называется параллельный колебательный контур, будут происходить колебания. В идеальном контуре эти колебания будут незатухающими, т.е. во времени будут продолжаться бесконечно. Но поскольку катушка имеет некое конечное сопротивление, в контуре будут потери энергии, и колебания, соответственно, будут постепенно затухать. На рис. 2 показана картина в реальном контуре.

Рис.2. Затухающие колебания.

Для того чтобы колебания в контуре не затухали используют электронные схемы автогенераторов. Рассмотрим работу такого устройства на примере Транзисторного автогенератор типа LC

Транзисторный автогенератор типа LC

Автогенераторы типа LC  различают по способу создания положительной обратной связи как автогенераторы с емкостной, автотрансформаторной и индуктивной(трансформаторной)связью. Они состоят из колебательного контура, в котором возбуждаются колебания нужной частоты; усилительного элемента (транзистора), усиливающего сигнал, попадающий на его вход через цепь обратной связи; цепи положительной обратной связи, обеспечивающей подачу энергии с выхода схемы на ее вход в нужном количестве и в должной фазе; источника с по Автогенераторы типа LC различают по способу создания положительной обратной связи как автогенераторы с емкостной, автотрансформаторной и индуктивной (транформаторной) связью. Они состоят из колебательного контура, в котором возбуждаются колебания нужной частоты; усилительного элемента(транзистора), усиливающего сигнал, попадающий на его вход через цепь обратной связи; цепи положительной обратной связи, обеспечивающей подачу энергии с выхода схемы на ее вход в нужном количестве и в должной фазе; источника с постоянной ЭДС, энергия которого преобразуется в колебательную энергию в контуре.

Рис.3.а) схема транзисторного автогенератора с индуктивной связью.

б) колебательная характеристика автогенератора.

При подключении к источнику питания Eк  конденсатор контура Ск заряжается по цепи: +Eк, резисторRэ, эмиттер, база, коллектор транзистора VТ, Ск (—Ек). Конденсатор Ск и индуктивная катушка образуют параллельный колебательный контур, и, так как конденсатор Ск накопил определенную энергию, в контуре возникают свободные колебания с частотой f0, которая определяется параметрами этого контура. В результате индуктивной связи между катушками Lк и LБ в катушке обратной связи LБ наводится переменное напряжение той же частоты, что и в контуре. Это напряжение подводится к участку эмиттер— база транзистора, что вызывает пульсацию коллекторного тока с частотой f0.

Если обратная связь положительная, переменная составляющая коллекторного тока усиливает колебания в контуре, что вызывает увеличение амплитуды переменного напряжения на входе транзистора. Это, в свою очередь, вызывает новое увеличение амплитуды переменной составляющей коллекторного тока и т. д. Нарастание амплитуды переменной составляющей коллекторного тока ограничено, так как связь между входным и выходным напряжением

транзистора определяется характеристикой, приведенной на рис. . Надо иметь в виду, что для

установления режима незатухающих колебаний в контуре недостаточно только обеспечить положительную обратную связь. Необходимо, чтобы потери энергии в контуре были полностью скомпенсированы усилителем за счет энергии источника постоянного тока.

Таким образом, незатухающие колебания в контуре генератора устанавливаются при выполнении двух условий, которые называют условиями самовозбуждения. Это условие баланса фаз, которое обеспечивается положительной обратной связью, и условие баланса амплитуд, зависящее от значения коэффициента обратной связи β.