2.4.4. Усилители

Усилитель – это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.. Усилители подразделяют по нескольким признакам, основные из которых: диапазон электрических частот, род усилительных элементов, междукаскадные связи. По диапазону частот электрических колебаний, в пределах которого обеспечивается удовлетворительная работа усилителя, их делят на усилители низкой (УНЧ) и высокой (УВЧ) частоты, широкополосные и постоянного тока; по роду усилительных элементов на ламповые, полупроводниковые, магнитные; по назначению усилители делят в зависимости от выходной величины по отношению к входной – усилители напряжения, тока и мощности, которые в основном одинаковые по схемным решениям и отличаются лишь типами применяемых приборов и режимов работы. Междукаскадные связи усилителей могут быть: резисторно-емкостные, трансформаторные, резисторно-трансформаторные и резонансные.

Основные характеристики усилителей: коэффициент усиления; диапазон усиливаемых частот; выходная мощность; номинальное входное напряжение (чувствительность); коэффициент полезного действия; динамический диапазон амплитуд и уровень помех; коэффициенты нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала.

В ряде случаев бывает недостаточно одного усилительного каскада для получения необходимого значения усиливаемого параметра. В этом случае применяют многокаскадные усилители [12], состоящие из последовательно соединенных отдельных каскадов, как это показано на рис. 2.44.

Рис. 2.44. Многокаскадный усилитель

Важным показателем усилителя является коэффициент усиления, который представляет собой отношение изменения выходной величины усилителя к изменению входной величины.

Коэффициенты усиления напряжения , тока , мощности имеют соответственно следующие выражения:

.

Для структурной схемы, представленной на рис. 2.44

или k = ∆U_{вых 3} / ∆U_{вх 1} .

На рис. 2.45 представлена схема каскада усилителя напряжения, где в качестве усилительного элемента используется транзистор VT типа n-p-n, включенный по схеме с общим эмиттером.

Рис. 2.45. Схема каскада усилителя напряжения:

R₁ , R₂ – резисторы, выполняющие роль делителей напряжения; E_о – внешний источник напряжения, за счет которого происходит усиление в каскаде; C _р1, C_р2 , C_бл. – разделительные и блокировочный конденсаторы

Принцип действия каскада. При отсутствии ~ u_вх в эмиттерной и коллекторной цепях проходят постоянные составляющие токов I_э, I_к и I_б. Ток I_э замыкается по цепи: +U₂ →Б → Э →R_э → - U₂. Ток I_к замыкается по цепи: + U₁ → R_к →К →Б → - U₁. I_б = I_э - I_к. Напряжение U₁ = R₁I_д, а U₂ = R₂I_д. Ток I_д > I_э и I_к. Резисторы R₁ и R₂ создают напряжение смещения U_см на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Разделительный конденсатор С_р2 не пропустит на выход каскада постоянную составляющую напряжения U_к = R_к I_к.

При подаче на вход каскада усилителя синусоидального напряжения ~ u_вх в цепях эмиттера и коллектора появятся переменные составляющие токов i_э, i_к, i_б. Под действием напряжения ~ u_к = R_к i_к в выходной цепи будет проходить ток i_вых, который создает на сопротивлении R_н выходное напряжение ~ u_вых = R_н i_вых, сдвинутое по фазе на угол 180^о по сравнению с ~ u_вх. Если R_к и R_н выбрать достаточно большими (1-3 кОм и больше), то ~ u_вых >> ~ u_вх.

Блокировочный конденсатор C_бл защищает источник питания Е_о от прохождения через переменного тока i_вых.

Стабилизирующий резистор R_э обеспечивает отрицательную обратную связь по току, которая автоматически стабилизирует режим работы усилителя при изменении параметров транзистора. Чтобы не вводить обратную связь по переменному току и не снижать коэффициент усиления каскада, резистор R_Э шунтируют конденсатором С_Э достаточно большой емкости (десятки микрофарад).

В многокаскадных усилителях, например, первые каскады могут быть каскадами по напряжению, а последний – каскадом усиления по мощности.

В усилители часто вводят отрицательные обратные связи (ООС) по напряжению или по току. При ООС усилителя коэффициент усиления уменьшается. Однако проигрыш в усилении при ООС компенсируется значительным качественным выигрышем – уменьшаются частотные и нелинейные искажения и влияние всякого рода помех, поступающих на вход усилителя, так как напряжение ОС находится в противофазе с ними.

Операционные усилители. Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входным каскадом, с большим коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания (f_в = 10 – 100 МГц), высоким входным сопротивлением, малым выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов, несимметричным выходом. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним усилитель мощности.

На рис. 2.46 представлен дифференциальный усилительный каскад и его эквивалентная схема [13]. Усилитель состоит из двух каскадов, у которых имеется общий эмиттерный резистор R_э.

Элементы схемы образуют мост (рис. 2.46б), в одну диаганаль которого включен источник питания U_п, а в другую сопротивление нагрузки R_н Для балансировки моста необходимо, чтобы выполнялось условие равновесия моста R_к1 R_VT2 = R_к2 R_VT1. При этом условии U_вых = 0. Таким образом, если элементы схемы будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет оставаться постоянным.

U_вых = R_к1 ∆ I_к1 - R_к2 ∆ I_{к2 .}

Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода, поэтому для выходного напряжения можно записать

U_вых = U_вых1 - U_вых2 = - К₁ U_вх1 -( - К₂ U_вх2),

где К₁ и К₂ соответственно коэффициенты усиления каскадов на транзисторах VT1 и VT2.

В отличие от полезного сигнала, который поступает на входы дифференциального усилителя в противофазе, на входы усилителя действуют сигналы, совпадающие по фазе. Такие сигналы называются синфазными. Появление данных сигналов обусловлено действием различных дестабилизирующих факторов, например, изменением температуры окружающей среды, изменением питающих напряжений наводками внешних электромагнитных полей [13]. Для идеального дифференциального усилителя синфазные сигналы полностью подавляются. В реальных усилителях из-за не идентичности каскадов подавление будет не полным и характеризуется коэффициентом подавления синфазных помех К_псф. Величина К_псф в современных дифференциальных усилителях достигает 10⁴-10⁶. Коэффициент К_псф в значительной степени характеризует дрейф нуля усилителя, т.е. изменение выходного напряжения при постоянном входном сигнале. Для снижения дрейфа нуля производят подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами и увеличение R_э. Для увеличения R_э в эмиттерную цепь ставится не пассивный резистор, а нелинейный двухполюсник, например, транзисторный источник тока на биполярном или полевом транзисторе. Эти схемы при небольшом статическом сопротивлении обладают большим дифференциальным сопротивлением.

Рис. 2.46. Дифференциальный усилительный каскад (а)

и его эквивалентная схема (б)

Современные операционные усилители (рис. 2.47) в виде интегральных микросхем УПТ являются универсальными многоцелевыми базовыми элементами [11]. Их применяют не только в качестве усилителей, выполняющих указанные операции, но и элементов сравнения в системах автоматического регулирования, ограничения сигналов, формирования напряжения прямоугольной или пилообразной формы, а также в схемах стабилизации напряжения и т.д.

Рис. 2.47. Структура и схемы включения операционных усилителей

Операционный усилитель (см. рис. 2.47а) представляет собой микросхему УПТ [11] с двумя дифференциальными входами и одним общим выходом. Один из входов называют инвертирующим (–), другой – неинвертирующим (+). Сигналу на инвертирующем входе соответствует сигнал на выходе усилителя в противофазе по отношению к входному сигналу. Сигналу на неинвертирующем входе соответствует сигнал на выходе в той же фазе. Коэффициент усиления по напряжению операционных усилителей находится в пределах 10⁴ – 10⁶. Постоянная времени усилителя составляет несколько микросекунд.

На рис. 2.47б приведена структура усилителя, инвертирующего и умножающего входной сигнал на постоянный коэффициент. Во входную цепь такого усилителя и в цепь обратной связи включены резисторы с активными сопротивлениями R₁ и R₀. Так как входной ток усилителя i_c = 0, то ток через оба резистора R₁ и R₀ будет одним и тем же – i.

По второму закону Кирхгофа ток через резистор R₁ в контуре входной цепи

i₁ = U_вх / R₁.

Аналогично, ток в цепи резистора R₀

i₂ = U_вых / R₀.

Так как точку А считают потенциально заземленной, то по первому закону Кирхгофа

i₁ + i₂ = 0.

Тогда U_вх / R₁ + U_вых / R₀ = 0. Отсюда

U_вых = – U_вх = – K ₁ U_вх,

где K ₁ = – коэффициент усиления усилителя.

Знак минус означает, что фаза выходного напряжения сдвинута по фазе на 180^о относительно входного напряжения. Следует заметить, что выходное напряжение рассматриваемого усилителя не зависит от коэффициента усиления собственно УПТ, что свидетельствует о высокой стабильности работы схемы.

На рис. 2.47в приведена схема суммирующего усилителя с тремя входами. Напряжение на выходе усилителя равно сумме входных напряжений, умноженных на соответствующие коэффициенты усиления

U_вых = – U_вх1 + U_вх2 + U_вх3 = – K₁ U_вх1 – K₂ U_вх2 – K₃ U_вх3,

где K₁, K₂, K₃ – коэффициенты усиления по отдельным входам усилителя.

Из полученного выражения следует, что напряжение на выходе усилителя равно сумме входных напряжений, умноженных на соответствующие коэффициенты усиления.

В схеме интегрирующего усилителя (рис. 2.47г) напряжение на выходе усилителя

U_вых = – U_вх = – U_вх,

где Т = R₁C₀ – постоянная времени усилителя; р = d/dt – оператор дифференцирования.

Аналогично для дифференцирующего усилителя (рис. 2.47д) получим

U_вых = – U_вх = – U_вх.

Обычно схему дифференцирования, изображенную на рис. 2.47д в чистом виде не применяют: она усиливает помехи [11]. Схема приближенного дифференцирования, лишенная этого недостатка, приведена на рис. 2.47е. для этой схемы

U_вых = – U_вх,

где Т = R₀C₁, Т₁ = R₀C₀, Т₂ = R₁C₁.

Резистор R₁ введен для предотвращения перегрузки предыдущего каскада и сглаживания шумов, для сглаживания высокочастотных импульсных помех добавлен конденсатор C₀. Так как R₁ << R₀ и C₀ << C₁, то

U_вых ≈ – U_вх.

На рис. 2.47ж приведена схема, с помощью которой можно скомпенсировать бóльшую постоянную времени в системах автоматического регулирования и в значительной степени повысить быстродействие.

Схема компаратора (схема сравнения двух напряжений) представлена на рис. 2.47з. Она имеет два устойчивых состояния: при

U_вх – Е > 0, U_вых = – U_m , при U_вх – Е < 0, U_вых = U_m .

СтабилитроныVD1 и VD2 ограничивают напряжение U_вых значением U_m, при котором обеспечивается наибольшее быстродействие звена, так как вывод операционного усилителя из насыщения требует значительного времени.

На рис. 2.47и представлена схема, осуществляющая запоминание мгновенного значения напряжения. При замкнутом ключе К на выходе схемы воспроизводится входной сигнал. При размыкании ключа на выходе схемы запоминается мгновенное значение входного сигнала в момент размыкания ключа.