20-03-2013_10-45-00 / 15Аналоговые ИС-усилители

Аналоговые ИС – Усилители

АИС обладают схемотехнической избыточностью, делающей их универсальными многофункциональными. Производство ИС связано с большими затратами, которые окупаются только при выпуске ИС в больших масштабах. При выпуске универсальных и многофункциональных ИС удается расширить круг их применения, увеличить производство, снизить стоимость. Особенностью АИС является применение цепей обратной связи (ОС) для выполнения различных функций: коррекции характеристик, избирательного усиления, выполнения различных математических операций. Для этого в производстве АИС предусмотрены соответствующие выводы, позволяющие включать цепи ОС.

• по виду усиливаемых сигналов существуют аналоговые и импульсные усилители;

• по частотному признаку – УНЧ (от десятков Гц до сотен кГц), УВЧ (МГц), узкополосные (избирательные) и широкополосные;

• по назначению различают усилители мощности, тока и напряжения;

• по виду усилительных элементов (на биполярных транзисторах, на полевых транзисторах)

Усилители на транзисторах могут быть как в дискретном, так и в интегральном исполнении. В отличие от дискретных элементов - ИС позволяют добиться более точной обработки сигналов, т.к. все элементы выполнены в едином технологическом процессе.

Основные параметры: 1) Коэффициент усиления (формулы 14,15,16), для многокаскадных усилителей (формулы на рис.1)

2) Коэффициент полезного действия (КПД) (формула 12), 3) входное и выходное сопротивление усилителя (формулы 9),

Основные характеристики, по которым определяются др. распр. параметры

I) Амплитудная – зависимость амплитуды Uвых (Iвых) от амплитуды Uвх (Iвх).(рис.3). Здесь: В точке 1 – напряжение шумов, В точке 2 – минимальное Uвх при котором на выходе можно различать сигнал на уровне шумов, Участок 2-3 - рабочий, на нем сохраняется пропорциональность между Uвых и Uвх, После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения вх. сигнала. Нелинейные искажения зависят от амплитуды вх. сигнала и положения рабочей точки и не связаны с f. Степень нелинейных искажений оценивается 4)коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник)(формула 13: Ui – амплитуды i-тых гармоник).5) динамическим диапазоном усилителя (формула 10 и рис.3).

II) Амплитудно- частотная характеристика (рис. 4, 6, 7) – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Здесь основным параметром является 6) полоса пропускания усилителя (формула 8)., 7)предельная частота усиления, на которой коэффициент усиления уменьшается в √2 раз (или на 3 дБ). Для усилителей звуковой частоты, избирательных или резонансных усилителей различают нижнюю (fн) предельную и верхнюю(fв) предельную частоты. 8) Коэффициент частотных искажений (формулы на рис.11 и рис.1для многокаскадных ус.)

III)Фазо - частотная характеристика (рис.2)– зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжением от частоты

В многокаскадных усилителях угол сдвига соответствует нижней формуле на рис. 1.

IV) Амплитудно-фазовая характеристика (рис.5)- зависимость амплитуды и фазы сигнала от частоты. АФХ во всей области частот должна удовлетворять критерию Найквиста – цепь с ОС будет устойчивой, если годограф петлевого усиления не охватывает точку с координатами [+1,j0] .

ОС – передача части мощности сигнала с выхода на вход. Паразитная ОС приводит к нежелательным последствиям. Специально созданная призвана улучшить характеристики и параметры устройства. Положительная ОС (ПОС) – напряжение ОС поступает синфазно с входным (складывается с ним).Отрицательная (ООС) – напряжение ОС подается на вход в противофазе с входным (вычитается)(рис.20)

Коэффициент усиления по напряжению усилителя без ОС определяется формулой14, коэффициент усиления цепи ОС – формулой на рис.20, коэффициент усиления с учётом ПОС и ООС (формулы на рис.21). Величину Кβ называют петлевым усилением. Величину Кβ+1 называют глубиной обратной связи. При глубокой ПОС Кβ>>1 происходит самовозбуждение усилителя – это явление используется в автогенераторах. ПОС увеличивает К_пос по сравнению с К, однако ухудшает стабильность режима работы, увеличивает частотные и нелинейные искажения, уменьшает динамический диапазон уровней усиливаемых сигналов. ООС позволяет: скорректировать АЧХ и ФЧХ, уменьшить искажения сигнала, увеличить устойчивость к самовозбуждению.(ср.хар. 22 и 23)

По способу подачи U_ОС на вход различают (рис.18): последовательную ОС (сигнал ОС – Uос)(Б) и параллельную ОС (сигнал ОС – Iос)(А). Если цепь ОС подключена к выходу параллельно (Г на рис.19), получается ОС по напряжению, если последовательно (В на рис.19), то получается ОС по току. Характер изменения выходного импеданса (полного сопротивления) Zвых не зависит от того, является связь последовательной или параллельной. Введение ООС по току увеличивает Zвых. Параллельная ОС уменьшает Zвх, а последовательная увеличивает (формулы 17). Характер изменения не зависит от того, является ООС по току или по напряжению (табл. на рис.17).

Аналоговые ИС строятся на (I) элементарных каскадах, представляющих собой однокаскадные ячейки, (II) многокаскадных секциях в виде каскодных усилителей и дифференциальных каскадах.

К (I) элементарным каскадам относят каскады с ОЭ (ОИ), ОК (ОС), С ОБ (ОЗ). В зависимости от усиливаемой величины делятся на 3 группы: 1) Усилительные каскады (обеспечивают усиление как по I, так и по U (ОЭ(рис.29) и ОИ(рис.28)), 2) Повторители напряжения (ОК и ОС) повторяют на выходе Uвх. Усиление мощности происходит за счет усиления I. 3) Повторитель тока (ОБ, ОЗ) повторяют на выходе Iвх. Усиление P обеспечивается за счет усиления U.

Например, усилительный каскад (ОЭ-рис.29): Входная цепь состоит из сопротивлений R1 и R2, задающих режим работы VT по постоянному току и емкости С1, обеспечивающей гальваническую развязку источника входного сигнала.VT и Rк составляют управляемый источник тока. Сэ шунтирует Rэ в рабочем диапазоне частот и устраняет ООС по току на частоте сигнала - для температурной стабилизации. С2 изолирует сопротивление нагрузки от постоянного потенциала коллекторного напряжения. Усилительный каскад с ОИ (рис.28 ) называют -RC-усилителем с автоматическим смещением. Постоянное напряжение, выделяющееся на Rи, обеспечивает требуемое смещение Uзи=IcRи. Переменная составляющая закорачивается Си≥10/R_иω_min. Rи улучшает стабильность режима транзистора по постоянному току (стаб. Ic).

К (II)Многокаскадным секциям относят: 1)Двухкаскадные усилители состоят из двух усилительных элементов, связанных между собой внешними соединительными цепями (рис.27 ОЭ-ОЭ, ОК-ОЭ); 2)Каскод (рис.26) – двухкаскадный усилитель, на входе которого включен усилительный каскад Т1, а на выходе повторитель тока Т2. Режим каскода задается Т3. В отличие от 2-каскадных усилителей в каскодах УЭ включаются последовательно. Каскодное соединение устраняет опасность самовозбуждения, обл. низким уровнем шумов, незаменимо в усилителях слабых сигналов. Входной импеданс Zвх не зависит от параметров выходной цепи, а Zвых от входной (в частности Zг), К_{uкаскода}> К_Uоэ, К_{iкаскода}> К_iоэ, но у каскода не так сильно уменьшается с ростом Rк;3) Составной транзистор можно рассматривать как один транзистор с большим Кi, который реально достигает нескольких тысяч. Включение составного транзистора по схеме с ОК называют – парой Дарлингтона (рис.25); 4) Дифференциальные ус. , схемы сдвига уровней и вых. каскады (см. карта ОУ)

Классы работы транзистора в усилителе

Различают классы А, АВ, В, С и D в зависимости от положения начальной рабочей точки (статического режима) и величины Uвх. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД.

Класс усиления А подразумевает работу на линейной части ВАХ с малым сигналом Uвх и сравнительно большой постоянной составляющей Uвх.п. Нелинейные искажения минимальны. I в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения U входного сигнала. КПД=0,35.

Класс усиления В при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала. характеризуется работой с большим сигналом Uвх. Захватывается нелинейный участок передаточной характеристики. КПД достигает 80%.

Класс усиления АВ. Режим работы транзисторного каскада, при котором I в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения U входного сигнала.

Класс С характеризуется тем, что входное напряжение больше, чем в классе В. Выходное напряжение действует в течение времени меньшего, чем половина периода. Режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД приближается к единице. Применяется в избирательных усилителях и автогенераторах.

Класс D. Режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме БПТ может находиться только в состоянии «Включено» (режим насыщения) или «Выключено» (режим отсечки), называется ключевым режимом.

Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена

• Непосредственно (гальваническая)

• Через разделительный конденсатор (емкостная)

• Через трансформатор (трансформаторная)