В балансных схемах используются свойства

4-плечного балансного моста (рис.1.57). Если (условия балансировки моста), то мост сбалансирован . Из условия балансировки Þ

(j₃=j₄) Þ(U_Н = j₃ -j₄ =0).

Свойства балансного моста:

1) независимо от изменения U_пит , если мост сбалансирован, U_Н =0;

2) изменение параметров R₁ … R₄ не приводящие к нарушению балансировки моста не приводят к появлению напряжения на выходе;

3) U_H возникает только при разбалансировке моста.

Схема дифференциального каскада УПТ (рис.1.58). Схема содержит две одинаковых главных усилительных цепи VT₁ - R_K1 и VT₂ - R_K2 . Эти четыре элемента составляют схему 4- плечного моста. Транзисторы выбираются одинаковыми . Поэтому , R_ВХ1 =R_ВХ2 ,

R_К1 =R_К2 . Одинаковые главные усилительные цепи обладают одинаковыми коэффициентами и . ( ).

Рис.1.58 .

Схема питается от двух источников Е₁ и Е₂ , Е₁=Е₂ , Е_ПИТ =å Е =Е₁+Е₂ =2Е.

U_Н = U_ВЫХ1 - U_ВЫХ2 , R_Б – сопротивление для начальной балансировки схемы, R_Э – для стабилизации общего тока.

Возможные три способа подачи входных сигналов:

а) подача двух разных сигналов на два входа;

б) подача одного сигнала на оба входа (рис.1.59,а);

в) подача одного сигнала на один из входов (рис. 1.59,б).

Рассмотрим принцип действия усилителя для первого способа подачи входных сигналов. При подаче разных входных сигналов транзисторы открываются в разной степени, мостовая схема разбалансируется и появляется U_Н. Чем сильнее отличаются входные сигналы, тем сильнее разбаланс моста, тем больше напряжение U_Н .

U_Н = U_ВЫХ1 -U_ВЫХ2=КU_ВХ1 -КU_ВХ2=К(U_ВХ1 -U_ВХ2)

Схема дифференциального УПТ усиливает разность входных сигналов, поэтому каскад называется дифференциальным. Коэффициент усиления, не взирая на наличие двух усилительных цепей, равен коэффициенту усиления одной усилительной цепи.

Рис.1.59.

Работа усилителя при подаче на вход одного сигнала. Вследствие идентичности транзисторов в случаях подачи одного сигнала на оба входа или на один из входов U_ВХ делится пополам между обоими транзисторами. При этом один транзистор приоткрывается, другой призакрывается.

Принцип действия можно проиллюстрировать диаграммой :

U_ВХ

Независимо от способа подачи входного сигнала коэффициент усиления схемы К остается неизменным.

Поскольку схема построена по принципу четырехплечного моста, то изменение напряжения питания не приводит к появлению U_Н и одинаковые температурные изменения параметров транзисторов не разбалансируют мост. Таким образом. существенно компенсируются причины возникновения дрейфа нуля.

Понятие о прямом и инверсном (инвертирующем) входе. Если сигналы на входе и выходе усилителя совпадают по фазе, то данный вход называется прямым, если не совпадают, то – инвертирующим. Для УПТ , изображённого на рис.1.58 , по отношению к выходу с сигналом U_ВЫХ2 вход с сигналом U_ВХ1 - прямой , а вход с сигналом

U_ВХ2 - инверсный.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ОУ) – это многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентами усиления, имеющий два входа – прямой и инверсный, и один выход. В качестве каскадов использованы дифференциальные каскады УПТ , рассмотренные выше.

Рис.1.60 .

Коэффициент усиления ОУ К_U – до 200000,

входное сопротивление R_ВХ – сотни кОм ,

входной ток I_ВХ - доли мкА (при анализе схем им часто пренебрегают). Диапазон пропускания частот: Df=(0…1МГц).

АЧХ для ОУ типична для УПТ (рис.1.60).

Передаточная характеристика U_ВЫХ = f(U_ВХ) снимается на постоянном токе (рис1.61).

Рис.1.61.

Рис.1.62 .

Так как К_U велик, то область линейной работы U_Л мала. Например, если К_U =100×10³ Е=10В , то

U_Л =0,0002В.

Поэтому часто используют идеализированную характеристику ОУ(рис.1.62.).

В литературе используются два варианта условного обозначения ОУ

U_ВЫХ =к(U_{ВХ п} – U_{ВХ u} ); U_ВЫХ =кU_О .

U_{ВХ п} и U_{ВХ u} – входные напряжения прямого и инверсного входов соответственно.

В усилителях для улучшения свойств часто используют обратные связи.

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ . Под обратной связью (ОС) в усилителях понимают передачу части сигнала с выхода усилителя на его вход. Блок-схема усилителя с обратной связью приведена на рис.1.63, где К - коэффициент усиления усилителя без ОС;

Рис.1.63.

коэффициент передачи цепи обратной связи, β = ;

U_ОС - напряжение ОС ;

K_OC =U_ВЫХ /U_ВХ -коэффициент усиления усилителя с ОС.

Классификация обратных связей:

1. Положительная обратная связь - +ОС

2. Отрицательная обратная связь - -ОС

+ОС: U_О =U_ВХ +U_ОС,

-ОС: U_О =U_ВХ -U_ОС.

Кроме этого, различают :

- ОС по напряжению - сигнал ОС ~ U_ВЫХ ;

- ОС по току - сигнал ОС ~ I_ВЫХ ;

- комбинированная обратная связь - сигнал ОС ~ I_ВЫХ , U_ВЫХ .

Анализируя блок схему (рис.1.69) можно получить коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, К_ОС = . Для +ОС К = , для -ОС К_ОС = .

(-ОС – уменьшает коэффициент усиления, +ОС – увеличивает коэффициент усиления).

Влияние отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилителя.

1. Влияние -ОС на стабильность работы усилителя. Стабильность работы усилителя оценивается величиной - относительным изменением коэффициента усиления. Чем меньше , тем усилитель работает стабильнее. Так как К_ОС =f(К), то, разлагая эту функцию в ряд Тейлора и ограничиваясь двумя первыми членами, получаем

,

т.е. относительные изменения коэффициента усиления усилителя с обратной связью в (1+bК) раз меньше, чем относительные изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. Коэффициент усиления становится более стабильным.

2. Влияние -ОС на полосу пропускания частот усилителя (рис.1.64.). Так как K_ОС <K, то АЧХ усилителя с отрицательной ОС пойдёт ниже, чем АЧХ усилителя без ОС.

Определяя Df _ОС и Df , получаем, Df _ОС > Df , т.е. ОC расширяет полосу пропускания.

Рис.1.64 .

3. Влияние отрицательной обратной связи на искажения сигнала. Поскольку -ОС расширяет полосу пропускания частот, то линейные искажения уменьшаются. Можно показать, что -ОС уменьшает и нелинейные искажения.

4. Влияние отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивление. Используя разложение в ряд Тейлора и закон

Ома, для некоторых видов -ОС, получаем

R_{ВХ ОС} =R_ВХ (1+bК), R_{ВЫХ ОС} = .

-ОС увеличивают R_ВХ и уменьшают R_ВЫХ .

Как следует из отмеченного выше, свойства усилителя улучшаются, однако это достигается ценой уменьшения коэффициента усиления.

Ниже приведены два примера введения -ОС в усилительных каскадах.

Пример 1 (рис.1.65). Обратная связь вводится резистором R_ОС . Поскольку главная усилительная цепь инвертирует сигнал, то сигналы входа и обратной связи будут в противофазе, поэтому ОС будет отрицательной.

Рис.1.66.

Рис.1.65.

Пример 2 (рис.1.66). Обратная связь вводится с помощью резистора R_Э. Это можно показать следующим образом: U_Э +U_О -U_ВХ = 0 (по второму закону Кирхгофа), здесь U_О= U_БЭ - напряжение, непосредственно воздействующее на транзистор.

U_О =U_ВХ -U_Э =U_ВХ -I_ЭR_{Э ,} I_Э » I_К =I_ВЫХ Þ U_О =U_ВХ -I_ВЫХR_Э.

Из последнего выражения видно, что на вход влияет сигнал, пропорциональный выходному току, т.е. есть влияние выходной цепи на вход. Таким образом, включение R_Э обусловливает появление -ОС.

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ.

Схема неинвертирующего усилителя представлена на рис.1.67,а, где R_ОС – сопротивление

обратной связи. Сигнал ОС подается на инверсный вход , поэтому U_{ВХ И} =U_{OC ,}

Рис.1.67 .

U_ВЫХ =К(U_{ВХ П} – U_{ВХ И})=К(U_ВХ - U_ОС). Это говорит о том ,что ОС отрицательная. Для

того, чтобы в ОУ ввести - ОС, нужно выход соединить с инверсным входом.

Выведем коэффициент усиления:

К_ОС = .

Пусть bК>>1(это допустимо, так как K>>1), в этом случае ’’ 1 ’’в знаменателе можно пренебречь, в результате чего получаем

К_ОС = , b = ; U_ОС = ,

b = = ,

К_ОС = = =1+ .

Задавая соответствующие R₁ и R_{ОС ,} можно получить требуемый коэффициент усиления.

Схема инвертирующего усилителя представлена на рис.1.67,б.

При анализе инвертирующего усилителя пренебрегаем I_О и U_О вследствие их малости. По первому закону Кирхгофа имеем

I_ВХ +I_ОС - I_О =0 , I_ВХ = -I_ОС .

Найдем эти токи по закону Ома:

, I_ОС = , .

Пренебрегая U_О, получаем U_R1 =U_ВХ , U_ОС =U_ВЫХ ,тогда

, откуда .

Знак “-” означает, что усилитель инвертирующий.

Суммирующий усилитель(рис.1.68)построен на базе инвертирующего усилителя. Математическая операция, которую он должен будет выполнять такова U_ВЫХ =å a_iU_i ;

Рис.1.68 .

Для входной цепи имеем :

I₁ +I₂ +I₃ +I_ОС - I_О =0 .

Используя соотношение, полученное для инвертирующего ОУ, получаем

I₁ +I₂ +I₃ = -I_ОС ;

U₁ /R₁ +U₂ /R₂ +U₃ /R₃ =-U_ВЫХ /R_ОС ;

(R_ОС /R₁)U₁ +(R_ОС /R₂)U₂ +(R_ОС /R₃)U₃ = -U_ВЫХ ;

U₁ +a₂U₂ +a₃U₃ = -U_ВЫХ ;

Если R₁ =R₂ =R₃ =R_ОС , то a₁ =a₂ =a₃ =1 , то

U_ВЫХ = -å U_i . Для того, чтобы избавиться от

минуса, можно последовательно включить еще один инвертирующий усилитель с К=1.

Интегрирующий усилитель (рис.1.69) должен выполнять операцию U_ВЫХ = К . Используя соотношение для инвертирующего усилителя, имеем I₁ + I_С =I_О .

Рис.1.70 .

Рис.1.69 .

Пренебрегая I_О , получаем I₁ = -I_С . Учитывая , что

I_С =C ,

имеем

U_ВХ /R₁ = -CdU_ВЫХ /dt ; U_ВХ dt /(R₁C) = - dU_ВЫХ ;

U_ВЫХ = - , где U(0) – начальные условия.

На рис.1.70 приведен пример интегрирования сигнала.

Схема двухтактного усилителя мощности (рис.1.71).

В двухтактном усилители используется два транзистора разных типов проводимости с одинаковым коэффициентом усиления. Поскольку цепь смещения отсутствует, транзисторы работают в режиме В, усиление сигнала осуществляется за два такта: в первую половину периода открыт VT1, VT2 – закрыт (рис.1.72). Усиление сигнала осуществляется

Рис.1.72 .

Рис.1.71.

транзистором VT1. Во вторую половину периода VT1 закрывается, открывается – VT2. Вторая половина сигнала усиливается вторым транзистором. По нагрузке протекает ток I_H от их транзисторов, поэтому сигнал на выходе повторяет сигнал на входе, но усилен по мощности.