Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока(УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;

· бесконечная полоса усиливаемых частот.

ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.

На рис. 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рис. 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:

- для инвертирующего Киоу = Rос / R1

- для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1

 

 

Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.

К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему дрейфу нуля и по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ (генератор стабильного тока), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку (в этом случае Jвхоу стремится к нулю).

 

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

История операционного усилителя связана с тем, что усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Усилители мощности

Усилители мощности — это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра - КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.

КПД оценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагрузке) к затраченной (потребляемой от источника).

Основная задача, которую ставит перед собой разработчик усилителей мощности: обеспечить необходимую мощность и передать её в нагрузку с минимальными искаженями. Поэтому, в какой-то степени, усилитель мощности - это пример силовой электроники.

Но реальный усилитель мощности, в первую очередь, это устройство информативной электроники. В таких устройствах основная задача - снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства ещё приемлема. И лишь во вторую очередь - устройство, которое содержит элементы и силовой электроники (в этих устройствах такую первоочередную задачу ставить нельзя). При проектировании схем усилителей мощности следует помнить об этом различии.

К величине коэффициента усиления по напряжению особых требований нет: как правило, он чуть больше единицы. Усиление мощности происходит за счёт усиления по току.

В выходных усилителях мощности должны использоваться каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые в схему цепи ООС должны быть только по напряжению. По этой причине схемы усилителей мощности строятся по двухтактным схемам. Такие схемы дают хороший выигрыш и по мощности.

Такие усилители находят большее применение, чем с трансформаторным выходом: там, где трансформатор на первое место выходит проблема габаритов и веса устройства в целом.

Что же представляет из себя усилитель мощности (далее, для краткости будем называть его УМ)? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:

· Входной каскад

· Промежуточный каскад

· Выходной каскад (усилитель мощности)

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением. Например: динамическую головку или наушники.

Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ.

- Трансформаторные усилители мощности.

 

Рисунок 6

 

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ, в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рисунок 6).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке справа:

 

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

 

Рисунок 7

 

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя - усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке 7. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p-типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1, работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

 

 

Контрольные вопросы

1. Что такое усилитель электрических сигналов?

2. Изобразите и опишите принцип работы обобщенной структурной схемы усилителя.

3. Назовите основные показатели работы усилителей.

4. Какие элементы усилителя относятся к активным и какую функцию они выполняют в составе усилителя?

5. Какие элементы усилителя относятся к пассивным и какую функцию они выполняют в составе усилителя?

6. Изобразите структурную схему типичного многокаскадного усилителя и опишите назначение структурных элементов схемы.

7. Какие характеристики электронных усилителей являются основными?

8. Согласно схеме на рисунке 5 (см. лекцию) опишите устройство и работу усилительного каскада на биполярном транзисторе.

 

Использованные источники:

1. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники — М.: Мастерство, 2001

2. В. Е. Китаев Электротехника с основами промышленной электроники. Учебное пособие для проф.-тех. училищ. — М.: Высш. школа, 1980. - 254 с.

3. Цыкин, Г.С. Электронные усилители; М.: Связь - Москва, 2005. — 512 c.

 

Интернет-ресурс:

https://emkelektron.webnode.com/news/kratko-po-usilitjeljam-i-raschjet-h-paramjetrov/