Физика атомного реактора Сопротивление материалов Математика решение задач Информатика Атомная энергетика безопасность Электротехника и электроника

Общий принцип действия и конструкции электрических машин Полупроводниковая электроника Трехфазный ток Принцип работы асинхронного двигателя Соединение нагрузки треугольником Полупроводниковые транзисторы


Усилители постоянного тока и дифференциальные усилители

Усилители постоянного тока

Недостатком резисторного усилителя является наличие разделительных емкостей, ограничивающих полосу усиления снизу (). От этого недостатка свободен усилитель постоянного тока (УПТ) (рис. 15.30), не содержащий конденсаторов. Однако в схеме замещения усилителя присутствуют емкости транзистора и монтажная емкость. Отсутствие разделительных конденсаторов позволяет получить практически безынерционный усилитель с широкой полосой усиления от нуля до  (рис. 15.7). При изменении входного напряжения на величину  напряжение на сопротивлении нагрузки изменяется на величину , а на выходе . Недостатком УПТ является появление паразитного сигнала на выходе изза дрейфа нуля изменения постоянной составляющей тока   при изменении температуры или старении элементов.

 Рис. 15.30 Рис. 15.31

15.6.2. Дифференциальный усилитель

Для устранения недостатка УПТ (дрейф нуля) используется дифференциальный усилитель постоянного тока, содержащий два параллельно включенных УПТ. Простейшая схема этого усилителя приведена на рис. 15.31. При подаче на вход 1 изменения напряжения  изменяется ток коллектора  на величину   и потенциал точки 1на величину . При подаче на вход II изменения напряжения  изменяется потенциал точки 2 на величину . Изменение напряжения  между точками 1 и 2 определяется изменением разности потенциалов

усиленные сигналы вычитаются: 

 .

Схема работает как вычитатель сигналов.

Главное достоинство этой схемы уменьшение дрейфа нуля на одиндва порядка. Это определяется тем, что транзисторы и резисторы имеют очень близкие параметры, так как сделаны во время выполнения одного и того же технического процесса при изготовлении интегральных схем, при одинаковом изменении токов через транзисторы при изменении температуры потенциалы точки 1 и 2 изменяются одинаковым образом и вычитаются. Поэтому выходной сигнал практически не зависит от изменения температуры.

Вход II (клеммы II, ^) называется неинвертирующим, так как увеличение сигнала  приводит к увеличению  в той же фазе (с тем же знаком).

Вход I (клемма I, ^) называется инвертирующим, так как увеличение сигнала  приводит к уменьшению напряжения  сигнал на выходе противоположен полярности сигнала на входе I.

Коэффициенты усиления по обоим входам одинаковы по модулю и противоположны по знаку.

Дифференциальный усилитель работает хорошо, если транзисторы левого и правого плеч имеют близкие параметры, но даже при точном подборе транзисторов и резисторов дифференциальный усилитель на дискретных элементах имеет температурные параметры, значительно худшие, чем дифференциальный усилитель в интегральном исполнении. У последнего транзисторы и резисторы близки по своим температурным параметрам, т. к. изготовлены в результате одних и тех же технологических процессов, кроме того, они находятся настолько близко друг к другу, что при изменении окружающей температуры и разогреве схемы от протекающих токов их температура почти одинакова.

Дифференциальные усилители входят в состав много каскадных операционных усилителей (ОУ) и обязательно включены на входе ОУ.

15.7. Операционные усилители

Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, характерный высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым выходным сопротивлениями. Он почти всегда используется с внешней глубокой отрицательной обратной связью, определяющей его результирующие характеристики.

Операционные усилители выпускаются в виде полупроводниковых интегральных микросхем и применяются не только для выполнения математических операций, благодаря чему они получили свое название. Все чаще они используются в радиоэлектронных устройствах различного назначения. Этому способствует их низкая стоимость, близкая к стоимости отдельных транзисторов.


Структурная схема операционного усилителя приведена на рис. 15.32. Как видно из схемы, первый каскад, а иногда и второй являются

 Рис. 15.32

дифференциальными усилителями. Поэтому у операционного усилителя, показанного на рис. 15.32, имеются два входа: инвертирующий (обозначен знаком «») и неинвертирующий (обозначен знаком « + »).

Идеальный операционный усилитель. При анализе схем устройств, в которые входит операционный усилитель , можно получить значительное упрощения, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Идеальным называется операционный усилитель с входным сопротивлением для разностного сигнала Rex=, внутренним коэффициентом усиления по напряжению Кв= и выходным сопротивлением . Кроме того, предполагается, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности. В реальных операционных усилителях стремятся максимально повысить входное сопротивление. Например, входными каскадами операционного усилителя часто являются эмиттерные или истоковые повторители, поэтому ответвлением тока во входное сопротивление усилителя можно пренебречь, если сопротивления, подключаемые параллельно входу усилителя, на несколько порядков меньше входного сопротивления.

Анализ схем включения операционного усилителя упрощается также и потому, что идеальный усилитель за счет бесконечно большого внутреннего коэффициента усиления и выходного сопротивления, равного нулю, развивает конечное напряжение на любой выходной нагрузке, отличной от нуля, при входном напряжении, равном нулю. Это дает возможность при анализе схем полагать напряжение между зажимами (+) и () равным нулю. Также равным нулю считают ток, ответвляющийся в бесконечно большое входное сопротивление.

Принцип виртуального замыкания. Изложенное выше соответствует принципу виртуального замыкания входных зажимов операционного усилителя (рис. 15.33). При виртуальном замыкании, как и при обычном, напряжение между замкнутыми зажимами равно нулю. Однако, в отличие от обычного замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет, т. е. в виртуальное замыкание ток не ответвляется. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.

Рис.15.33. Иллюстрация принципа виртуального  замыкания

Инвертирующая схема. На рис. 15.34а показана инвертирующая схема включения операционного усилителя.


 Рис. 15.34

 Применяя принцип виртуального замыкания, находим, что , а выходное напряжение , откуда коэффициент передачи напряжение

 . (15.5)

 Выражение (15.5) является точным лишь для идеального операционного усилителя. Для реального усилителя характерны погрешности.

 Неинвертирующая схема. Неинвертирующая схема включения операционного усилителя показана на рис. 15.34б . Напряжение с выхода усилителя подается на инвертирующий вход усилителя.

 Интегратор. Схема интегратора показана на рис. 15.35. При приложении ко входу напряжения иех в соответствии с принципом виртуального замыкания можно считать, что ток через резистор R равен , Этот ток заряжает конденсатор С и создает на нем напряжение, одновременно являющееся выходным:

 . (15.6)

Дифференциатор. Схема дифференциатора показана на рис. 15.36. Напряжение на входе в силу принципа виртуального замыкания является напряжением на конденсаторе. Заряжающий конденсатор ток . Этот ток, не заходя в усилитель, полностью проходит через сопротивление R, создавая на нем напряжение, являющееся выходным:

  . (15.7)

Логарифмирующие схемы. Для выполнения логарифмирования и обратной операции антилогарифмированияприменяются операционные усилители, в которых роль сопротивления Zcв или  выполняют диоды с плоскостным рп переходом. 

 Рис. 15.35 Рис. 15.36

Известно, что вольтамперная характеристика рп перехода определяется равенством

 , (15.8)

достаточно точным при . Логарифмируя это равенство, получаем

 . (15.9)

На рис. 15.37 показана логарифмирующая схема, в которой используется эмиттерный диод. Ток через сопротивление R, являющийся также и током через диод, . Напряжение на выходе

 . (15.10)

Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений. Обратную операцию нахождение произведения по логарифму можно осуществить с помощью антилогарифмирующей схемы (рис. 15.38).


 Рис. 15.37 Рис. 15.38

Напряжение на диоде равно входному напряжению. Ток через диод определяется равенством (15.8), откуда напряжение на выходе схемы

 . (15.10)

Применение логарифмирующих схем позволяет осуществить простые аналоговые умножители и делители.

Основы символического (комплексного) метода расчета цепей синусоидального тока Этот метод позволяет перейти от дифференциальных уравнений, составленных для мгновенных токов, напряжений и т.д., к алгебраическим уравнениям, составленным для соответствующих им комплексных изображений.
Функциональная классификация интегральных микросхем