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

77356. Описание параллельных вычислений при помощи замыканий 35 KB
  Переменная n из множества NMES принимает значение истина только в том случае когда вычислен блок данных с именем являющимся и именем n. Для вычисления в функцию F передаются 1 список аргументов RGS 2 битовый вектор со значениями переменных NMES и 3 вычисленные блоки данных имена которых совпадают с именами переменных из...
77357. ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФЕНОМЕНА ПРИСУТСТВИЯ В ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ 103 KB
  Цель данной работы определить круг основных понятий связанных с человеческим фактором в контексте виртуальной реальности. В литературе приводятся такие понятия как виртуальная реальность среда виртуальной реальности виртуальная среда иммерсивная виртуальная среда присутствие англ.
77358. О реальности автоматизации отладки счетных программ 26.5 KB
  Современные отладчики позволяя осуществлять мониторинг по ходу исполнения программы помогают в локализации ошибок. Для таких систем нужна эталонная программа или эталонный запуск сохраняющий информацию о ходе выполнения программы. В частности о неправильности может сигнализировать сбой программы типа деления на ноль некорректного обращения к памяти или срабатывания ssertусловия. В случае плавающей ошибки анализируя выдачи программы при разных запусках можно попытаться обнаружить отличающиеся значения.
77359. Средства визуальной поддержки процесса распараллеливания последовательных программ 187 KB
  Одной из важных задач поддержки и организации супервычислений является задача распараллеливания огромных объемов прокладных программ, созданных в предшествующую эпоху для последовательных ЭВМ. Эти программы успешно решали задачи математической физики, моделирования химических процессов, небесной механики и др. После появления современных параллельных вычислителей с 1000 и 10 000 процессоров встает проблема превращения надежных и проверенных кодов в эффективные и мобильные параллельные программы.
77360. Параллельный рендеринг воксельной графики 27.5 KB
  В данной статье описывается разработка средств распараллеливание воксельной графики используемой для представления больших объемов данных получаемых в результате компьютерного моделирования сложных процессов. Обычно данных представляются в виде 3х мерного массива. Затем вычисляется ближайшая точка пересечения этого луча с областью данных параллелограммом. После этого алгоритм движется по трёхмерному массиву данных с шагом в одну ячейку до попадания в не пустую точку.
77361. Вопросы выбора архитектуры интерактивного взаимодействия с параллельными программами 120 KB
  озможность интерактивного взаимодействия с суперкомпьютерной программой при проведении расчётов по сравнению с пакетной обработкой задач может существенно повысить эффективность труда исследователя. Однако организация такого взаимодействия сопряжена с рядом трудностей связанных с устоявшейся методикой программирования и проведения расчётов. Один из ключевых моментов построения такого взаимодействия выбор правил и принципов построения связи со счетными программами.
77362. DATAFLOW-BASED DISTRIBUTED COMPUTING SYSTEM 39.5 KB
  The method is bsed on the following concepts: storge tsk nd rule. Storge stores nmed dt on which three opertions could be pplied crete write red nd delete. Every item in the storge is selfsufficient nd contins dt some metinformtion nd hs unique nme. The term tsk identifies the progrm which could red dt with specific nmes from the storge nd generte new dt items which will be written into the storge s result of tsk execution.
77363. ПОИСК НОВЫХ ПОДХОДОВ К ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ 33 KB
  Важная проблема разработки систем компьютерной визуализации связана с выбором методов представления данных возникающих в связи с описанием сложных процессов. Такие подходы появляются в различных областях компьютерной визуализации см. Нужен дополнительный поиск более простых метафор визуализации позволяющих более эффективно анализировать абстрактные данные.
77364. Применение алгоритмов распознавания образов с целью захвата жестовых языков без применения маркирующих устройств 23.5 KB
  В этой работе рассматривается возможность построения системы на базе принципов захвата движения для распознавания жестовых языков обладающих большим количеством знаков. В этой связи важным является изучение современных алгоритмов распознавания образов. Проведен анализ ряда алгоритмов преобразования изображений применяемых в области распознавания образов а также их комбинации для эффективности решения поставленной задачи.