Классификация усилителей

Усилителями называются устройства, предназначенные для увеличе­ния значений параметров электрических сигналов за счет энергии вклю­ченного источника питания. Различные усилители применяются для преимущественного усиления значений тех или иных параметров сиг­налов. Но этому признаку они делятся на усилители напряжения, тока и мощности.

Возможны линейный и нелинейный режимы работы усилителя. В уси­лителях с практически линейным режимом работы получается мини­мальное искажение формы усиливаемого сигнала, который всегда мож­но представить совокупностью гармоник различной частоты. Искажение сигнала будет минимальным, если без искажения будут усиливаться все его гармонические составляющие. Свойство усили­теля увеличивать амплитуду гармонических составляющих сигнала характеризует его амплитудно-частотная характеристика АЧХ [1, (2.91а)]. По типу АЧХ различают усилители мед­ленно изменяющихся напряжений и то­ков, или усилители постоянного тока (рис. 10.59, а), усилители низких частот (рис. 10.59, б), усилители высоких ча­стот (рис. 10.59, в), широкополосные усилители (рис. 10.59, г) и узкополо­сные усилители (рис. 10.59, д).

Типовые значения нижней и верхней границ частот АЧХ усилителей различ­ного типа приведены в табл. 10.3.

В усилителях с нелинейным режимом работы при увеличении значения напряже­ния на входе больше некоторого гранич­ного уровня изменение напряжения на вы­ходе усилителя практически отсутствует.

Такие усилители применяются главным образом в устройствах им­пульсной техники, в том числе логических.

В настоящее время усилительная техника основана на широком внедрении усилителей в интегральном исполнении. Поэтому актуаль­ным становится не разработка самих усилителей, а их применение для реализации различных функциональных узлов систем автоматики, управления и измерения.

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Рассмотрим принцип работы типового усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 10.60). Здесь и в дальнейшем заземлением будем отмечать об­щий узел входной и выходной цепей усилителя. Источник усиливаемого сигнала, показанный внутри штриховой линии, представляет собой ис­точник с внутренним сопротивлением r_вт и ЭДС е_с = u_с. Конденсаторы C₁ и С₂ большой емкости отделяют цепь постоянного тока (цепь пита­ния) от цепи источника сигнала и цепи приемника с сопротивлением нагрузки г_н. Если напряжение входного сигнала и_с невелико, то работу усилителя как нелинейной цепи [1, § 6.3] удобно представить в виде наложения режима покоя при действии только источника питания с ЭДС Е_k (рис. 10.61) и режима с переменными составляющими токов базы I_Б, коллектора I_К нагрузки i_н при другом источнике ЭДС е_с (рис. 10.62), ток которого i_е. В схеме усилителя для переменных составляющих положительное направление тока нагрузки i_н принято к общему выводу транзистора, т. е. к эмиттеру.

Рабочая точка А режима покоя определяется статическими характе­ристиками транзистора на основе метода нагрузочной характеристики аналогично [1, рис. 6.11], если принять I_Бп < < I_Кп (рис. 10.63), т. е. I_Кп » I_Эп

Заметим, что необходимый режим работы транзистора по постоян­ному току можно получить и без резисторов r₂ и r_э. Однако последние позволяют стабилизировать положение рабочей точки А при изменении температуры окружающей среды. Повышение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора так, что токи базы, коллектора и эмиттера увеличиваются при прочих неизменных условиях. При нали­чии резистора r_э в цепи эмиттера это приводит к увеличению на нем напряжения. Одновременно уменьшаются напряжение U_БЭ и ток базы. Таким образом реализуется отрицательная обратная связь и стабилиза­ция режима покоя. В режиме малого сигнала описанный механизм от­рицательной обратной связи отсутствует, так как параллельно резисто­ру r_э включен конденсатор большой емкости Сэ.

По схеме замещения усилительного каскада для переменных состав­ляющих (см. рис. 10.62), на которой схема замещения транзистора показана внутри штриховой линии, а усилительного каскада - внутри сплошной, рассчитываются его основные параметры: коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, а также входное и выходное сопротивления. Последнее определяется со стороны выходных выво­дов усилителя при отключенном приемнике с сопротивлением нагруз­ки r_н.

Исключая из схемы замещения резистивные элементы 1/h₂₂ [1, (10.6)], r₁ и r₂ с большими относительно других резистивных эле­ментов сопротивлениями и полагая синусоидальное изменение напря­жения сигнала, получаем:

- входное сопротивление (1-10 кОм);

- выходное сопротивление (10-100 кОм);

— коэффициент усиления напряжения источника сигнала [см. коэффи­циент передачи четырехполюсника (2.90)], где

— коэффициент усиления напряжения на входе усилительного каскада (К_ux = 10 ¸ 100) в режиме холостого хода (r_н = ¥);

- коэффициент усиления тока (К_i = 15 ¸ 80);

- коэффициент усиления мощности [К_р = (0, 2 ¸ 5) • 10³].

Отрицательные значения коэффициентов усиления напряжения и тока отражают изменение фазы напряжения и тока на выходе усили­тельного каскада на противоположное относительно фаз одноименных величин на его входе, т.е. q_u = q_ux = q_i = p.

Небольшое значение входного сопротивления является главным не­достатком усилительного каскада с ОЭ. Это увеличивает ток источни­ка сигнала и мощность потерь в его внутреннем сопротивлении.

Выражениям (10.27в) и (10.27г) соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада (рис. 10.64), которую можно получить, воспользовавшись эквива­лентностью двух схем замещения источника энергии [1, рис. 1.8.].

Из (10.27в) следует, что условия для увеличения коэффициента усиления напряжения и уменьшения его зависимости от сопротивления цепи нагрузки противоречивы. Чем больше выходное сопротивление усилительного каскада r_вых=r_к, тем больше как значение коэффи­циента усиления напряжения, так и его зависимость от сопротивления цепи нагрузки. Чтобы увеличить коэффициент усиления напряжения и уменьшить его зависимость от сопротивления приемника r_н, между выходом усилительного каскада с ОЭ и приемником следует включить согласующее устройство с большим входным и малым выходным со­противлениями. Роль такого устройства может выполнять усилитель­ный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК (рис. 10.65), называемый также эмиттерным повторителем.

Исключим из схемы замещения усилительного каскада, аналогично предыдущему, резистивные элементы 1/h₂₂, r₁ и r₂ с большими от носитсльно других резистивных элементов сопротивлениями и примем синусоидальное изменение напряжения сигнала (рис. 10.66). Тогда по второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного штриховой линией, напряжение между базой и коллектором равно:

где

— напряжение на приемнике.

Из (10.28) находим

— входное сопротивление усилительного каскада с ОК (100-300 кОм), которое значительно больше входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ, и

— коэффициент усиления напряжения, значение которого близко к еди­нице (0, 8-0, 9). Последнее определяет название усилительного каскада с ОК " повторитель".

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя равно выходному сопротивлению активного двухполюсника, т. е. схемы замещения отно­сительно выходных выводов. Согласно [1, (1.34)] ток короткого замыкания активного двухполюсника (r_н=0) равен

Где

Т. е.

— напряжение холостого хода активного двухполюсника (r_н= ¥). Из (10.30) следует, что

- выходное сопротивление эмиттерного повторителя (10-50 Ом), значительно меньшее выходного сопротивления усилительного кас­када с ОЭ.

Усилительный каскад с ОБ имеет значение коэффициента усиления напряжения, близкое к его значению для усилительного каскада с ОЭ. Однако ему присущи существенные недостатки: значение его коэффициента усиления тока меньше единицы и вследствие этого мал коэффициент усиления мощности. Кроме того, он имеет малое вход­ное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилитель­ный каскад с ОБ применяется редко.

В качестве приемника энергии к выходу усилительного каскада мо­жет быть подключен тоже усили­тельный каскад. Их совокупность образует многокаскадный усилитель. В усилителях низких частот, высо­ких частот, а также широкополо­сных и узкополосных усилителях

электрическая связь между каскадами реализуется при помощи кон­денсаторов, в усилителях постоянного тока — при помощи резисторов или непосредственных связей. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на выходе одного каскада из-за нестабильно­сти параметров транзистора при действии дестабилизирующих факто­ров, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Для того чтобы уменьшить дрейф нуля, применяют дифференциальные усилители постоянного тока.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционные усилители (ОУ) представляют собой разновидность усилителей постоянного тока с верхней границей амплитудно-частотной характеристики f_в = 10² —10⁵ Гц (см. рис. 10.59, а). Свое название «опера­ционные» усилители этого типа получили от первоначальной области их преимущественного применения для выполнения математических опера­ций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и т. д.). В настоящее время ОУ применяются при создании электрон­ных устройств самого различного функционального назначения (ста­билизация напряжения, генерация сигналов различной формы и т. д.). Операционные усилители часто выполняют многокаскадными с непо­средственными связями, которые содержат несколько десятков тран­зисторов. На входе ОУ включайся дифференциальный усилительный каскад для уменьшения дрейфа нуля, затем - промежуточные усили­тельные каскады для получения необходимого усиления и на выходе — повторитель напряжения для уменьшения выходного сопротивления. Разработка ОУ — сложная проблема. Однако это не затрудняет их практического применения, так как в настоящее время они изготов­ляются в виде интегральных микросхем.

Подобно схеме замещения дифференциального, усилителя входную и выходную цепи ОУ в режиме малого сигнала удобно представить схемами замещения на рис. 10.74, где К_ux = 10⁴ - 10⁵ - значение коэффициента усиления напряжения на входе ОУ в режиме холостого хода, r_вх= 10⁴ - 10⁷ Ом и r_вых=10-50 Ом - входное и выходное сопротивления ОУ. Узел с нулевым потенциалом в схеме замещения выходной цепи ОУ соответствует средней точке цепи питания. На рис. 10.75, а, б приведены условные изображения ОУ.

Усилительные свойства ОУ определяют его амплитудные характери­стики по инвертирующему и неинвертирующему входам при разомкну­той цепи нагрузки (кривые 1 и 2 на рис. 10.76, а). Для типового значе­ния ЭДС источника питания Е = 10 В насыщение транзистора повторите­ля напряжения выходного каскада произойдет при и_вх»Е/К_ux = ± (0, 1 - 1) мВ. Дальнейшее увеличение напряжения и_вх не вызывает изменения напряжения на выходе.

Пренебрегая малым значением напряжения насыщения и_вх.нас, вве­дем понятие идеального ОУ, у которого коэффициент усиления напря­жения в режиме холостого хода и входное сопротивление имеют беско­нечно большие значения, т. е. К_ux ®¥ и r_вх®¥. Это равносильно тому, что напряжение и ток на входе идеального ОУ в режиме усиления сиг­налов равны нулю

а его амплитудные характеристики по инвертирующему и неинверти­рующему входам имеют вид ломаных линий 1 и 2 на рис. 10.76, б. В ре­жиме насыщения идеального ОУ напряжение u_вх¹ 0, а ток i_вх = 0.

Если ОУ применяется в режиме усиления сигналов, то будем пользо­ваться его условным изображением на рис. 10.75, а, если также и в ре­жиме насыщения, то на рис. 10.75, б. Схема на рис. 10.75, б поясняет равенство напряжений на выходе ОУ в режиме насыщения и источника питания Е или -Е.

Большое значение коэффициента усиления напряжения позволяет использовать глубокую отрицательную обратную связь для создания на основе ОУ устройств различного функционального назначения.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью в технике принято называть воздействие выходной величины устройства на вход этого же устройства. Обратная связь отри­цательна, если в устройстве с обратной связью входная величина умень­шается; в противном случае она положительна. Обратная связь в уси­лителях может быть последовательной или параллельной, по напряже­нию или по току, по переменной или по постоянной составляющей. По­следняя уже рассматривалась в [1, § 10.14 и 10.15] для стабилизации ра­бочих характеристик усилительных каскадов при изменении темпера­туры окружающей среды.

В дальнейшем ограничимся анализом обратной связи лишь по пере­менной составляющей.

В общем случае цепь обратной связи по переменной составляющей представляет собой пассивный четырехполюсник, который своими вы­водами 1-1' и 2-2' подключается соответственно к выходной и вход­ной цепям усилителя У.

По способу подключения входных выводов 1-1' четырехполюсни­ка обратной связи ОС различают обратную связь по напряжению (рис. 10.77, а) и по току (рис. 10.77, б), по способу подключения его выходных выводов 2—2¢ — параллельную (рис. 10.78, а) и последова­тельную (рис. 10.78, б). На рисунках учтено, что обычно один вывод входной и один вывод выходной цепей четырехполюсника соединены накоротко.

Положительная обратная связь в усилителях практически не приме­няется, но лежит в основе работы различного рода автогенераторов, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Отрицательная обратная связь используется в усилителях очень ши­роко. Она позволяет создавать на основе усилителей устройства различ­ного функционального назначения: сумматоры и вычитатели напряже­ний, интеграторы, фильтры и т. д.