Характеристики электронных усилителей

Основные характеристики усилителей:

1. Амплитудная - зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного (рис. 9.11): U_вых =f (U_вх).

Рис. 9.11. Амплитудная характеристика

Амплитудную характеристику строят при синусоидальном сигнале на входе усилителя для средней частоты пропускания. Идеальная амплитудная харак­теристика представляет собой прямую линию, начинаю­щуюся в точке начала координат. Реальная амплитудная характеристика существенно отличается от теоретической характерным загибом при малом и большом сигналах. При малом сигнале изменение формы характеристики связано с неизбежным наличием внутренних шумов компонентов усилительного тракта, при среднем сигнале амплитудная характеристика практически линейна, при­чем угол ее наклона связан с коэффициентом усиления, при большом сигнале загиб характеристики связан с падением коэффициента усиления компонентов в связи с их нелинейностью. Загиб характеристики при очень большом сигнале обусловлен конечным напряжением источника питания.

Обратная связь в усилителях

Обратная связь жизненно важна для большинства действий человека. Чтобы выполнить то или иное действие, мы должны иметь возможность видеть, что мы делаем, и вносить необходимые поправки. Другими словами, мы результат заставляем соответствовать нашим намерениям. Системы управления с использованием обратной связи, часто называют сервосистемами (буквально, ведомыми системами), и они играют важную роль в промышленной автоматике. Обратная связь широко применяется в различных электронных устройствах. Она осуществляется подачей части или всего выходного сигнала устройства обратно на его вход (Рис. 10.1).

Последовательное и параллельное включение обратной связи

Из определения обратная связь, есть сумма входного и сигнала обратной связи. Если две электрические величины суммируются в последовательной цепи, то эти величины являются напряжениями. Наоборот, если они суммируются в параллельной цепи, то эти величины являются токами (Рис.10.2).

Рис.10. 2

Таким образом, если сигнал обратной связи вводится последовательно, такую схему называют, последовательной обратной связью по входу, если сигнал обратной связи вводится параллельно, такую схему называют, параллельной обратной связью по входу. Напряжение обратной связи может быть получено из выходного сигнала двумя способами (Рис.10.3):

1. напряжение обратной связи снимаем с цепи, которая включена параллельно выходу. Такую схему называют параллельной по выходу;

2. напряжение обратной связи снимаем с цепи, которая включена последовательно с нагрузкой. Такую схему называют последовательной по выходу.

Рис.10.3

Если сигнал обратной связи подается параллельно входному сигналу, то величины, которые складываются, представляют собой токи, а усилитель следует рассматривать как усилитель тока.

Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называется устрой­ство, предназначенное для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами, имеющее исключи­тельно высокий коэффициент усиления, очень большое входное и малое выходное сопротивление и выполненное в микроэлектронном исполнении.

Операционный усилитель включает в свой состав один или несколько дифференциальных каскадов УПТ, генератор стабильного тока для питания этих каскадов и выходные эмиттерные повторители для увеличения вход­ного и уменьшения выходного сопротивления. В качестве нагрузок каскадов ОУ используют транзисторные источ­ники тока. Так как максимальный номинал резистора в микросхеме обычно не превышает 50 кОм, применяют транзисторы, функционирующие в режиме микротока. В ОУ обычно работают несколько тысяч транзисторов, при этом число каскадов усиления всего 2 или 3, так как в противном случае будет велика склон­ность ОУ к самовозбуждению.

Услов­ное графическое обозначение ОУ показано на рис. 10.4.

Рис. 10.4. УГО ОУ

Выводы опера­ционного уселителя: инвертирующий, неинвертирующий, выводы для подключения двуполярного источника пита­ния и выводы для подключения цепей коррекции.

ОУ подразделяются по следующим признакам:

1. общего применения;

2. мощные;

3. с управляемыми параметрами;

4. быстродействующие;

5. изолирующие - используют для обеспечения галь­ванической развязки каскадов.

Основные параметры ОУ:

1. напряжение источника питания +U и -U. Питание в основном двуполярное, обычно от ± 6 до ± 18 В, наиболее распространенное напряжение питания -+ 12 и ± 15 В;

2. максимальное выходное напряжение - если не оговорено отдельно в справочных данных, его при­нимают меньшим, или равным модулю напряжения питания за вычетом падения напряжения на ОУ, составляющим от 1 до 2 В;

3. сопротивление нагрузки обычно составляет от 1 до 2 кОм;

4. дифференциальный коэффициент усиления по на­пряжению;

5. входное сопротивление ОУ. Входное дифференци­альное сопротивление - входное сопротивление для разностного сопротивления между инвертирующим и неинвертирующим входами. Его величина может достигать от сотен килом до единиц мегом;

6. потребляемый от источника питания ток или пот­ребляемая мощность;

7. входной ток ОУ. Для ОУ, выполненных на биполяр­ных транзисторах, входной ток может составлять единицы микроампер, а для ОУ, выполненных на полевых транзисторах, еще меньше;

8. напряжение смещения, или сдвига - такое напря­жение, которое нужно подать на входы ОУ, чтобы при отсутствии сигнала на входах выходное напряжение ОУ было равно 0. Величина напряжения сдвига нахо­дится в диапазоне от 3 до 10 мВ для входного каскада на биполярных транзисторах и от 30 до 100 мВ для входного каскада на полевых транзисторах;

9. выходное сопротивление ОУ обычно составляет не­сколько сотен ом и указывается в справочниках;

10. коэффициент ослабления синфазного сигнала для ОУ обычно составляет от 70 до 80 дБ;

11. скорость нарастания выходного напряжения пока­зывает быстродействие ОУ (рис.10.5) и находится по формуле

K_п = ΔU_вых/Δt [В/мкС].

Рис. 10.5. Нарастание выходного напряжения

В технической литературе встречается УГО ОУ, изображенное на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Устаревшее УГО ОУ

Так как ОУ имеет очень большой коэффициент уси­ления и достаточно сложное внутреннее устройство, при работе на определенных частотах возможно появление нежелательных фазовых сдвигов, приводящих к обра­зованию положительных ОС и, как следствие, к само­возбуждению усилителя. Для устранения этих возмож­ностей применяются цепи коррекции g, представляющие различные RС-цепочки. Цепи коррекции могут быть как внешними, т. е. при помощи навесных элементов, так и внутренними, т. е. внутри корпуса микросхемы, причем цепи коррекции разрабатываются на этапе проектиро­вания ОУ и являются индивидуальными для каждого конкретного типа ОУ.