А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Его схема показана на рис. 6.14, а, где Я„С„, ܄— элементы корректирующих цепей. На рис. 6.14,б приведена эквивалентная схема усилителя для области низких, на рис. 6.14,в — высоких частот. Из схемы рис. 6.14, б следует, что наличие цепи, содержащей С„и Я„, ведет к увеличению эквивалентной нагрузки усилителя в области низких частот и к соответствующему росту его коэффициента усиления.
При ы « 1/(С„Я„) величина Я, Я, + Я,. С ростом частоты Я, - Я„. Рнс. 6.14. Широкополосный усилитель (а). Эквивалентная схема усилителя для низких (б) н высоких (а) частот В области высоких частот цепь нагрузки усилителя представляет собой колебательный контур, образованный элементами Я„Ь„, С,. Если выбрать резонансную частоту контура равной Х, усилителя без коррекции, то на этой частоте нагрузка усилителя будет чисто активной и равной Я,(Д) = Я„что приведет к подъему коэффициента усиления. Частотные характеристики усилителя без коррекции и с коррекцией показаны на рис.
6.15 пунктирной и сплошной кривыми. Анализ эквивалентной схемы рис. 6.14, в показывает, что использование высокочастотной коррекции позволяет расширить полосу пропускания усилителя в 1,7 раза при добротности контура 9 = О, 41. 6.7. Операционные усилители и их применения Операционные усилители (ОУ) предназначены для выполнения математических операций над аналоговыми сигналами, осуществление которых становится возможным при использовании различных цепей обратной связи. В современном понимании ОУ представляет собой усилитель постоянного тока — интегральную микросхему, содержашую десятки транзисторов. Это дает возможность получить: ' — коэффициент усиления без обратной связи Кр'до 10' и более; 153 — входное сопротивление  — оо; — выходное сопротивление В „- О; — полосу пропускания до десятков или сотен мегагерц.
0305 1 Рис. 6.15. Нормированная амплитудно-частотная характеристика широкополосного усилите- ля лля низких (а) и высоких (б) частот Наличие дифференциального усилителя на входе ОУ существенно уменьшает зависимость его параметров от температуры. Условное обозначение ОУ дано на рис. 6.16. Он имеет дифференциальный вход и несимметричный выход. Входы усилителя, гг обозначенные знаками "—" и "+", носят название инвертирующего и неинвертнрующего. Напомним, что подача сигнала на вход "-" означает его инверсию на выходе. Отметим, что ОУ не используют без обратных связей, а величины В и Я, измеряют при разомкнутой петле ОС.
Амплитудное значение сигнала на выходе ОУ ограничено напря- значение опеРационного усилителя жением питания. При очень большом коэффициенте усиления ОУ для его работы в линейном режиме амплитуда входного сигнала должна быть мала: (7 1к- (6.58) Рассмотрение возможных применений ОУ начнем со схемы инвертирующего усилителя, представленной на рис. 6.17, а. На этой схеме идеальный ОУ охвачен параллельной обратной связью по напряжению за счет включения импедансов Я,(ы) и Я,(ы). Входной сигнал подан на инвертирующий вход через Я,(и), неинвертируюший вход заземлен. Для нахождения зависимости коэффициента усиления ОУ от значения параметров цепи ОС найдем величину управляющей разности потенциалов, действующей на входе ОУ.
Очевидно, что Ь(7 = (г — (7~ = (7 (6.59) поскольку (Г' = О. С учетом того, что входная цепь ОУ тока не потребляет (В = оо) и выходное напряжение инвертировано относительно входного, управляющее напряжение можно найти, используя принцип суперпозиции, как Ди = и —. + (7,„„ Аз Е, У„ Я~ + Я~ Я~ + Я~ К (6.60) 1д(е Жва 1,2 1,1 1,О 0,9 О,В О,7 О,б 6.7. Опе ациоииые усилители и их п имеиеиия И О О,1 1,О И И Глава б. Усилители елект ических и оптических сигналов Отсюда следует, что коэффициент усиления инвертируюшего ОУ при наличии ОС равен Коувз К Я, + Яз Кг (6.61) КоК~ я, 1+— г, + г, поскольку КоЯ,/(Я~ + Я~) ~ 1.
~,(е) а) г) (7 Рис. 6.17. Схемы устройств на базе операционных усилителей: иивертируюший усилитель иа основе ОУ (а), иеинвертируюший усилитель (б), повторитель напряжения (в), сумматор (г), интегратор (д), лифференцируюшее устройспю (е), логарифмируюший усилитель (ж) Неинвертирующий усилитель на основе ОУ показан на рис. 6.17, б. Здесь управляеюшим сигналом является разность потенциалов Ь(7 = (7 Я, + 2,' (6.62) а выходным сигналом (7 =К, (7 (6.63) Таким образом, коэффициент усиления неинвертирующего усилителя Кг ='+ ° Ко А~ (6.64) К,г, — г, К~+ ~2 Полученные соотношения являются основными при анализе возможностей построения устройств, выполняюших разнообразные операции по обработке сигналов.
Так из (6.64) следует, 'что при Я, = О неинвертируюший ОУ представляет собой идеальный повторитель напряжения, так как его коэффициент передачи Кл — — 1,  — оо и В „- О. Эта функция ОУ может быть реализована в схеме включения рис. 6.17, в. ВЛ. Опе ациоииые силители и их и иьлеиения (6.66) или 1 Г (7 „($) = — — / (Г (1)й(. (6.69) Диф4ереняирующее сигнал устройство может быть построено по схеме рис. 6.17, е. Для этой схемы (6.70) йи (7, = — ВС вЂ”. й1 (6.71) На основе (6.61) коэффициент передачи такого устройства равен Яь Кл(ы) = — — = — умВссС = — 1ьгт. (6.72) Я~ Логарифмический усилитель на основе ОУ показан на рис. 6.17,ж.
Для его создания в цепь обратной связи необходимо включить нелинейный элемент, ток которого экспоненциально зависит от приложенного напряжения. С достаточной степенью точности Сумматор сигналов обеспечивает на выходе сигнал, пропорциональный сумме вход- ных сигналов. Он может быть построен по схеме рис. 6.17, г, где к инвертирующему входу ОУ через соответствующие резисторы подключены )ч' источников сигналов. При этом ток, протекающий в цепи Вс„-, равен сумме токов, отдаваемых каждым из источ- ников в отдельности: (Гюа~ (Гаям (Гзых + + ° ° + (6.65) А Ви Вос Справедливость (6.65) определяется тем, что разность потенциалов между управляющи- ми входами ОУ стремиться к нулю (К, — со)„его входная цепь тока не потребляет, а один из входов (в данном случае неинвертируюший) заземлен. В силу этого и инверти- рующий вход находится под потенциалом, стремящимся к нулю, или так называемым виртуальным нулевым потенциалом.
При В, = В, = ... = Вм из (6.65) следует, что (Гала = ((Гэх + (Гак + . ° + (Гам)' Введение реактивного параметра в цепь обратной связи ОУ позволяет создать устройство, интегрирующее или дифференцирующее входной сигнал. Интегратор представлен схемой рис. 6.17,д, отличающейся от схемы рис. 6.17,а заменой Я, на В и Я, на 1/уыС. С учетом (6.61) коэффициент передачи такой схемы Я, Кл(ы) = — — = —— (6.67) Я, 7'юВС обеспечивает реализацию точного интегрирования входного сигнала. Действительно, сигнал (Г (1), обладающий спектром Я(ю) и поступающий на вход схемы рис. 6.17,д, на выходе ее будет иметь спектр Б(ш)Г)ьгт, где т = 11С. Это соответствует получению функции 1 Г т,/ Этот же результат может быть получен при введении понятия виртуального заземления инвертирукицего входа.
При этом (7 (1) . а(7 1 (Ф) = — = 1 (1) = -С вЂ”, В й (6.68) Глава 6. Усилители электрических и оптических сигналов эта экспоненциальная зависимость выполняется при приложении прямого смещения к р — п-переходу, вольт-амперная характеристика которого описывается как 1= То ехр — 1 (6.73) При прямом смещении (Г,„„> т ( 26мВ при Т = 3ООК) ток во входной цепи усилителя (г /11 равен току в выходной цепи 4 ехр —, или хат ' )сТ (7 17 = — !п —. ани Ш Ч о (6.74) Приведенные примеры дают представление только о малой части возможных применений ОУ, которые могут быть использованы для решения многообразных задач линейных и нелинейных преобразований сигналов, их генерации и обработки.
Широкое применение ОУ находят при построении активных фильтров, устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно, при создании аналоговых вычислительных машин. 6.8. Параметрические усилители Механизм усиления сигналов параметрическими усилителями существенно отличается от механизма усиления в электронных устройствах, использующих лампы и транзисторы, где входной сигнал управляет плотностью электронного потока в приборе. Такому механизму усиления почти всегда присущ высокий уровень шумов, вызываемых дробовым эффектом. В параметрических усилителях усиление происходит благодаря периодическому изменению во времени реактивного параметра (емкости или инлуктивности) колебательной системы.
Это изменение осуществляется за счет энергии генератора высокой частоты, называемого генератором накачки. Частота генератора накачки ы, в общем случае отличается от частоты ы, усиливаемого сигнала. Рассмотрим процесс энергообмена между генератором на-;,(г) качки и сигналом.
Будем считать, что генератор накачки осуществляет периодическое изменение емкости конденсатора путем механического перемещения его пластин. Таким генера- с(г) тором накачки может быть, например, электродвигатель, соединенный с подвижной обкладкой конденсатора с помощью и(0 кривошипно-шатунного механизма. При вращении двигателя подвижная обкладка конденсатора совершает колебательное движение, периодически удаляясь и приближаясь к пеподвиж- Рн 618 С у й ной обкладке, Предположим, что конденсатор включен парал- ства лля исследования лельно катушке индуктивности Ь и образует с ней колебатель- процессов энергообмена ный контур. Пустьнаэтотконтуротнекоторого генераторатока в параметрическом уснпоступает ток сигнала 1,(1) и вызывает в контуре вынужденные лнтеле колебания.
Будем считать, что частота сигнала близка к резонансной частоте контура. Эквивалентная схема такого устройства показана на рис. 6.18. На этом рисунке конденсатор с изменяющейся емкостью С(1) учитывает действие генератора накачки, а резистор  — эквивалент потерь энергии в реальном устройстве. Емкость С(1) можно представить в виде С(1) = Со + ЬС(1), где С, и ЬС(1) — соответственно постоянная и переменная составляющие емкости С(1). Пусть переменная составляющая емкости ЬС(1) и напряжение сигнала на контуре и(1) меняются по гармоническому закону с частотами соответственно накачки ы„и сигнала 'ы.. Строго говоря, 6.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
