Усилитель напряжения на полевом транзисторе

Функциональная схема этого усилителя приведена на рис. 5.2, а. Эквивалентная электрическая схема показана на рис. 5.2, б. Емкость C₀ является здесь входной емкостью второго каскада.

Рисунок 5.2. Усилитель напряжения на полевом транзисторе:

а- функциональная схема; б- эквивалентная схема;

в- частотная характеристика.

По эквивалентной схеме можно рассматривать работу усилителя на различных частотах. В средней части частотного диапазона (от 200 до 3000 Гц) сопротивление емкости C₀ достаточно большое и она не шунтирует сопротивления R_c и R₃, поэтому общее сопротивление в стоке транзистора

Коэффициент усиления каскада

где I_с — ток в стоке транзистора;

μ — статический коэффициент усиления полевого транзистора, μ=ΔU_{стока,истока}/ΔU_{затвора};

α = R_i/R₁ — коэффициент нагрузки.

При R_i >> R₃, R₃ >> R_c можно считать R₁/R_c >> (1 + R_i/R₃), тогда коэффициент усиления в средней части частотного диапазона:

где S — крутизна характеристики полевого транзистора.

Для низких частот ω_н (меньше 200 Гц) сопротивление конденсатора С_с становится существенным, поэтому на резисторе R₃падает только часть усиленного сигнала. Коэффициент усиления на этих частотах:

На высоких частотах ω_в (свыше 3 кГц) начинает сказываться сопротивление конденсатора С_о. Общее сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора в этом случае:

Коэффициент усиления на этих частотах:

Частотная характеристика усилителя приведена на рис. 5.2, в.

Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ) нашли применение в электронной аппаратуре за счет своей универсальности и многофункциональности. Они представляют собой специальные усилители постоянного тока. Электрические схемы ОУ весьма разнообразны. ОУ могут быть с одним или двумя входами. Различают также ОУ с параметрической компенсацией дрейфа нуля, преобразованием сигнала и автоматической коррекцией дрейфа нуля. В усилителях с непосредственными связями компенсация дрейфа нуля осуществляется за счет построения входных каскадов по симметричной балансной или дифференциальной схемам. В усилителях с преобразованием сигнала для усиления постоянной составляющей используется импульсная стабилизация типа модуляция-усиление — демодуляция.

Операционные усилители без преобразования сигнала

Наиболее широкое распространение получили ОУ без преобразования сигнала, где входной каскад построен по дифференциальной схеме. ОУ этого типа состоят из каскадов: дифференциального усилителя, схемы смещения уровня напряжений, выходного усилителя мощности.

Простой дифференциальный каскад включает в себя три транзистора (рис. 5.3, а). Транзистор VT3 работает в режиме генератора тока. Коллекторный ток этого транзистора задается стабильным напряжением на делителе R₁ R₂ и сопротивлением R_э. При равенстве U_lвх и U_2вх ток I₃ транзистора VT3 протекает равными частями через транзисторы VT1 и VT2. В коллекторах этих транзисторов устанавливается напряжение:

Напряжения U_lвых = U_2вых = Е₁/2.

Рисунок 5.3. Дифференциальный каскад ОУ без преобразования сигнала:

а- схема; б- характеристики выходных напряжений.

В зависимости от разности между U_lвх и U_2вх выходные напряжения меняются, как показано на рис. 5.3, б.

На графическом изображении ОУ (рис. 5.4) указаны следующие выводы: 1 — инвертирующий вход, 2 — неинвертирующий вход, 3 — подключение положительного источника питания, 4 — подключение отрицательного источника питания, 5 — выходной сигнал.

Рисунок 5.4. Графическое изображение ОУ.

Основные параметры ОУ:

1. Входное сопротивление — дифференциальное сопротивление переменному току:

2. Средний входной ток, при отсутствии сигнала не превышающий сотен наноампер.

3. Входной ток сдвига ΔI_вх = I_вх⁺ - I_вх ^--разность между входными токами (он в несколько раз меньше среднего входного тока).

4. Напряжение смещения Uсм (прикладывается к одному из входов, для получения U_вых = 0), равное 1мВ.

5. Температурный дрейф напряжения смещения:

6. Выходное сопротивление, составляющее 1 ...5 кОм.

7. Коэффициент усиления в пределах 10²... 10⁵.

8. Полоса пропускания — полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 от максимального значения.

9. Скорость нарастания выходного напряжения ρ= Δ U_вых/Δt.

10. Время установления выходного напряжения, определяемое между уровнями (0,1...0,9) U_вых и составляющее единицы мкс.

11. Максимальный выходной ток, составляющий 5 мА и более.

Для ОУ принципиальное значение имеют три параметра: р, R_BX, ΔU_CM/ΔT. Любой из параметров ОУ можно улучшить за счет ухудшения других.

Различают ОУ:

- прецизионные, предназначенные для применения в контрольно-измерительной аппаратуре (КМ551УД1);

- быстродействующие — для схем, где требуются широкая полоса пропускания, высокая скорость нарастания выходного напряжения и малое время установления (КР140УД11);

- универсальные, или средней точности (КР140УД7);

- микромощные, где рабочий ток усилителя задается внешним резистором (К1423УД1);

- с высоким входным сопротивлением (154УД1);

- малошумящие;

- многоканальные (КР140УД20);

- мощные (К157УД1).

Прецизионные, быстродействующие, микромощные, малошумящие, широкополосные ОУ относятся к классу специализированных, поскольку один или несколько их параметров имеют значения, близкие к предельным.