Книги / bobrov_usiliteli / УСИЛИТ

7

Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

И.И. Бобров

УСИЛИТЕЛИ

Утверждено в качестве учебного пособия

редакционно-издательским советом

Пермского государственного

технического университета

Пермь 2000

Оглавление

1. Классификация и параметры усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1. Назначение и классификация усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1. Назначение усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Классификация усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Основные показатели (параметры) работы усилителя . . . . . . . . 9

1.2.1. Коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.2. Частотные и фазовые (линейные) искажения . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.3. Частотная характеристика усилителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.4. Нелинейные искажения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.5. Внутренние помехи усилителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.6. Амплитудная характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.7. Коэффициент полезного действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.8. Переходная характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.9. Входное и выходное сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2. Усилительный каскад предварительного усиления УНЧ . . . . . . . . . . . 18

2.1. Способы включения усилительных (активных) элементов . . . . . 18

2.2. Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.1. Режим покоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.2. Работа схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.3. Графический анализ работы каскада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3. Выбор и задание режима покоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1. Выбор режима покоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.2. Способы задания режима покоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4. Стабильность и стабилизация режима покоя . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.1. Причины нестабильности режима покоя . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.2. Следствия ухода рабочей точки А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.3. Стабилизация режима покоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.4. Коэффициент нестабильности S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4.5. Стабильность типовых схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.5. Режим переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.5.1. Эквивалентная схема каскада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.5.2. Параметры каскада в области средних частот . . . . . . . . . . . . 45

2.5.3. Область низших частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.5.4. Область высших частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.6. Обратная связь в усилителях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.6.1. Виды обратной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.6.2. Влияние обратной связи на параметры усилителя . . . . . . . . . 65

2.6.3. ООС и стабильность коэффициентов усиления . . . . . . . . . . . 68

2.6.4. ООС и нелинейные искажения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.6.5. ООС и частотные искажения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.6.6. Усилительный каскад с ООС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.6.7. Эмиттерный повторитель (каскад ОК) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.7. Микроэлектронные усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.7.1. Усилители с использованием ИС малой степени

интеграции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.7.2. Частотная характеристика в области низших частот . . . . . . . 77

2.7.3. Частотная характеристика в области высших частот . . . . . . . 79

3. Усилители мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.1. Особенности работы УМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.1.1. Режим работы УМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.1.2. Классы усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.2. Однотактный усилитель мощности класса А . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.1. Схема и ее работа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.2. Нагрузочная линия по переменному току . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.2.3. Энергетические соотношения в УМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.2.4. Выходной сигнал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.3. Оценка коэффициента гармоник (нелинейных искажений) . . . . . 89

3.3.1. Построение сквозной динамической характеристики . . . . . . 90

3.3.2. Оценка (расчет) коэффициента гармоник и способы

его уменьшения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.4. Трансформаторный двухтактный усилитель мощности класса В 93

3.4.1. Схема и ее работа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.4.2. Построение нагрузочной линии ВС и входной

характеристики КМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.4.3. Энергетические соотношения в классе В . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.4.4. Входной сигнал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.4.5. Определение коэффициента гармоник в классе В . . . . . . . . . 99

3.5. Бестрансформаторный усилитель мощности класса В (АВ) . . . . 101

3.5.1. Схема УМ на составных транзисторах и ее работа . . . . . . . . 101

3.5.2. Энергетические соотношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.5.3. Входной сигнал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.5.4. Определение глубины ОС по переменному току F_ . . . . . . . . 110

3.5.5. Определение коэффициента гармоник

для бестрансформаторного УМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.6. Микроэлектронные усилители мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.6.1. Усилитель К174УН7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4. Усилители постоянного тока (УПТ). Операционные

усилители (ОУ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.1. Назначение и особенности УПТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.1.1. Согласование уровней потенциалов при межкаскадной

связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.1.2. Дрейф нуля в УПТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.2. Дифференциальные усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.2.1. Схема, особенности ДУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.2.2. Работа ДУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.2.3. Погрешности (ошибки) ИС-ДУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.3. Улучшенные варианты ИС-ДУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4.3.1. Модифицированная схема Дарлингтона . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4.3.2. Сложная схема ИС-ДУ с активной нагрузкой . . . . . . . . . . . . . 137

4.4. Интегральные операционные усилители (ОУ) . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.4.1. Схемы перехода от дифференциальных выходов ДУ

к одноточному или схемы приведения полного

дифференциального сигнала к одному выходу . . . . . . . . . . . . 139

4.4.2. Схемы сдвига уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.4.3. Выходные каскады ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.4.4. Операционный усилитель К140УД1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

4.4.5. Операционный усилитель К140УД7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.4.6. Программируемые ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4.4.7. Разновидности ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.5. Применение ОУ в усилительных схемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

4.5.1. Параметры ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

4.5.2. Инвертирующее включение ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

4.5.3. Неинвертирующее включение ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.6. Частотные свойства ОУ. Понятие об устойчивости ОУ . . . . . . . . 162

4.6.1. Асимптотические ЛАЧХ и ФЧХ (диаграммы Боде)

одиночного каскада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.6.2. Асимптотические ЛАЧХ и ФЧХ (диаграммы Боде)

некорректированного ОУ. Понятие об устойчивости . . . . . . 163

4.6.3. Диаграммы Боде корректированного ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . 166

4.6.4. Экспериментальное определение величин

корректирующих элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

4.7. Практические схемы с ОУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

4.7.1. Нуль-орган . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

4.7.2. Компаратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

4.7.3. Мультивибратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

4.7.4. Одновибратор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4.7.5. RC-автогенератор с мостом Вина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

И.И. Бобров

УСИЛИТЕЛИ

УДК 621.382

Б72

Рецензенты: А.А. Южаков – вице-президент Западно-Уральского филиала Международной академии информатизации, д-р техн. наук.

Э.С. Заневский – доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» Пермского государственного технического университета, канд. техн. наук.

Бобров И.И.

Б72 Усилители: Учеб. Пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2000. 250 с.

ISBN

Рассмотрены транзисторные и микроэлектронные усилители переменного тока низкой частоты и усилители постоянного тока. Приведено описание принципа работы и построения схем предварительных усилителей и выходных усилителей мощности. Дан анализ параметров и характеристик усилителей. Значительное внимание уделено рассмотрению и анализу микроэлектронных усилителей с учетом современного уровня развития элементной базы РЭА. Пособие предназначено для студентов электротехнических специальностей.

УДК 621.382

ISBN  Пермский государственный

технический университет, 2000