Усилители с обратной связью, дифференциальные и операционные усилители и их применения

УДК 621.375 ПЗЗ ББК 32 846 ПРЕДИСЛОВИЕ СОДЕРЖАНИЕ Рецензенты: канд, техн. наук, Е.А. Богатырев, докт. техн. наук С.М. Смольский Редакционный совет: Ьакулев П.А., Воскресенский Д.и. (председатель), Карташев В.Г., Кулешов В.Н., Митрохин В.Н., Никитин О.Р., Никольский В.М., Смольский С.М., Ушаков В.Н., Фсдоров И.Ь. Серия "Конспекты лекций по радиотехническим дисциплинам" Выпуск 13 1. УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОИ СВЯЗЬЮ ..........,......................,............

4 1.1. Классификация и свойства усилителей с обратной связью..... 4 1,2. Основная формула теории обратной связи ............................. 10 1.3. Устойчивость усилителей с обратной связью ..........,............. 11 1.4. Усилитель с общим коллектором (стоком, анодом) .............. 13 1.5. Усилитель с комплексной ОС по току ........................,........... 17 1.6. Усилитель с разделенной нагрузкой...........................,............ 20 Вопросы для самоконтроля..................................................................

21 2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ .... 22 2.1. Дифференциальные усилители ...........,.................................... 22 2.2. Операционные усилители ......................................................... 28 2.3. Выходные каскады операционных усилителей ...................... 34 2.4.

Схемы сдвига уровней ..........,........,.......................................... 37 Вопросы для самоконтроля.........................,...„........................,.......... 39 3, ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ЦЕПЯМИ ВНЕШНЕЙ ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие совместно с ранее изданным конспектом лекций «Усилительные усторойства» [1~ содержат изложение разделов курса «Схемотехника аналоговых электронных устройств», посвященных усилительной схемотехнике. Совместно оба эти издания соответствуют программе курса и предназначены для самостоятельного изучения тех вопросов, которые в силу недостатка времени не излагаются на лекциях, но необходимы современному радиоинженеру.

Они предназначены также для подготовки к экзаменам, лабораторным работам и могут быть полезны при выполнении курсовых работ и проектов. 1. УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 1.1. Классификация и свойства усилителей с обратной связью Обратной связью (ОС) в общем случае можно назвать явление, в результате которого состояние и свойства системы оказываются зависящими от ее выходного эффекта. Обратная связь но напряжению. Обратной связи этого типа соответствует условная структурная схема на рис.1.1. Жирные стрелки на рисунке и далее символически указывают на наличие связи между соот- ветствующими зажимами без конкретизации ее характера.

В реальных схемах не всегда удается в явном виде выделить четырехполюсник обратной связи ф, однако для всех типов ОС можно ( ввести обозначение Р =~'0./~'них ° Рис.1.1 (1.! ) т.е. ввести коэффициент передачи напряжения по цепи ОС с выхода на вход усилителя и условно отобразить эту передачу напряжения включен: нием в структурную схему четырехполюсника ф . Цепь прямой передачи состоит из усилителя с коэффициентом Сопротивление Уо является о К 1-Рк' "" к „,им иых 'о У'~ У„„„У„„„ос + У„ +.СВ 1 — Рко (1.6) Рис.1.3 К" .

У" 1 — Рк ' 1 — Рк (1.7); (1.3) (1.13) и соответствует эквива- лентной схеме усилителя на в рис.!.2. В этой схеме эввиь, „симый генератор напряже- Ко~/ ВЫХ У,„„, +УВ (1.14) ния управляется входным напряжением 1/„„, а не ре-::,''.'':: жений. имеем Подставляя (15) в (1.4), можно записать Выражение (1.6) по форме записи аналогично (1.4), однако содержит эквивалентные параметры усилителя с ОС по напряжению внешним по отношению к усилителю К , однако в целях сохранения единства записей для ОС по току и по напряжению отнесем его к внутреннему сопротивлению усилителя. Считается, что усилитель обладает эквивалентным внутренним сопротивлением .о .о У....„=У.„, +У' Тогда Считая опять, что на входе осуществляется суммирование напря- ~а / Ь, (1.20) Рис.!.5 тивлении усилителя К .

Схема ввода напряжения ОС в этом случае изображена на рис.1.4. Здесь четырехполюсник ОС ~3 изображен в виде генератора напряжения /3'У„„,„с внутренним сопротивлением У~. Результирующее напряжение на входе усилителя К равно ос в. ' 0 вх ' Р в.х + с Уос + Ус + У„"„ Коэффициент передачи четырехполюсника ОС, как следует из схемы на рис.1.5, равен 1.2. Основная формула теории обратной связи Как следует из изложенного, при любом типе ОС оказывается, что результирующее входное напряжение является суммой составляющих, создаваемых источником сигнала и цепью ОС (входным напряжением или током).

Всегда можно записать У =уО,„+фб„„. Деля левую и правую части (1.27) на У, „, получаем У .У„„ 1 . 1 — = у —."" + ф или —.„= у —, + р' . У,„„ ~о Отсюда ~о К, =у (1.28) 1 — ~3К" В выражении (1.28) у~1 только при параллельной ОС, если '2~~~0 1+ фК" При этом фазовые сдвиги, обусловленные комплексностью Р' и Ко, исчислялись бы относительно начального фазового сдвига между У„, и Рос, равного ~ . Во всех ранее полученных формулах для эквивалентных параметров усилителя при наличии ОС знаки "—" тоже поменялись бы на "+".

В литературе иногда эти формулы фигурируют именно в таком начертании, т.е. для заведомо отрицательной ОС. При ~~ — рК"~=0, те. при /3К" =1, ~К ~=, усилитель преврапсвется в генератор. Обычно в усилительной технике используются отрицательные ОС. Однако в силу комплексности величины фК фазовые и сдвиги в петле ОС могут приводить к тому, что нормально отрицательная ОС может на некоторых частотах превращаться в положительную, что, в свою очередь, может приводить к неустоичивости усилителя. Проверка и обеспечение устойчивости являются важными этапами (см.(1.25)). Значения д определяются формулами (1.1), (1.12), (1.21), О, о (~+ рКс) (~+ ~ЗК') и) Рис.).6 Вместо годографа петлевого усиления можно рассматривать отдельно его АЧХ и ФЧХ, т,е.

зависимости ~р (гл) К (гс)~ и <р „,„(в) = у~( ) +д~'"„), что прямо соответствует проверке условий (1.30). Для выполнения условий устойчивости иногда в состав усилителя приходится включать специальные корректирующие цепи, влияющие на (1.32) У я ~ ъ его АЧХ или ФЧХ на частотах неустойчивости. дифференциалом дК ., а изменения К~~ — величиной ОКО, то отношение этих дифференциалов, являющееся производной ЫК /с!К", как следует из (1.28) при у =1, равно с1Кос 1+ р'Ко — р'К" ! о'~ т.е.

величина изменений К в (1~ /3К") раз меньше величины изме- нений К", что увеличивает точность передачи сигнала и стабильность параметров усилителя при вариациях параметров активных приборов, входящих в состав К . В предельных случаях, когда ~рК ~>>1, при 0 1 о1 отрицательной обратной связи, из (1.28) получаем Ко 'К, =у —. Рк" Р Это открывает возможность управления частотными и фазовыми харак- Таблица 1.1 Для транзисторных усилителей коррекцию АЧХ, ФЧХ и переходных характеристик методом применения частотно-зависимых ОС часто предпочитают методу индуктивной коррекции в силу технических удобств и технологичности этого метода.

1.6. Усилитель с разделенной нагрузкой рактеристик при росте С„ 7~/'г„,„1 1 1 1 4 4 показана на рис.1.11. Па1у . /~у ра метры переходной хау у 1 095 0 77 ~Л ра,теристи,и приведены в д, % 0 1,0 5,0 33 табл.1.1. Заметим, что при т„=х„.,„~ значение емкости С„получается настолько малым, что никаких дополнительных искажений в области низших частот не происходит (С„=О для рис.1.9, 1.10).

В то же время массогабаритные показатели значительно улучшаются (С„составляет сотни пикофарад вместо сотен микрофарад) без потери в коэффициенте широкополосности. В (1.53) поставлен знак приближения, так как для повторителя Иц, — — О (О„„„., =О). Тем не менее данный каскад достаточно чисто выполняет функции фазорасщепительного или "парафазного" каскада, что необходимо во многих практических электронных устройствах.

Некоторым недостатком является различие выходных сопротивлений по выходам 1 и 2 (ОС по току (1) и Ос по напряжению (2)), приводящее к различию верхних граничных частот(/; < /„' ) и времен установления(~ >(„). ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Как изменяет свойства и параметры усилителя обратная связь по на- пряжению'? 2. Как изменяет свойства и параметры усилителя обратная связь по току'? 3. Как проверить усилитель на устойчивость' ? 4.

Как записывается и трактуется основная формула теории ОС? 2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 2.1. Дифференциальные усилители Дифференциальные усилители (ДУ) являются основным типом современных усилителей постоянного тока, предназначенных для усиления постоянной составляющей в спектре сигнала.

Поэтому они изготавливаются в виде интегральных микросхем широкого применения, а также входят как основные усилительные каскады в состав операционных усилителей. Следует отметить, что практически все усилительные микросхемы имеют гальванические связи и способны передавать постоянную составляющую, но при этом обладают повышенным дрейфом нуля и по- этому в качестве УПТ используются редко.