Интегральные усилители в технике связи

Для усиления медленно меняющихся во времени сигналов применяют усилители постоянного тока (УПТ). Современные УПТ можно условно разделить на дифференциальные и операционные усилители.

Дифференциальный усилитель. Практически во всех схемах УПТ между соседними усилительными каскадами используют непосредственную (гальваническую) связь, что вызывает эффект дрейфа нуля — самопроизвольное изменение выходного сигнала при отсутствии входного сигнала. Дрейф нуля отсутствует в параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями (ДУ), которые строят по методу уравновешенного моста. На входы ДУ подают как дифференциальные (разностные), так и синфазные (одинаковые) сигналы. При этом ДУ усиливает дифференциальные и подавляет синфазные сигналы.

Операционный усилитель. Операционным усилителем (ОУ) называют линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (К)*¹—10), высокое входное (сотни мегаом) и малое выходное (единицы ом) сопротивления. Входным каскадом ОУ является ДУ, а выходным — эмиттерный повторитель. На рис. 4.24, а показано условное обозначение ОУ. Один из входов ОУ по отношению к выходу является неинвертирующим U_Hf а другой — инвертирующим С/_и; последний обозначают знаком инверсии (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляют от двух одинаковых разнополярных источников +J7_n и -U_n (на графических обозначениях источники обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двунолярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному сигналу — разности входных Ц> = и_И — U,

Рис. 4.24. Операционный усилитель:

а — условное графическое обозначение; б — передаточные характеристики Коэффициент усиления, но напряжению К₀ собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

Важны для ОУ передаточные характеристики (рис. 4.24, в). Если сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению К_и. Горизонтальные участки характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов, поэтому выходное напряжение.

Для упрощения анализа схем на ОУ вводят понятие идеальный ОУ, у которого бесконечно большие коэффициент усиления (К₀ = °°) и входное сопротивление (Л_вх0 = °°) и нулевое выходное сопротивление (Я_шх0 = 0). Он характеризуется следующим.

• Дифференциальный входной сигнал равен нулю.

• Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала.

Понятие идеального ОУ соответствует принципу виртуального замыкания входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом, напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Но в отличие от физического замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ можно получить две фундаментальные схемы — инвертирующую и неинвертирующую.

Инвертирующий усилитель. В таком усилителе входное напряжение через резистор R_{ подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной связи R_oc охвачен параллельной ООС, но напряжению (рис. 4.25, а). Неинвертирующий вход каскада заземлен.

Рис. 4.25. Фундаментальные схемы усилителей на ОУ:

а — инвертирующий; б — неинвертирующий Коэффициент усиления инвертирующего усилителя.

Согласно формуле (4.46) изменением значения сопротивления обратной связи R_oc можно регулировать коэффициент усиления.

Неинвертирующий усилитель. В нем входной сигнал поступает на неинвертирующий вход, а инвертирующий с помощью R_v R_oc охвачен последовательной ООС по напряжению (рис. 4.25, б). Коэффициент усиления.

Дифференцирующее устройство. Токи для дифференцирующего устройства (рис. 4.26, а) i_c = i₀ + i_R, и так как i₀ = 0, то i_c = i_R. Записав токи, протекающие через конденсатор С и резистор R, как i_c = Cdu_BX/dt и i_R = -u_lil>iX/R, получим.

где т_а = RC — постоянная времени цепи.

Рис. 4.26. Устройства на ОУ:

а — дифференцирующее; б — интегрирующее Интегрирующее устройство. Так как в схеме на рис. 4.26, б ток i_Q = 0, находим i_R = и_нх/R, i_c = —Cdu_BUX/dt. Приравняем токи и, интегрируя, получим.