ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход.

На рис. 3.29 изображена структурная схема усилителя с обратной связью. Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако они иногда возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными.

Если при наличии обратной связи входное напряжение  склады­вается с напряжением обратной связи , в результате чего на усили­тель передается увеличенное напряжение , то такую обратную связь называют положительной.

Если после введения обратной связи напряжение  на входе и  на выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием на­пряжения обратной связи из входного напряжения  , то такую об­ратную связь называют отрицательной.

Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению ипо току. В обратной связи по напряжению  , где  — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В обрат­ной связи по току  , где  — взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все обратные связи по виду входных цепей усилителей подразделяют на последова­тельные, при которых цепи обратной связи включают последователь­но с входными цепями усилителя, и параллельные, когда цепь обрат­ной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Рис 3.29 Схема усилителя с обрат­ной связью

Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи по напряже­нию на коэффициент усиления усилителя. При отрицательной после­довательной обратной связи по напряжению для входной цепи усили­теля (см.рис.3.29) можно составить уравнение

                                                                        (3.42)

С учетом равенства  выражение (3.42) можно перепи­сать в виде

                                                     (3.43)

Очевидно, для усилителя без обратной связи , поэтому ко­эффициент усиления усилителя без обратной связи

.                                                                                              (3.44)

Учитывая (3.44), запишем выражение для коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью:

(3.45)

Разделив в последнем выражении числитель и знаменатель на , получим

Из этой формулы следует, что введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в ( ) раз.

Аналогично можно показать, что коэффициент усиления усилите­ля с положительной обратной связью

(3.47)

Как видно из выражения (3.47), введение положительной обрат­ной связи повышает коэффициент усиления усилителя. Однако пол­ожительная обратная связь в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабиль­ность коэффициента усиления значительно ухудшается

Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную об­ратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате вве­дения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя.

а)    повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при Изменениях параметров транзисторов;

б)    снижается уровень нелинейных искажений;

в)    увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя;

г)    расширяется полоса пропускания усилителя.

Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с об­ратной связью следует определить его относительное изменение

Приращение  для усилителя с отрицательной обратной связью

(3.48)

Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с от­рицательной обратной связью

(3.49)

Отсюда видно, что всякое изменение коэффициента усиления ос­лабляется действием отрицательной обратной связи в ( ) раз.

Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления К, в том числе связанных с неравномерностью частотной характеристики. Поэтому в таком усилителе с обратной связью расширяется полоса пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот, уменьшаются частотные искажения.

Если значение  много больше единицы, что представляет собой глубокую отрицательную обратную связь, то

 . (3.50)

Это выражение свидетельствует о том, что при глубокой отрица­тельной обратной связи коэффициент усиления усилителя  не за­висит от коэффициента усиления , т.е. не зависит от причин, вызы­вающих изменение коэффициента усиления.

Аналогично можно показать, что в случае положительной обрат­ной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается:

                                                                                               (3.51)

Отрицательная обратная связь уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом В усилителе без обратной связи при большом входном напряжении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной гармо­ники появляются высшие гармонические составляющие, наличие которых искажает форму выходного напряжения. При введении отрицательной об­ратной связи высшие гармонические составляющие через звено обратной связи подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выхо­де Усиленные высшие гармоники вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как благодаря действию отрицательной обратной связи они будут поступать в противофазе с высшими гармоническими составля­ющими, появляющимися вследствие нелинейных искажений усилителя Таким образом, содержание гармоник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а следовательно, искажения усиливаемого на­пряжения в усилителе с отрицательной обратной связью будут меньше

Введение последовательной обратной связи по напряжению увеличи­вает входное сопротивление. Входное сопротивление усилителя с отрица­тельной обратной связью можно определить, если составить уравнение, исходя из выражения (3 43) и учитывая, что  , а Принимая также во внимание, что , уравнение (3.43) можно записать в виде

,                                                        (3 52)

где  — входное сопротивление усилителя с обратной связью;  — входное сопротивление усилителя без обратной связи;  — входной ток усилителя.

Таким образом, входное сопротивление усилителя за счет введения отрицательной обратной связи увеличивается в ( ) раз.

                                                    (3.53)

Нетрудно получить выражение для выходного сопротивления усилите­ля с отрицательной обратной связью по напряжению

                                                                                           (3.54)

из которого видно, что введение отрицательной обратной связи уменьша­ет выходное сопротивление усилителя в ( ) раз

На рис 3.30 показана схема усилителя с последовательной отрица­тельной обратной связью по току Как видно,  Такая обрат­ная связь возникает только при наличии выходного тока, т.е. при работе усилителя на нагрузочное устройство.

Рис 3.30. Схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по току

Последовательная отрицательная обратная связь по току увеличивает и входное и выходное сопротивления усилителя и не изменяет его коэф­фициента усиления по напряжению в режиме холостого хода , но за счет увеличения выходного сопротивления уменьшает выходной ток.

До сих пор рассматривались обратные связи, создаваемые в усилите­лях специально. Ниже будут рассмотрены паразитные обратные связи, которые возникают в усилителе самопроизвольно и очень часто сущес­твенно ухудшают его работу.

Существует несколько видов паразитных обратных связей:

1) паразитная связь между каскадами через цепи питания;

2) емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;

3) магнитная связь, появляющаяся при близком расположении вход­ных и выходных трансформаторов усилителя.

Если в усилителе имеется слабая положительная обратная связь, то ухудшение его работы проявляется в увеличении частотных и нелиней­ных искажений. Когда же в усилителе появляются сильная паразитная положительная обратная связь ( ), он может самовозбудиться, так как в соответствии с (3.47) при : и

,т.е. вотсутствие входного напряжения, на выходе усилителя может появиться переменное выходное напряжение.

Наиболее серьезной паразитной обратной связью является связь меж­ду каскадами через цепи питания. Такая связь обычно имеется в много­каскадном усилителе, питающемся от одного источника питания. В этом случае токи всех каскадов усилителя замыкаются через источник пита­ния. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания заметное падение напряжения от переменной состав- дяющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первыx каскадов усилителя, образуя нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения такого вида обратных связей применяют развязы­вающие Г-образные RC-фильтры, как при сглаживании пульсаций напря­жения в выпрямителе. Иногда первые каскады даже питают от отдельно­го выпрямителя.

Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из- за нерационального монтажа, когда в многокаскадном усилителе выход­ные цепи усилителя расположены вблизи от его входных цепей, что при­водит к возникновению заметной емкости и взаимной индуктивности между элементами входной и выходной цепей. Такие виды обратной свя­зи устраняют в основном рациональным монтажом и экранированием первых каскадов усилителя. Для этого индуктивные катушки, трансфор­маторы, соединительные провода и выходные цепи помещают в специ­альные экраны.

В заключение отметим, что устранять паразитные обратные связи до­вольно сложно, это требует большого практического опыта

Задача 3.21. Усилитель с коэффициентом усиления  охвачен отрицательной обратной связью. Определить коэффициент усиления уси­лителя с обратной связью , если коэффициент передачи цепи обрат­ной связи .

Ответ: .

Задача 3.22. Какое напряжение необходимо подать на вход усилителя, охваченного отрицательной обратной связью с , для того, чтобы

на выходе усилителя получить  В, если K=25?

Ответ:  В.

Задача 3.23. Изменение коэффициента усиления усилителя с  составляет ±10%. Определить коэффициент передачи р цепи обратной связи, которую необходимо подключить, чтобы изменение коэффициентаусиления не превышало ± 2%, а также значение  после подключения цепи отрицательной обратной связи.

Ответ: ; .

Задача 3.24. Усилитель с коэффициентом усиления K=150 охвачен отрицательной обратной связью. Определить коэффициент передачи цепи кратной связи , при котором стабильность коэффициента усиления уве­личится в 10 раз по сравнению со стабильностью при отсутствии обрат­им связи. Определить коэффициент усиления усилителя .

Ответ: ;

3.10. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В промышленной электронике, особенно при контроле и измерь нии многих неэлектрических величин, возникает необходимость уси. ления сигналов очень низких частот — порядка долей герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотна характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). В многокаскадных УПТ для связи между каскадами не могут быть использованы реактивные эле­менты связи (конденсаторы, трансформаторы), поэтому для этой цели, как правило, служат резисторы.

В усилителях постоянного тока возникают специфические труд­ности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных со­ставляющих напряжений и тока, необходимых для работы транзисто­ров, используемых в усилителях.

Как и в усилителях с резистивно-емкостной связью, характеристи­ки усилителей постоянного тока должны отвечать ряду требований:

1) в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;

2) при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;

3) напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорци­онально входному напряжению.

Второе и третье требования в УПТ, так же как и в других усилите­лях, выполняются при работе усилителя в режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

В усилителях постоянного тока отделение постоянных составляющих напряжения, как правило, производится компенсационным методом.

       Рис 3 31 Схема двухкаскадного УПТ на биполярных транзисторах

На рис.3.31 приведена схема двухкаскадного УПТ на биполярных транзисторах типа п-р-п. Каждый каскад является усилительным каска­дом с общим эмиттером. В эмиттерные цепи усилителя включены резис­торы R_Э1 и R_Э2 , которые обеспечивают температурную стабилизацию УПТ. Эти резисторы, как отмечалось в § 3.3, создают отрицательную обратную связь. Устранить ее или существенно уменьшить путем включе­ния параллельно резисторам конденсаторов в УПТ невозможно, так как на очень низких частотах емкости этих конденсаторов должны быть очень большими, а конденсаторы слишком громоздкими. Поэтому в УПТ отрицательная обратная связь не ослабляется, что приводит к уменьше­нию коэффициента усиления УПТ, но при этом обеспечивается, как отме­чалось в § 3.9, улучшение ряда свойств усилителя: повышение стабильнос­ти коэффициента усиления, снижение нелинейных и частотных искаже­ний, увеличение входного сопротивления и др.

Компенсация постоянной составляющей коллекторного напряжения первого усилительного каскада осуществляется с помощью второго источ­ника питания — Е₂, создающего отрицательное напряжение относительно общей точки усилителя. Значения Е₂ и сопротивлений резисторов делите­ля R₁ и R₂ выбирают такими, чтобы в режиме покоя ( U_вх=0 ) напряжение между базой и эмиттером второго транзистора  В. Компенсация постоянной составляющей коллекторного напряжения второго усилитель­ного каскада осуществляется с помощью делителя, состоящего из резис­торов R₃ и R₄(смрис.3.31). Чтобы ток делителя R₁, R₂не нарушал режи­ма работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора:

                                                                                (3.55)

Это осуществляется выбором значений сопротивлений резисторов R₁ и R₂.

При подаче входного напряжения и_вх изменяются токи базы транзисто­ров, что приводит к изменению юс коллекторных токов. При этом изменяют­ся потенциалы коллекторов, в том числе и ,^а следовательно, и u_вых

Дрейф в УПТ. Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заклю­чается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и Спряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация посто­йной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется на­ряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усили­вать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения  из-за нестабильнос­ти источников питания, старения транзисторов, изменения темпера­туры окружающей среды и т.д. принципиально не отличается от пол­езного сигнала.

Дрейф нуля УПТ легко можно наблюдать в следующем опыте. Вход усилителя постоянного тока замыкают накоротко (рис.3.32), а на выходе включают милливольтметр. С течением времени при отсут­ствии входного напряжения из-за нестабильности значений  и неточной их компенсации появляется выходное напряжение, при­мерная временная зависимость которого показана на рис.3.33. Это напряжение, деленное на коэффициент усиления усилителя, называют дрейфом нуля, приведенным ко входу усилителя:

 при (3.56)

В дальнейшем под напряжением дрейфа будем понимать напряже­ние дрейфа, приведенное ко входу усилителя.

Усилитель постоянного тока может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напря­жение дрейфа, т.е. при . Поэтому при проектировании чув­ствительного усилителя приходится принимать специальные меры к снижению дрейфа нуля.

Как видно из рис.3.33, выходное напряжение состоит как бы из двух составляющих, монотонно изменяющегося напряжения (показа­но штриховой линией) и переменной составляющей.

В транзисторных усилителях главной причиной дрейфа является температурная нестабильность транзисторов.

Рис.3.32. Схема измерения напряже­ния дрейфа УПТ

Рис.3.33. Дрейф нуля УПТ

Для борьбы с дрейфом нуля принимают ряд мер

1) стабилизацию напряжения источников питания;

2) стабилизацию температурного режима;

3) использование дифференциальных (балансных) схем УПТ

Рассмотрим, как осуществляется и насколько позволяет снизить дрейф

каждая из указанных мер.

При стабилизации напряжения источников питания с погрешностью ±0,01%, температурной стабилизации с погрешностью ±1°С удается сни­зить дрейф усилителя до  мВ при работе в температурномдиапазоне от-50 до +50 °С.

Дифференциальный УПТ. Кроме стабилизации питающих напряже­ний для уменьшения дрейфа УПТ принимают специальные схемы усили­телей, так называемые дифференциальные (балансные) УПТ. Они пос­троены по принципу четырехплечего моста.

В дифференциальном усилителе (рис. 3.34,a) сопротивления резисто­ров R_К1 и R_К2в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми В таких уси­лителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характе­ристиками.

На стабильность электрических режимов существенное влияние ока­зывает сопротивление резистора  который стабилизирует ток транзис­торов (см.рис 3.34,я). Чтобы можно было использовать резистор с боль­шим сопротивлением увеличивают напряжение источника питания, а в интегральных микросхемах часто вместо резистора  применяют ста­билизатор постоянного тока, который выполняют на 2 — 4 транзисторах.

Рис 3 34 Схемы симметричного (а)несимегричного (б) дифференциала ных усилительных каскадов

Переменный резистор  (см рис.3.34,а) служит для балансировки кас­када или, как говорят, для установки нуля. Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и ре­зисторы с равными сопротивлениями  и . При изменении положе­ния движка потенциометра изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потен­циалы на коллекторах Перемещением движка потенциометра  добива­ются нулевого тока в нагрузочном резисторе  в отсутствие входного сигнала

При изменении ЭДС источника коллекторного питания  или смеще­ния  изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекто­ров Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов  и в точности равны, то тока в резисторе  за счет изменения ЭДС не будет Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в на­грузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обыч­ном, небалансном УПТ.

Изменение характеристик транзисторов вследствие изменения темпе­ратуры окружающей среды практически также не будут вызывать измене­ния тока в нагрузочном устройстве

В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора изменяется его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе,что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе .

При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилиза­ции напряжений источников питания напряжение дрейфа удается снизить до 1 — 20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от —50 до+50°С составит 0,1 — 2 мВ, т.е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20 — 100 раз.

Выражение для коэффициента усиления дифференциального каскада аналогично выражению для коэффициента усиления обычного однокас­кадного усилителя с коллекторной нагрузкой и определяется формулой

                                                                        (3.57)

гак как напряжением обратной связи, возникающим на резисторе можно принебречь

Это напряжение одновременно воздействует на эмиттеры транзисто­ров , , вызывая одинаковые изменения потенциалов их коллекто­ров Таким образом, результирующее напряжение на выходе усилителя остается неизменным. Нетрудно видеть, что выходное напряжение в уси­лителе (см.рис 3 34,a) совпадает по фазе с входным напряжением инвертирующий вход) и противофазно напряжению  (инвертиру­ющий вход). Тогда можно записать

                   (3.58)

Входное сопротивление усилителя по каждому из входов

(3.59)

выходное сопротивление (3.60)На рис.3.34,б приведена схема несимметричного дифференциаль­ного усилителя, в котором коллекторный резистор включен в коллек­торную цепь транзистора . Такой усилительный каскад обладает несколько большим дрейфом и применяется только в тех случаях, когда необходимо получить выходное напряжение относительно об­щего зажима. Для компенсации постоянной составляющей коллек­торного напряжения в усилителе применен делитель , .По таким схемам можно выполнять усилители и на полевых тран­зисторах.Вопрос 3.3. Из приведенных на рис.3.35 амплитудно-частотных ха­рактеристик (АЧХ) укажите АЧХ усилителя постоянного тока, если АЧХ усилителя с резистивно-емкостной связью изображена кривой 4.Варианты ответа:

3.3.1. Кривая 1

3.3.2. Кривая 2.

3.3.3. Кривая 3.

Рис 3 35 Амплитудно-частотные ха­рактеристики УПТ и усилителей с Резистивно-емкостной связью

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный уси­литель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, пред. назначенный для выполнения различных операций над электрически­ми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. Обычно операционный усилитель имеет 3 — 4 дифференциальных балансных каскадов, в качестве выходного каскада обычно использу­ется бестрансформаторный усилитель мощности. Коэффициент уси­ления ОУ достигает 10⁶. Операционные усилители изготавливаются в виде интегральных микросхем различных серий, например, серии К140. ОУ имеет два входа: неинвертирующий (Н) и инвертирующий (И). Их названия связаны с тем, что в первом случае входное напряжение находится в фазе с выходным, а во втором случае — в противофазе.

Условное графическое обозначение ОУ приведено на рис. 3.36. Знач­ки « » символизируют наличие очень большого коэффициента уси­ления у операционного усилителя. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +  и - . Основными харак­теристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики.

Рис 3.36. Условное графическое значение операционного усилителя

Рис 3.37 Амплитудные характеристики ОУ на интегральной микросхеме К140УД8 по неинвертирующему входу

Амплитудные характеристики операционного усилителя на мик­росхеме К140УД8 по неинвертирующему входу приведена на рис. 3.37, на котором видно смещение нуля мВ. Смещение нуля следует принимать во внимание при применении ОУ. При больших значени­ях коэффициента усиления микросхемы необходимо балансировать  вручную с помощью балансировочного резистора.

Параметры, характеризующие работу операционных усилителей, подразделяются на статические и динамические.

К основным статическим параметрам ОУ относятся:

1) коэффициент усиления по напряжению ( );

2) входное сопротивление (  Ом);

3) выходное сопротивление (  Ом);

4) входное напряжение смещения нуля (  — единицы милливольт).

К основным динамическим параметрам ОУ следует отнести:

1) частота единичного усиления , т.е. частота на которой

— единицы и десятки мегагерц);

2) скорость нарастания выходного напряжения  В/мкс);

3) время установления выходного напряжения (  мкс).

Для построения различных усилителей применяют операционные

усилители с отрицательной обратной связью. В зависимости от того, на какой из входов подается усиливаемое напряжение, различают не­инвертирующий и инвертирующий усилители

В неинвертирующем усилителе (рис.3.38) входное напряжение под­ается на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя через делитель ,  на инвертирующий вход подается напряжение отрицательной обратной связи. Обычно выполняются условия  и .

Для идеального ОУ ( ,  ,  ) коэффициент усиления неинвертирующего усилителя можно найти из следующего соотношения

(3 61)

Рис 3 38 Схема неинвентирующего усилителя

Рис.З 39 Схема инвертирующего усилителя

При построении инвертирующего усилителя (рис.3.39) входное на­пряжение и напряжение обратной связи подаются одновременно на инвертирующий вход, а другой вход (неинвертирующий) обычно за­землен. Для идеального ОУ, когда можно пренебречь входным током  , входной ток  инвертирующего усилителя примерно равен току обратной связи . С учетом направлений токов на схеме рис.3.39 спра­ведливо принять уравнение  . Поскольку для идеального ОУ потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов можно считать одинаковыми, то можно считать, что , а , а следова­тельно  .Из этого уравнения следует:

                  (3.62)

Таким образом, коэффициент усиления неинвертирующего и ин­вертирующего усилителя зависит только от соотношения сопротивле­ний резисторов  и  и не зависит от коэффициента усиления само­го операционного усшииеля. Поэтому коэффициент усиления таких усилителей очень стабилен. Выбирая соответствующим образом зна­чения сопротивлений  н  можно обеспечить необходимый коэф­фициент усиления  и  .

Рис.3.40. Схема сумматора

       На основе ОУ можно построить устройства, выполняющие любые математические операции, например, сумматоры. Для этого несколь­ко входных сигналов (например, три на рис.3.40) через резисторы с одинаковыми сопротивлениями  одновременно подаются на инвер­тирующий вход ОУ. Полагая, что входной ток  , можно со­ставить уравнения по первому закону Кирхгофа:

         (3.63)

Учитывая, что , , , а

получим

(3.64)

Таким образом-, выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений.

На рис. 3.41 изображена схема дифференцирующего усилителя. Нет­рудно показать, что для идеального ОУ: , a , поэтому, учитывая, что

, получим

Для интегрирующего усилителя (интегратора) (рис.3.42) справед­ливы соотношения:  и , поэтому

(3.66)

Рис 3.41 Схема дифференцирующе­го усилителя

Рис.3.42 Схема интегрирующего усилителя

Как будет показано в гл 4, интеграторы часто используются в ге­нераторах линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), так как при подаче на их вход постоянного напряжения, на выходе интегратора можно получить линейно-изменяющееся напряжение.

Избирательные усилители.

Операционные усилители могут исполь­зоваться для создания специальных избирательных усилителей с очень узкой полосой пропускания, предназначенных для выделения «полез­ных» сигналов определенной частоты У таких усилителей отношение верхней и нижней граничных частот составляет Такой усилитель можно построить на основе ОУ с использованием в цепи обратной связи различных частотно-зависимых -звеньев При­мером может служить двойной

 Т-образный мост, схема которого при­ведена на рис 3 43,a.

Можно показать, что коэффициент передачи двойного Т-образного моста резко зависит от частоты При так как на очень низких частотах сопротивления конденсаторов становятся большими и все напряжение  через «верхний» ординарный Т-образный мост (R,2С, R ) передается на вход усилителя в виде напряжения обратной связи На очень высоких частотах при  вследствие того, что сопротивления конденсаторов становятся малыми и все напряжение через «нижний» ординарный Т-образный мост (С,R/2,С) передается на вход усилителя.

На квазирезонансной частоте  коэффициент передачи (  =0, поскольку на этой частоте каждый из одинарных Т-образных мос­тов, из которых состоит двойной Т-образный мост, имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты передачи и их выходные токи взаимно компенсируются, так что  =0 Частотная зависимость коэффициента передачи двойного Т-образного моста при­ведена на рис 3 43,б

Рис 3 43 Схема двойного Т-образного моста ( a ) и частотная зависимость его коэффициента передачи (б)

Коэффициент усиления избирательного усилителя с двойным Т-образ­ным мостом в цепи отрицательной обратной связи (рис 3 44) выражается через параметры усилителя и цепи обратной связи

где — комплексный коэффициент передачи цепи обратной связи

Анализируя это выражение, можно установить, что на частотах и

а на квазирезонансной частоте при =0

Амплитудно-частотная характеристика избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи показана на рис 3 45 Она построена на основании уравнения (3 67) с учетом зависи­мости коэффициента передачи  от частоты

Рис 3 45 Амплитудно-частотная ха­рактеристика избирательного усили­теля

Рис 3.46. Схема избирательного уси­лителя с интегродифференцирующей обратной связью

Избирательные усилители с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи хорошо работают на квазирезонансных частотах от единиц герц до нескольких мегагерц. Их избирательные свойства за­висят от коэффициента усиления К : чем больше этот коэффициент, тем лучше усиливается полезный сигнал по сравнению с очень низки­ми и очень высокими частотами. Такие избирательные усилители лег­ко могут быть выполнены с полосой пропускания

На рис.3.46 приведена схема избирательного усилителя с интегро­дифференцирующей обратной связью ( ). Такой усили­тель имеет частоту квазирезонанса , на которой зна­чение коэффициента усиления максимально:

(3.68)

Как видно из выражения (3.68), коэффициент усиления избиратель­ного усилителя не зависит в явном виде от коэффициента усиления операционного усилителя. Важно только, что  , обычно достаточно .

Задача 3.25.Чему равны выходные напряжения неинвертирующего (рис.3.38) и инвертирующего (рис.3.39) усилителей, если  В,  Ом,  кОм?

Решение. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя , поэтому  В. Для инвертирующего усили­теля  Выходное напряжение этого усилителя В.

Задача 3.26.* Определить коэффициенты усиления инвертирующе­го и неинвертирующего усилителей для четырех вариантов:                                                                                                  ,

1)  кОм; кОм;2)  кОм;  кОм;

 кОм;  кОм; 4)  кОм;  кОм.

Ответы приведены в таблице                                                                      

Вариант	1	2	3	4
	-15	-10	-20	-40
	16	11	21	41

Задача 3.27. Рассчитать сопротивления , , , резисторов сумматора, обеспечивающих следующую зависимость выходного на­пряжения . Сопротивление резистора обратной связи  кОм.

Ответ: =50 кОм;  = 10 кОм; =30 кОм.

Задача 3.28.Найти зависимость выходного напряжения суммато­ра, если  =1 кОм, =0,5 кОм, =2кОм, aR₂=1кОм.

Ответ: .

КОММЕНТАРИИ К ПРАВИЛЬНЫМ ОТВЕТАМ НА ВОПРОСЫ

ГЛАВЫ 3

3.1.2. На первый взгляд, повышающий трансформатор можно счи­тать усилительным устройством, так как его выходное напряжение больше входного Но принципиальным для усилителей является то, что выходной сигнал имеет значительно большую мощность, чем вход­ной сигнал, причем увеличение мощности усиливаемого сигнала про­исходит за счет энергии источника питания усилителя В повышаю­щем же трансформаторе выходная мощность не больше входной, а даже несколько меньше за счет потерь энергии в электрических про­водах и в ферромагнитном сердечнике. Поэтому повышающий тран­сформатор никак нельзя считать усилителем

3.2.2. КПД усилительного каскада определяется формулой (3.31). Из рис.З 18 видно, что амплитуды переменных составляющих коллек­торных напряжений и тока в режиме А меньше соответствующих пос­тоянных составляющих, т.е.  и . Следовательно, КПД Усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5 В действитель­ности он редко превышает 0,35 и лежит в указанном диапазоне .

3.3.1. Действительно, кривая 1 представляет собой АЧХ УПТ. В отличие от АЧХ усилителя с резистивно-емкостной связью она не имеет завала (спада) на нижних частотах, так как этот завал обуслов­лен влиянием конденсатора связи, который отсутствует в УПТ. Что касается завала АЧХ на верхних частотах, то он одинаков у обоих типов усилителя, т.е. он обусловлен влиянием емкости коллекторногоp-n-перехода биполярного транзистора и монтажной емкости подсоединительных проводов, а эти емкости одинаковы у обоих типов уси­лителя.

Глава четвертая

ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ