В.В. Филинов, А. В. Филинова - Электроника и основы измерений, страница 11

Имеются также другие электрические характеристики, а также предельные эксплутационные параметры схемы, приводимые в справочниках по аналоговым микросхемам.

Этот усилитель характеризуется большим значением коэффициента усиления, однако нестабилен в работе.

а б

Рис. 2.19. Условное обозначение микросхемы: а или б

Такие микросхемы с двумя входами и одним выходом и большим коэффициентом усиления на основе усилителей постоянного тока называются операционными усилителями.

Они являются основой целого ряда различных устройств, на их основе можно построить: масштабный усилитель, интегрирующий усилитель, дифференцирующий усилитель, различные типы фильтров и т.д.

2.1.11 Обратные связи в усилителях

Конструирование различных электронных устройств на основе ОУ производится с использованием обратных связей. Обратной связью (ОС) называется передача части энергии выходного сигнала усилителя на его вход (см. рис. 2.20).

Рис.2.20. Усилитель с обратными связями	Рис. 2.21. Операционный усилитель отрицательной ОС

Из выходной цепи во входную блок-схемы рис.2.20 энергия передается через электрическую цепь обратной связи с коэффициентом передачи , где K₀ – коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Обратная связь называется положительной, если передаваемый ею с выхода на вход сигнал U_ос совпадает по фазе и складывается с входным сигналом U_вх (на рис.2.20 положительная обратная связь обозначена ₊). Обратная связь называется отрицательной, если сигнал обратной связи U_ос находится в противофазе и вычитается с входным сигналом U_вх (на рис.2.20 отрицательная обратная связь обозначена _-). Коэффициент усиления усилителя К_ с положительной ОС определяется выражением , при отрицательной ОС - . Применение отрицательной ОС в усилителях существенно улучшает их параметры: повышает стабильность коэффициента усиления, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление, расширяется полоса пропускания. Поэтому отрицательная ОС широко применяется для конструирования новых усилительных устройств. Положительная ОС воздействует на параметры усилителей противоположным образом, т. е. увеличивает нестабильность коэффициента усиления и может привести к самовозбуждению усилителя, т. е. переходу его в режим генератора электрических сигналов. Поэтому положительная ОС в усилительных устройствах практически не используется, а используется в генераторах.

2.1.12. Операционный усилитель

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью наиболее часто применяется на практике (см. рис.2.21). Отрицательный характер ОС обусловлен подачей U₁ на инвертирующий вход ОУ, так что U_вых = - K₀U₁. Отрицательная обратная связь осуществляется через сопротивления и .

Т. к. входное сопротивление ОУ больше (принимает ), то входной ток ОУ I_оу=0 и выполняется I_вх=I_ос, откуда: .

При большом коэффициенте усиления ОУ (К₀ ) напряжение на входе ОУ и поэтому откуда (1)

Инвертирующий усилитель (инвертатор). При и выражение (1) примет вид (U_вых = - U_вх), схема принимает вид инвертирующего повторителя напряжения.

Масштабный усилитель. При и выражение (1) примет вид , а усилитель выполняет роль масштабного инвертирующего

усилителя: U_вых = - К_-U_вх.

а б с

Рис. 2.22. Усилители: а – суммирующий, б – интегрирующий , в - дифференцирующий

Суммирующий усилитель (сумматор). Если на вход ОУ подается несколько входных напряжений U_вх1, U_вх2, U_вх3, а R₁ = R₂ (рис.2.22а), то выражение (1) примет вид . Усилитель выполняет роль сумматора, т. к.

U_вых = -(U_вх1 + U_вх2 + U_вх3). Интегрирующий усилитель. При и получается интегрирующий усилитель (рис.2.20б), у которого коэффициент усиления , что

соответствует операции интегрирования в комплексной форме записи, где

=CR₁ – постоянная

интегрирования, задающая

масштаб интегрирования по

времени. Соответственно

в временной форме записи имеем

.

Дифференцирующий усилитель. При и получается дифференцирующий усилитель (см. рис.2.22в), у которого коэффициент усиления: ,

что соответствует операции дифференцирования входного сигнала в комплексной форме записи, где =CR₂ постоянная времени дифференцирования Соответственно во временной форме записи имеем

2.1.13. Избирательный усилитель

Рассмотренные выше схемы усилителей предназначены для усиления входных сигналов в широкой полосе частот.

Рис.2.23. Схема избирательного усилителя с Т-мостом	Рис.2.24. АЧХ Т-моста

На практике в системах связи и радиопередачи, во многих системах автоматического контроля и управления необходимо усиливать полезный сигналодной частоты ƒ₀ , так чтобы сигналы других частот не усиливались. Такую задачу решает избирательный усилитель, представляющий собой, например, ОУ, охваченный частотно-зависимой отрицательной обратной связью в виде двойного Т-образного моста (рис.2.23). Амплитудно-частотная характеристика Т-образного моста приведена на рис.2.24. На низких частотах ƒ0 коэффициент передачи моста 1, т. к. сопротивление Х_с конденсаторов становится большим и все напряжение U_вых через «верхний» одинарный мост R, 2C, R передается на вход ОУ в виде напряжения обратной связи U_ос. На высоких частотах ƒ ,1 вследствие того, что сопротивления конденсаторов Х_с =1/2fC становятся небольшими, и все выходное напряжение через «нижний» одинарный Т-мост С, R/2, С передается на вход ОУ. На резонансной частоте ƒ₀ =1/2RC коэффициент передачи моста  0.

Коэффициент усиления К_{β_} с двойным Т-мостом в цепи отрицательной обратной связи известен К_{β_} =

Анализ этого выражения показывает, что на низких ƒ  0 и высоких ƒ  частотах при _{_} 1 К_{β_} = ≈ 1, а на резонансной частоте ƒ₀ (при _{_} = 0)

К_{β_} = К₀ >> 1.

Амплитудно-частотная характеристика К_{β_} =F(ƒ) избирательного усилителя с Т-мостом в цепи обратной связи приведена на рис.2.25. Она построена с учетом выражения для К_{β_} и амплитудно-частотной характеристики Т-моста. Нужная величина К₀ обеспечивается правильным выбором номиналов резисторов R₂ и R₁ так, что К₀= R₂ / R_1.

Рис.2.25. АЧХ избирательного усилителя с Т-мостом	Рис. 2.26. Блок-схема генератора

2.2. Генераторы электрических сигналов

Генераторы гармонических сигналов предназначены для преобразования энергии источника питания в энергию электрического сигнала синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. На практике, часто, такой генератор представляет собой ОУ охваченный глубокой положительной обратной связью с коэффициентом передачи ₊ (см.рис.2.26). для схемы входное и выходное напряжения связаны соотношениями :

откуда , справедливое при .

Выполнение последнего условия обеспечивает в автогенераторе незатухающие колебания. Величины и в уравнении являются комплексными, поэтому можно записать

= К₀ е^јφ · ₊е^јψ = 1

Последнее выполняется при двух условиях:

φ + ψ = 0 – условие баланса фаз автогенератора,

К₀ ₊ = 1– условие баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что в схеме существует положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что энергия, теряемая в генераторе за одно колебание, восполняется энергией от источника питания. Выполнение условий баланса фаз и амплитуд обеспечивает возникновение сигналов генератора сложной формы, состоящих из большого числа гармонических составляющих. Для возникновения сигнала генератора нужной частоты обеспечивают выполнение условий баланса фаз и амплитуд, только для частоты f₀, путем включения частотно-зависимых схем, например, Т-образного моста.

Рис. 2.27. Схема генератора с Т-мостом

Пример выполнения автогенератора гармонических колебания с Т-образным мостом

приведен на рис.2.27. положительная ОС создается резисторами R₃ и R₄, отрицательная ОС – резонаторами R₂ и R_1, которые обеспечивают условие самовозбуждения генератора: баланс амплитуд К₀₊=-(R₂/ R₁)·₊≥1; баланс фаз φ + ψ = 0 ( φ и ψ = 0. Поскольку в автогенераторе в цепь отрицательной обратной связи включен Т-образный мост, то условия самовозбуждения генератора выполняются только для одной резонансной частоты ƒ₀=1/2RC.

Приведенная на рис.27 схема относится к генераторам RC-типа, применяемых для возбуждения гармонических сигналов низких и средних частот (условно до 300 кГц). Электрические сигналы более высоких частот (условно выше 300 кГц) создаются генераторами LС – типа примером которых может служить схема, представленная на рис.2.28.

Усилитель в схеме LC-генератора рис.2.28 выполнен на базе УОЭ с транзистором n – р – n типа (см.рис.2.6). назначение всех элементов УОЭ известно (см. п.2.1.4), вместо коллекторного сопротивления R_К включен дроссель L_ДР., выполняющий функцию R_К в УОЭ по переменному току и обеспечивающий R_К = 0 по постоянному току, чтобы уменьшить потери энергии. ОС выполняется за счет магнитной связи М контура L_КС_К , включенного между выходом УОЭ и катушкой L_б входной цепи УОЭ. Условие баланса амплитуд обеспечивается правильным выбором К_u≥1, где К_И – коэффициент усиления УОЭ,  = - коэффициент магнитной связи, М, L_б , L_К - cоответственно взаимная индуктивность и индуктивность катушек. Условие баланса фаз обеспечивается φ+ ψ = 0 за счет положительной ОС: