...

1. Загальні положення

Підсилювачем називають пристрій, призначений для збільшення параметрів електричного сигналу (напруги, струму, потужності). Підсилювач має вхідний коло, до якого підключається джерело вхідного сигналу, і вихідне коло, з якого вихідний сигнал знімається й подається в навантаження (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Структурна схема підсилюючого каскаду.

Підсилювачі містять активні (польові й біполярні транзистори) і пасивні (резистори, конденсатори, індуктивності) елементи, а також джерело живлення постійної напруги.

Основні параметри підсилювачів:

– коефіцієнт підсилення за напругою k_U - відношення вихідної напруги підсилювача до його вхідної напруги;
– коефіцієнт підсилення за струмом k_і - відношення вихідного струму підсилювача до його вхідного струму;

– коефіцієнт підсилення за потужністю k_Р - відношення потужності, що віддається навантаженню до вхідної потужності підсилювача;

– робочий діапазон частот f_р – смуга частот від нижчої робочої частоти f_н до вищої робочої частоти f_в у межах якої коефіцієнт підсилення зменшується не більш ніж до 0,7 своєї максимальної величини;

– вхідний опір R_вх – опір між вхідними затискачами підсилювача для змінного вхідного струму;

– вихідний опір η – опір між вихідними затискачами підсилювача для змінного струму при відключенім навантаженні;

– коефіцієнт корисної дії підсилювача R_вих - відношення потужності, що віддається підсилювачем у навантаження, до потужності, споживаної від джерела живлення;

– динамічний діапазон D – відношення максимальної вхідної напруги до мінімальної вхідної напруги, при якій нелінійні викривлення не перевищують установлених норм;

– лінійні викривлення – це викривлення, обумовлені залежністю параметрів підсилювача від частоти й не залежні від амплітуди вхідного сигналу. Вони викликані наявністю в колах підсилювача реактивних елементів (індуктивності і ємності), опори яких залежать від частоти, а також залежністю від частоти фізичних параметрів напівпровідникових приладів;

– нелінійні викривлення – це викривлення, обумовлені залежністю коефіцієнта підсилення підсилювача від амплітуди посилюваного сигналу. Нелінійні викривлення викликані нелінійністю ВАХ активних елементів підсилювача (транзисторів та ін.).

Параметри підсилювального каскаду залежать від способу включення транзистора. Найбільш часто в підсилювальних каскадах застосовуються схеми включення біполярних транзисторів із загальним емітером (ЗЕ) і загальним колектором (ЗК).

Задача передачі максимальної енергії від джерела сигналу на вхід підсилювача, а також з виходу підсилювача на навантаження називається узгодженням. Для оптимального узгодження вхідний опір підсилювача R_вх повинне бути значно більше внутрішнього опору джерела сигналу R_г, а вихідний опір R_вих значне менше опору навантаження R_н. Питання узгодження виникають і в багатокаскадних підсилювачах. Якщо два підсилювальні каскади не узгоджені між собою за вхідним й вихідним опором, то між ними ставиться емітерний повторювач, який має великий вхідний і малий вихідний опір.

До основних характеристик підсилювачів відносяться:

– амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) – залежність коефіцієнта підсилення за напругою від посилюваної частоти k_U = F(f) (рис. 6.2, а);
– фазо-частотна характеристика (ФЧХ) – залежність кута зміщення фази між вихідною і вхідною напругами від частоти φ = F(f) (рис. 6.2, б);
– амплітудна характеристика підсилювача – залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу на деякій постійній частоті U_m.вих = f(U_m.вх) (рис. 6.2, в).

Рис. 6.2. Характеристики підсилювачів: а) амплітудно-частотна (АЧХ); б) фазо-частотна (ФЧХ); в) амплітудна.

Усі підсилювачі можна підрозділити на два класи – з лінійним і нелінійним режимом роботи.

У підсилювачах з лінійним режимом роботи вихідний сигнал повинен бути близьким за формою до вхідного. Викривлення форми сигналу, внесені підсилювачем, повинні бути мінімальними. Залежно від виду АЧХ підсилювачі з лінійним режимом роботи підрозділяють на: підсилювачі повільно змінюваного сигналу (підсилювачі постійного струму – УПТ); підсилювачі звукових частот (УЗЧ); підсилювачі високої частоти (УВЧ); широкосмугові підсилювачі (ШПУ); вузькосмугові підсилювачі (УПУ).

У підсилювачів з нелінійним режимом роботи пропорційність у передачі вхідного сигналу відсутня. Після досягнення деякої величини напруги вхідного сигналу при його збільшенні сигнал на виході підсилювача залишається без зміни (обмежується на деякому рівні). Такі підсилювачі використовуються для перетворення вхідного сигналу, наприклад синусоїдального, в імпульсний сигнал, а також для посилення імпульсів.

2. Принципи будови

Як правило, посилення електричних сигналів відбувається послідовно в кілька етапів. Кожна ступень посилення називається каскадом. Число каскадів залежить від отримання необхідних значень коефіцієнтів підсилення k_I, k_U, k_P.

Залежно від виконуваних функцій підсилювальні каскади підрозділяють на каскади попереднього посилення й вихідні каскади. Каскади попереднього посилення призначені для підвищення рівня сигналу за напругою, а вихідні каскади – для одержання необхідних значень струму або потужності сигналу в навантаженні.

Принцип будови й роботи підсилювального каскаду розглянемо на прикладі структурної схеми рис. 6.3, а. Основними елементами каскаду є керований елемент КЕ, функцію якого виконує біполярний або польовий транзистор і резистор R. Разом з напругою живлення Е ці елементи утворюють вихідний коло каскаду.

Рис. 6.3. Підсилюючий каскад: а) принцип будови; б) часові діаграми.

Посилюваний сигнал u_вх, наприклад, синусоїдальної форми, подається на вхід КЕ. Вихідний сигнал uвих, знімається з виходу КЕ або з резистора R. Він формується в результаті зміни опору КЕ, а отже, струму i у вихідному колі під впливом вхідної напруги (закон Ома). Процес посилення ґрунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Е в енергію змінної напруги у вихідному ланцюзі за рахунок зміни опору КЕ за законом, що задається вхідним сигналом.

Через використання для живлення джерела постійної напруги Е струм i у вихідному ланцюзі каскаду є односпрямованим (рис. 6.4, а). При цьому змінний струм і напруга вихідному кола (пропорційні струму й напрузі вхідного сигналу) слід розглядати як змінні складові сумарних значень струму й напруги, що накладаються на їх постійні складові І_п і U_п (рис. 6.4, б).

Зв'язок між постійними й змінними складовими повинен бути таким, щоб амплітудні значення змінних складових не перевищували постійних складових

                                     І_п ≥ І_m і U_п ≥ U_m.

Невиконання цих умов приводить до обмеження вихідного сигналу, і як наслідок до викривлення його форми.

Таким чином, для забезпечення роботи підсилювального каскаду при змінному вхідному сигналі в його вхідному й вихідному колі повинні бути створені постійні складові струми й напруги − вони визначають режим спокою підсилювального каскаду, і характеризують електричний стан схеми у відсутності вхідного сигналу.

Підсилювальні властивості каскадів посилення ґрунтуються на наступному. При подачі на керований елемент напруги вхідного сигналу в струмі вихідного кола створюється змінна складова, внаслідок чого на керованому елементі утворюється аналогічна складова напруги, що перевищує змінну складову напруги на вході.

3. Підсилювачі на біполярних транзисторах

Основними елементами схеми (рис. 6.5) є джерело живлення Е_к, керований елемент – транзистор VT і резистор R_к. Ці елементи утворюють головний коло підсилювального каскаду, у якому за рахунок колекторного струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми. Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатори С_р1, С_р2 є розділовими. Конденсатор С_р1 виключає шунтування вхідного кола каскаду колом джерела вхідного сигналу за постійним струмом. Функція конденсатора С_р2 зводиться до пропущення в коло навантаження змінної й затримці постійної складовій напруги.

Рис. 6.4. Схема підсилюючого каскаду на біполярному транзисторі із загальним емітером.

Резистори R1, R2 призначені для завдання режиму спокою каскаду. Оскільки біполярний транзистор керується струмом, то струм спокою в колі колектора I_к.сп створюється завданням відповідної величини струму бази спокою I_б.сп. Резистор R1 призначений для створення кола протікання струму I_б.сп. Разом з R2 резистор R1 забезпечує необхідну напругу на базі U_R2 щодо затискача «+ Е_к» джерела живлення.

Робота підсилювального каскаду супроводжується зміною його температурного режиму. Причин тому дві: теплова дія струму колектора й температура навколишнього середовища. Обидві причини ведуть до зростання струму спокою I_к.сп, а відповідно й струмів I_е.сп, I_б.сп. У результаті змінюються параметри режиму спокою, що приводить до появи нелінійних викривлень. Таким чином, підсилювальний каскад з ЗЕ потребує температурної стабілізації положення робочої точки (зменшенні впливу температури на початкове положення робочої точки). Із цією метою в емітерне коло уведений резистор R_е, на якому створюється напруга від'ємного зворотного зв'язку (ВЗЗ) за постійним струмом U_Rе.

Зростання струму колектора I_к.сп веде до збільшення струму емітера I_е.сп, що приводить до росту падіння напруги U_Rе, у результаті чого зменшується напруга U_бе.сп відповідно зменшується струм бази I_б і струм колектора I_к. Таким чином, струм спокою колектора залишається практично незмінним при зміні температурного режиму підсилювального каскаду.

В активному режимі на резисторі R_е падає напруга, викликана протіканням як постійного, так і змінного струмів. Це приводить до зміни напруги U_бе.сп − з'являється ВЗЗ за змінним струмом. Для її усунення резистор R_е шунтуєтся конденсатором С_е, опір якого на частоті посилюваного сигналу малий, внаслідок чого змінний струм і_е протікає через конденсатор, а постійний струм I_е.сп − через резистор R_е.

4. Підсилювачі на польових транзисторах

Основними елементами підсилювального каскаду на польовому транзисторі з керуючим p-n переходом (рис. 6.5) є джерело живлення Е_с, транзистор VT і резистор R_с. Навантаження підключене через роздільний конденсатор С_р2 до стоку транзистора.

Рис. 6.5. Схема підсилювача на польовому транзисторі з керуючим p-n переходом і загальним витоком.

Інші елементи каскаду виконують допоміжну роль. Резистори R_з, R_в призначені для завдання напруги спокою U_зв.сп. Також резистор R_в створює в каскаді негативний зворотний зв'язок за постійним струмом, що необхідно для температурної стабілізації режиму спокою. Конденсатор С_в призначений для виключення зворотного від’ємного зв’язку за змінним струмом. Розділовий конденсатор С_р1 забезпечує зв'язок каскаду з джерелом вхідного сигналу.

Призначення більшості елементів схеми підсилювального каскаду (рис. 6.6) аналогічно призначенню елементів схеми (рис. 6.5). Дільник напруги R1R2 призначений для завдання необхідної напруги спокою U_зв.сп.

Рис. 6.6. Схема підсилювача на МДП-транзисторі з індукованим каналом і загальним витоком.

Дільник R1R2 повинен мати досить високий опір, щоб не знижувати вхідний опір підсилювача й не шунтувати джерело вхідного сигналу за змінним струмом.

5. Операційні підсилювачі

Операційний підсилювач (ОП) – це підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення, охоплений колом ВЗЗ, що визначає основні якісні показники й характер виконуваних підсилювачем операцій.

Назва цих підсилювачів пов'язана із застосуванням головним чином для виконання різних операцій над аналоговими величинами (алгебраїчне додавання, вирахування, множення на постійний коефіцієнт, інтегрування, диференціювання, логарифмування й ін.). Вони застосовуються в підсилювальній техніці, пристроях генерації сигналів синусоїдальної й імпульсної форми, у стабілізаторах напруги, активних фільтрах тощо.

Операційний підсилювач має інтегральне виконання у вигляді мікросхеми (ІМС) і виконаний за складною схемою, до складу якої може входити декілька десятків транзисторів і інших елементів. У більшості випадків немає необхідності знати їх внутрішню структуру – досить знання їх основних характеристик і принципів роботи.

Повна умовна позначка ОП (рис. 6.7, а) відповідно до ГОСТ 2.759-82 складається з трьох полів – основного (шириною не менш 10 мм) і двох додаткових (не менш 5 мм), розташованих по обидві сторони від основного. В основному полі вказується функція, яку виконує підсилювач ( ►) і його характеристики (∞). Призначення виводів позначається мітками в додаткових полях (+U, -U, ⊥, FC, NC). Іноді мітки в спрощеному варіанті позначення ОП опускаються. Літерне позначення ОП на принципових схемах – DA.

До прийняття ГОСТ 2.759-82 засновувалося умовне позначення ОП у виді рівностороннього трикутника, подібно позначенню, що використовується на закордонних схемах (рис. 6.7, б, в).

Рис. 6.7. Умовні позначення операційного підсилювача.

Один з входів підсилювача називається інвертуючим, інший – неінвертуючим. При подачі сигналу на неінвертуючий вход, приріст вихідного сигналу співпадає за знаком (фазою) з приростом. Якщо ж сигнал поданий на інвертуючий вхід, то збільшення вихідного сигналу має зворотний знак (протилежний за фазою) у порівнянні зі збільшенням вхідного сигналу. Інвертуючий вхід часто використовують для введення в ОП зовнішніх ВЗЗ

Живлення ОП здійснюється від двох джерел +U1 і –U2 з однаковою напругою, що утворюють двополюсне живлення. Джерела живлення мають загальну точку ⊥.

Виводи FС призначені для корекції АЧХ підсилювача – до них підключається коригувальне RC-коло. Для установки вихідної напруги ОП в нуль при відсутності вхідних напруг призначені виводи NC – до них підключають потенціометр.

ОП є диференціальним підсилювачем постійного струму із двома входами, тобто вихідна напруга пропорційна різниці (difference – різниця, англ.) напруг між його входами

                                     U₀ = U_вх1 – U_вх2.

Термін «постійного струму» означає, що ОП підсилює сигнал частотою від 0 Гц. Верхня частота посилюваних сигналів залежить від багатьох факторів – частотних характеристик транзисторів, що входять в ОП, коефіцієнта підсилення тощо.

ОП має дуже великий вхідний опір – десятки-сотні МОм, тобто ОП практично не впливає на джерело вхідного сигналу. Тому можна вважати, що вхідний струм ОП відсутній – це перше правило аналізу схем з ОП.

Основні характеристики OП наведені на рис. 6.8. Кожна з передатних характеристик (рис. 6.8, а) складається з горизонтальних і похилого ділянок. Горизонтальні ділянки відповідають режиму насичення підсилювача. При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається без зміни й визначається напругами U_+вих.max і
U_-вих.max, які близькі до напруги джерел живлення

                  |U_+вих.max| = |U_-вих.max| ≈ (0,9...0,95)U₁₍₂₎.

Рис. 6.8. Характеристики OП: а) передатні U_вих.max = f(U_вх.max); б) амплітудно-частотні k_U = F(f).

Похилій (лінійній) ділянці відповідає пропорційна залежність вихідної напруги від вхідної. Кут нахилу ділянки визначається коефіцієнтом підсилення k_U операційного підсилювача.

Існує два основних варіанти включення операційного підсилювача: інвертуючий і неінвертуючий. Розглянемо докладніше кожне з них.

Схема інвертуючого підсилювача на основі OП наведена на рис. 6.9. У цій схемі вхідний сигнал подається на інвертуючий вхід OП. Вихідна напруга U_вих інвертована (протифазна) відносно вхідної напруги U_вх.

Рис. 6.9. Схема інвертуючого підсилювача.

Вхідний опір інвертуючого підсилювача дорівнює опору резистора R1. Резистор R_ос забезпечує від'ємний зворотний зв'язок (ВЗЗ) у підсилювачі. Наявність ВЗЗ приводить до того, що різниця потенціалів між входами завжди дорівнює нулю, тобто U₀ = 0 – це друге правило аналізу схем з ОП. При відсутності зворотного зв'язку або наявності ПЗЗ це правило не діє.

Коефіцієнт підсилення за напругою інвертуючого підсилювача з ВЗЗ визначається параметрами тільки пасивної частини схеми

                        k_U = U_вих / U_вх = – R_ос / R₁.

Неінвертуючий підсилювач (рис. 6.10) містить послідовну ВЗЗ за напругою (резистор R_ос), подану на інвертуючий вхід; вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід.

Рис. 6.10. Схема неінвертуючого підсилювача.

Коефіцієнт підсилення за напругою неінвертуючого підсилювача

                        k_U = U_вих / U_вх = 1 + (R_ос / R₁).

При однакових номіналах R_ос і R₁ коефіцієнт підсилення k_U неінвертуючого підсилювача більше на одиницю ніж у інвертуючого.

Схема підсумовуючий підсилювача (суматора) на ОП приведена на рис. 6.11 і виконана за схемою інвертуючого підсилювача з паралельними гілками на вході, кількість яких дорівнює кількості сигналів, призначених для додавання. Напруга на виході такої схеми

                       U_вих = – (k_U1⋅U_вх1 + k_U2⋅U_вх2 + k_U3⋅U_вх3),

де k_U1 = R_ос/R₁, k_U2 = R_ос/R₂, k_U3 = R_ос/R₃.

Рис. 6.11. Схема інвертуючого суматора на основі ОП.

У диференціюючому підсилювачі (рис. 6.12) ОП включений за схемою інвертуючого підсилювача з ВЗЗ, виконаним на резисторі R. Конденсатор С і резистор R для вхідного сигналу є диференціюючим колом.

Рис. 6.12. Схема диференціюючого підсилювача на основі ОП.

Вихідна напруга диференціюючого підсилювача

                          U_вих = R⋅C⋅(dU_вх/dt).

У інтегруючому підсилювачі (рис. 6.13) роль ВЗЗ виконує конденсатор С. Резистор R і конденсатор С для вхідного сигналу є інтегруючим колом.

Рис. 6.13. Схема інтегруючого пісилювача на основі ОП.

Вихідна напруга пропорційна інтегралу вхідної напруги

                          U_вих = 1/(R⋅C)⋅∫(U_вх⋅dt).

Якщо вхідна напруга незмінна за величиною U_вх = U, то вихідна напруга буде пропорційно тривалості часу інтегрування t

                          U_вих = 1/(R⋅C)⋅U⋅t.

На базі ОП також можуть бути отримані схеми, що виконують такі математичні операції як логарифмування, множення, розподіл, добування кореня й зведення в ступінь.

6. Контрольні питання

1. Назвіть яке призначення має підсилювач електричних сигналів?
2. Який з елементів підсилювального каскаду на біполярному транзисторі (рис. 1) використовується для задання режиму спокою?
3. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 1) призначений для пропускання в коло навантаження змінної складової напруги і затримання постійної складової?
4. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 1) здійснює температурну стабілізацію положення робочої точки?
5. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 1) призначений для виключення від’ємного зворотного зв’язку за змінним струмом за наявності вхідного змінного сигналу?
6. За допомогою якого елемента підсилювального каскаду (рис. 1) створюється змінна складова напруги на колекторі транзистора VT (вихідна напруга)?
7. Який з елементів підсилювального каскаду на польовому транзисторі (рис. 2) використовується для задання режиму спокою?
8. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 2) виконує функцію формування напруги автоматичного зміщення, що подається на затвор?
9. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 2) призначений для виключення від’ємного зворотного зв’язку за змінним струмом?
10. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 2) забезпечує потенціал затвора рівним потенціалу нижнього виводу резистора R_В?
11. Який з елементів підсилювального каскаду (рис. 2) виконує функцію створення змінюваної напруги у вихідному колі каскаду за рахунок протікання в ньому струму?
12. Як впливає від’ємний зворотний зв’язок на коефіцієнт підсилення підсилювача?
13. Як впливає додатний зворотний зв’язок на коефіцієнт підсилення підсилювача?
14. Яке призначення мають підсилювачі постійного струму?
15. Наведіть схему неінвертуючого підсилювача.
16. За якою формулою визначають коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача?
17. Наведіть схему інвертуючого підсилювача.
18. За якою формулою визначають коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача?
19. Наведіть схему інвертуючого суматора на операційному підсилювачі.
20. Наведіть схему інтегруючого підсилювача.
21. Наведіть схему диференціюючого підсилювача.

НАГОРУ