80198

Усиление сигналов. Типы и параметры усилителей

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Во многих радиоэлектронных устройствах имеют место колебания, частоты которых близки к нулю. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяют усилители постоянного тока (УПТ). Современные УПТ в основном выполняют в виде интегральных микросхем

Русский

2015-02-16

99.11 KB

0 чел.

Лекция

«Усиление сигналов. Типы и параметры усилителей»

Во многих радиоэлектронных устройствах имеют место колебания, частоты которых близки к нулю. Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяют усилители постоянного тока (УПТ). Современные УПТ в  основном выполняют в виде интегральных микросхем и их можно условно разделить на дифференциальные и операционные усилители.

Дифференциальные усилители. Практически во всех схемах УПТ между соседними усилительными каскадами используют непосредственную (гальваническую) связь, что вызывает эффект дрейфа нуля — самопроизвольное изменение выходного сигнала при отсутствии входного сигнала. Даже небольшое изменение постоянного тока транзистора в первом каскаде УПТ создает приращение напряжения на его выходе, которое затем усиливается другими каскадами и выделяется на нагрузке как полезный сигнал. Дрейф нуля отсутствует в схемах параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями (ДУ), которые строят по методу уравновешенного моста. На входы ДУ подают как дифференциальные (разностные), так и синфазные (одинаковые) сигналы. При этом ДУ усиливает дифференциальные и подавляет синфазные сигналы. Один из входов ДУ по отношению к выходу является инвертирующим (выходной сигнал противофазен входному), а другой — неинвертирующим (выходной сигнал синфазен с входным). Наиболее часто ДУ применяют для сравнения с высокой точностью значений или разности двух напряжений. Это объясняет название «дифференциальный усилитель».

Операционный усилитель (ОУ) - высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (106...107), высокое входное (сотни мегаОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель, а выходным каскадом — эмиттерный повторитель. На рис. 1. а показано условное графическое обозначение ОУ. Один из входов ОУ по отношению к выходу является неинвертирующим, а другой — инвертирующим (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляют от двух одинаковых разнополярных источников +UП и —UП (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности входных U0=UН-UИ

Коэффициент усиления по напряжению Ко собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

К0 = UBЫХ/U0

Передаточные характеристики (рис. 1. б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению Ко. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение

В теории интегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем на ОУ вводят понятие «идеальный ОУ», для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиления Ко = ∞ и входное сопротивление RBX0 = ∞ и нулевое выходное сопротивление RBЫX0= 0.

Из этих допущений вытекают два основных свойства ОУ.

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала

Рис. 1. Операционный усилитель:

а — условное графическое обозначение; б — передаточные характеристики

Понятие идеального ОУ соответствует принципу «виртуального»  (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов.

При виртуальном замыкании, как и при физическом, напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Но в отличие от физического замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи. В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения — инвертирующую и неинвертирующую. Фактически любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях.

Инвертирующий усилитель. В таком усилителе входное напряжение через резистор R1 подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной связи RОС охвачен параллельной ООС по напряжению (рис. 2. а). Неинвертирующий вход каскада заземлен.

Рис. 2. Инвертирующие схемы на ОУ:

а — усилителя; б — сумматора

    т.к.     то     

т.к.

то

отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя:

При

схема на рис. 2 а превращается в инвертирующий повторитель (инвертор).

Еще одним вариантом инвертирующего  усилителя является преобразователь тока в напряжение. Это достигают при R1 = 0. Тогда ток IВХ = IОС= -UBbIX/RОС и выходное напряжение UBbIX = - IВХ/RОC

Сумматор (рис.2.б)

инвертирующий вход почти не потребляет ток, то сумма всех входных токов I1, I2 и I3 протекает только через резистор R1 и общий входной ток создает на нем падение напряжения UВЫХ = -(I1+ I2+I3)/ RОС Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные напряжения, и положив R = RОС, получим инвертирующий сумматор

Неинвертирующие схемы на ОУ:

Рис. 3. Неинвертирующие схемы на ОУ:

а — усилителя; б — сумматора

 

Поскольку     то    

Если  то -  повторитель напряжения,

, то   

              

-    постоянная времени цепи

Рис. 4.Устройства на ОУ:

а — дифференцирующее; б — интегрирующее

Интегрирующее устройство (интегратор). Поскольку в схеме рис. 4, б ток , находим . Приравняв эти токи и интегрируя, получим

 

На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, широко использующиеся в различных радиотехнических устройствах, например в качестве генераторов напряжения разверток  электроннолучевых осциллографов, телевизионных систем и пр.

Рис.6. Избирательные усилители:

а — резонансный; б — с частотно-зависимой ОС; б — частотные характеристики


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65091. Клад серебряных монет первой четверти XV в. из Туркмении 88 KB
  Осенью 1997 г. в Москву были привезены для продажи коллекционерам 350 серебряных монет из большого клада, найденного незадолго до того в северной части Туркменистана. Владелец А.Алиев сообщил, что точное место находки ему неизвестно...
65093. ХУДОЖЕСТВЕННОЕ ОФОРМЛЕНИЕ МУСУЛЬМАНСКИХ МОНЕТ: НАРУШЕНИЕ ЗАПРЕТА? 137.5 KB
  Но если монеты античной Греции Рима эллинистического Востока обычно ассоциируются с прекрасными портретами конными экипажами образами богов и богинь то традиционно оформленные дирхемы и динары Арабского халифата а после его распада монеты многих его идеологических преемников...
65096. Клад из с. Новая Казанка Уральской области 159 KB
  Монетный состав клада, несмотря на его скромные размеры, довольно необычен и представляет научный интерес даже в таком составе. Монетные дворы, представленные в комплексе — Сарай ал-Махруса, Мохша, Сарай, Хорезм, Сарай ал-Джадид...
65097. «Железные псы» Батуидов (Шибан и его потомки в войнах XIII в.) 617 KB
  Согласно Рашид ад Дину и более поздним зависимым от него источникам Шибан 5 был пятым сыном Джучи Рашид ад Дин 1960 С. Старше Шибана по Рашид адДину были Орда Бату Берке и Беркечар. Несмотря на то что Рашид адДин в генеалогии Джучидов позиционирует Шибана пятым сыном...
65098. Буддизм в культуре Золотой Орды 288 KB
  Среди довольно обильных данных письменных источников, характеризующих конфессиональную ситуацию в Золотой Орде, сведения о буддизме единичны. По этой причине нередко даже специальные исследования религии и верований...
65099. МАВЗОЛЕИ ЗОЛОТОЙ ОРДЫ: ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ОПЫТ ТИПОЛОГИЗАЦИИ 141 KB
  Бартольд нередко монгольские ханы после принятия ислама уничтожали тайну окружавшую могилы их языческих предшественников и строили над этими могилами мавзолеи мусульманского типа 5 приводя в пример самого Тимура который возвёл мавзолей над могилой своего отца-язычника.