Схемы включения операционных усилителей

Инвертирующий усилитель

Рис.5.45. Инвертирующий ОУ

Входной сигнал подается на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземляется. Фаза усиленного сигнала на выходе ОУ противоположна фазе входного сигнала. Исходя из принципа виртуального замыкания, можно записать:

. (5.104)

Напряжение на выходе равно:

(5.105)

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен:

(5.106)

Неинвертирующий усилитель

 

Рис5.46. Неинвертирующий ОУ

Напряжение обратной связи на инвертирующем входе равно:

Коэффициент обратной связи равен:

(5.108)

Напряжение на выходе ОУ:

Откуда: . (5.110)

Из этого выражения найдем коэффициент усиления неинвертирующего ОУ:

(5.111)

При коэффициент усиления будет равен

(5.112)

Повторитель напряжения

Рис.5.47. Повторитель напряжения

Положив в (5.112) , а , получим коэффициент усиления

Напряжение на выходе повторяет входное напряжение.

Интегратор

Рис.5.48. Интегрирующий усилитель

На основании принципа виртуального замыкания можно записать: .

Ток , протекая через резистор, заряжает конденсатор и создает на нем напряжение, которое является выходным:

(5.114)

Подставив значение тока из выражения (5.113) получим:

(5.115)

В отличие от интегрирующей цепочки происходит линейный заряд конденсатора входным током, величина которого определяется резистором R. Если входной сигнал представляет собой переменное напряжение, изменяющееся по косинусоидальному закону, то есть , то формула напряжения на выходе будет иметь следующий вид:

(5.116)

Как видно из этого выражения, амплитуда выходного сигнала обратно пропорциональна круговой частоте . АЧХ интегратора в логарифмическом масштабе имеет вид прямой с наклоном -6дБ на октаву изменения частоты.

Если входное напряжение постоянно, то напряжение на выходе будет равно

, (5.117)

то есть выходной сигнал возрастает со временем. Поэтому эта схема пригодна для формирования пилообразного напряжения.

Дифференциатор

Если в схеме интегратора поменять местами резистор и конденсатор, то получим инвертирующий дифференцирующий ОУ

Рис.5.49. Дифференцирующий усилитель

Напряжение на входе дифференцирующего усилителя равно:

Ток из этого выражения равен

Подставив значение тока в выражение (5.118), получим напряжение на выходе дифференцирующего усилителя

(5.120)

Если к входу подключить генератор синусоидального напряжения , то напряжение на выходе будет равно:

(5.121)

Отсюда видно, что АЧХ схемы дифференциатора в логарифмическом масштабе представляет собой прямую с наклоном +6дБ на октаву изменения частоты.

Следует отметить, что данная схема становится неустойчивой на больших частотах из-за дополнительного фазового сдвига в цепи обратной связи. Для уменьшения фазового сдвига в цепи обратной связи последовательно с конденсатором включают резистор . Постоянную времени и, следовательно, граничную частоту выбирают так, чтобы на этой частоте усиление цепи обратной связи составляло 1.

Суммирующий ОУ

Рис5.50. Суммирующий усилитель

Этот усилитель суммирует входные токи на резисторе обратной связи. Напряжение на выходе усилителя пропорционально сумме входных токов и равно:

. (5.122)

Логарифматор

Если в цепь обратной связи включить нелинейный элемент, то получим схему логарифмирующего усилителя, показанную на рисунке 5.51.

Рис.5.51. Логарифмирующий усилитель

В качестве нелинейного элемента используется полупроводниковый диод. Для положительных входных сигналов ток, протекающий через диод, соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики диода и равен:

Это равенство достаточно точное при напряжении на диоде .

Из выражения (5.123) напряжение на диоде равно

Поскольку ток, протекающий через диод, равен ,

то напряжение на выходе усилителя будет равно:

Из этого выражения видно, что напряжение на выходе операционного усилителя пропорционально логарифму входного напряжения.

Для отрицательных входных сигналов необходимо включить диод в обратной полярности. Вместо диода можно использовать биполярный транзистор в диодном включении.

Антилогарифматор

Если нелинейный элемент включить на входе ОУ, то получим антилогарифмирующий усилитель.

Для этой схемы справедливы следующие соотношения:

, (5.127)

, (5.128)

. (5.129)

Подставляя значение тока из (5.129) в (5.128), получим:

. (5.130)

Напряжение на выходе усилителя пропорционально антилогарифму входного напряжения.

Активные фильтры Реализация фильтров с индуктивностями в области низких частот затруднительна, так как для низкочастотного диапазона необходимы большие катушки, которые сложны в изготовлении и обладают плохими электрическими характеристиками. Применения катушек индуктивностей для фильтров в области низких частот можно избежать, используя -фильтры совместно с операционными усилителями. Такие фильтры называются активными. Высокое значение входного сопротивления ОУ не нагружает -цепь. Необходимо, чтобы ОУ обеспечивал заданный коэффициент усиления как в полосе пропускания, так и за ее пределами для того, чтобы затухание фильтра за пределами полосы пропускания было не меньше заданного.

Рис.5.53. Активные фильтры первого порядка нижних (а) и верхних (б) частот

АЧХ фильтра нижних частот определяется интегрирующей цепью на входе и описывается выражением . (5.131)

Фильтр верхних частот является инвертирующим. Его АЧХ определяется дифференцирующей цепью и описывается выражением

. (5.132)

23

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Любая из трех схем включения биполярного и полевого транзисторов в качестве усилителя усиливает мощность входного сигнала. Основным назначением усилителя мощности является выделение в нагрузке заданной мощности. Показателями усилителя мощности являются полезная мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент полезного действия, полоса усиливаемых частот, коэффициент нелинейных искажений. Усилители мощности выполняют по однотактной и двухтактной схемам. Однотактные усилители мощности работают в линейном режиме усиления, который соответствует классу А. В этом режиме ток через транзистор протекает в течение всего периода входного сигнала.

Примером типичного применения усилителя мощности является усилитель мощности звуковой частоты. Его нагрузкой является динамический громкоговоритель, сопротивление звуковой катушки которого можно считать чисто активным в диапазоне звуковых частот. Величина этого сопротивления мала по сравнению с выходным сопротивлением усилительного элемента и составляет Ом. Для обеспечения максимальной мощности неискаженного сигнала в нагрузке динамический громкоговоритель можно подключить к выходному усилителю с помощью согласующего понижающего трансформатора, как показано на рис.5.54. Если число витков первичной обмотки трансформатора равно , а число витков вторичной обмотки , то коэффициент трансформации равен . Пересчитанное в коллекторную цепь сопротивление нагрузки зависит от коэффициента трансформации и равно .

Рис.5.54. Однотактный усилитель мощности

Линейный режим работы транзистора задается резисторами , , . Начальное напряжение смещения на базе транзистора обеспечивает положение рабочей точки А на нагрузочной прямой транзистора, показанной на рис. 5.55. Коллекторный ток в отсутствие сигнала равен при этом постоянное напряжение на коллекторе равно . Координаты рабочей точки должны быть выбраны так, чтобы произведение не превышало допустимой мощности рассеяния на коллекторе.

Рис.5.55. Выходные характеристики транзистора

Мощность, подводимая к транзистору от источника питания, равна:

. (5.133)

Мощность переменного тока, выделяемая в первичной обмотке трансформатора, равна:

, (5.134)

где и - максимально допустимые амплитуды тока и напряжения.

Коэффициент полезного действия выходной цепи однотактного усилителя мощности равен

. (5.135)

С учетом коэффициента использования тока коллектора и коэффициента использования коллекторного напряжения кпд однотактного каскада будет равен

, (5.136)

где , а .

Поскольку эти коэффициенты немного меньше единицы, кпд однотактного усилителя будет меньше 50%.

Однотактный усилитель мощности удовлетворяет достаточно высоким требованиям к линейности. В ряде случаев нелинейные искажения может вносить трансформатор за счет нелинейности кривой намагничивания материала сердечника. Для их уменьшения желательно иметь трансформатор с большой индуктивностью в первичной цепи, что требует увеличения габаритов выходного трансформатора. Недостатком однотактного усилителя мощности является низкий коэффициент полезного действия, что связано с линейным режимом работы усилителя.

Более высокое значение кпд обеспечивает двухтактный усилитель мощности, работающий в нелинейном режиме класса В. В этом режиме допускают искажение формы выходного тока транзистора, повышая отношение переменной составляющей выходного тока к постоянной, что уменьшает мощность, потребляемую от источника питания. Для создания такого режима выходному току придают импульсный характер. При отсутствии входного сигнала рабочая точка находится на начальном участке входной вольтамперной характеристики.Для уменьшения нелинейных искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение смещения , обеспечивающее небольшой ток покоя через транзисторы при отсутствии входного сигнала (рис.5.56).

Рис.5.56. Входная характеристика и импульсы тока

Одна из возможных схем двухтактного усилителя приведена на рис. 5.57.

Рис.5.57. Двухтактный усилитель мощности

На вход этого каскада необходимо подавать два симметричных входных напряжения, которые обеспечивает входной трансформатор. Двухтактный усилитель представляет собой два однотактных усилителя, работающих на общую нагрузку. При входном гармоническом напряжении выходной ток каждого транзистора будет импульсным в течение полупериода. Каждый транзистор открыт в течение половины периода. Выходные токи каждого активного элемента проходят по первичной обмотке выходного трансформатора в противоположных направлениях. Напряжение на нагрузке будет пропорционально разности выходных токов транзисторов. Форма разностного тока будет соответствовать форме входного напряжения, и напряжение на нагрузке будет совпадать по форме с входным напряжением. На рис. 5.58 приведена графическая иллюстрация работы двухтактного каскада.

Коллекторные токи в обмотке выходного трансформатора противоположно направлены и поэтому не создают подмагничивания сердечника.

Мощность, потребляемая обоими транзисторами от источника питания,

, (5.137)

где - среднее за период значение коллекторного тока каждого транзистора.

 

Рис.5.58. Напряжения на входах и импульсы коллекторного тока

 

Рис.5.59. Выходные характеристики транзисторов и импульсы коллекторных токов

 

Мощность переменного тока в выходной цепи равна

. (5.138)

Коэффициент полезного действия выходной цепи двухтактного усилителя мощности равен:

(5.139)

Коэффициент использования коллекторного напряжения близок к единице и максимальный кпд двухтактной схемы .

Экономичность двухтактного усилителя мощности, работающего в режиме усиления класса В, является его основным достоинством. На входы этого каскада необходимо подавать два одинаковых по модулю и противоположных по фазе напряжения. Кроме трансформатора со средней точкой такие напряжения можно получить, используя фазоинверсный каскад, снимая противофазные напряжения с одинаковых резисторов коллекторной и эмиттерной цепи.

Используются также двухтактные схемы, не содержащие выходного трансформатора. На рис.5.60 приведена упрощенная схема бестрансформаторного двухтактного каскада на транзисторах с разными типами проводимости. Транзисторы работают в режиме эмиттерных повторителей, поскольку нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов. При транзисторы закрыты. При действии двухполярного входного сигнала транзисторы открываются поочередно, при этом токи в нагрузке протекают в противоположных направлениях.

Рис5.60. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности

Для уменьшения возникающих в этом усилителе нелинейных искажений типа «ступеньки» на базы транзисторов подают небольшое начальное смещение, чтобы создать небольшой начальный ток транзисторов. Такой режим работы усилителя называют режимом АВ.

 

24

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: