Военная кафедра

ограничители и ключи. Усилители на лампах и транзисторах
Учебные вопросы:
1.Диодные ограничители.
2.Электронные

ключи.
3.Типовые усилительные каскады на лампах и транзисторах.
4.Дифференциальные усилители.
5.Обратные связи в усилителях.
6.Операционные усилители.

изменения формы сигнала. Ограничитель формирует на выходе сигнал, совпадающий по

форме с входным, если мгновенное значение последнего не выходит за пределы заданных граничных значений – порогов ограничения. При выходе сигнала за порог ограничения выходное напряжение фиксируется на постоянном уровне – уровне ограничения (рис.3.1).

Классификация ограничителей осуществляется:
а) по виду ограничения (ограничение по максимуму или ограничение «сверху», когда на выход передается без искажений часть входного сигнала, не превышающая уровень ограничения uвхб) по уровню ограничения (на положительном, отрицательном и нулевом уровнях).
в) по типу применяемого нелинейного элемента (диодные ограничители, ограничители – усилители на лампах, ограничители – усилители на транзисторах).
г) по характеру нелинейности ВАХ или АСХ (сеточное ограничение за счёт сеточного тока, анодное – за счёт отсечки или динамического насыщения анодного тока, коллекторное – за счёт отсечки или насыщения коллекторного тока).
д) по способу включения нелинейного элемента и нагрузки (последовательные и параллельные ограничители).

упрощения анализа работы ограничителей реальные ВАХ вакуумного и полупроводникового диодов

(рис.3.2.а и 3.2.б соответственно) можно аппроксимировать двумя отрезками прямых (рис.3.2.в). При такой аппроксимации считают, что при uд>0 диод имеет малое прямое сопротивление rпр, не зависящее от приложенного напряжения (rпр составляет сотни Ом для вакуумного и десятки Ом для полупроводникового диодов), при uд<0 диод имеет большое обратное сопротивление rобр (равное бесконечности для вакуумного диода и сотни кОм для полупроводникового диода).
Геометрически сопротивление диода может быть выражено углом наклона ВАХ (рис.3.2.в) на двух участках rпр=ctg α, rобр=ctg β.

1.2.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ДИОДНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ С ПОРОГОМ ОГРАНИЧЕНИЯ, РАВНЫМ НУЛЮ

В этом ограничителе диод включается последовательно с резистором нагрузки (рис.3.3). Графики, поясняющие процессы в ограничителе, приведены на рис.3.4.

Если u1>0, то диод открыт. В цепи протекает ток

Этот ток создаётся на нагрузочном регистре выходное напряжение

,где

наклона которой равен коэффициенту передачи ограничителя по напряжению



Т.к. τпр

коэффициент передачи для случая u1>0 близок к 1, т.е. К=1 и выходное напряжение u2 приближённо равно u1 .
Если u1<0, то диод заперт. В этом случае с учётом обратного тока в цепи получим :


Т.к. τобр >>Rн, то при u1<0 К≈0. Из рис.3.4 видно, что отрицательные полупериоды синусоидального напряжения практически полностью «срезаются», а положительные – передаются на вход ограничителя. Т.о., ограничитель, схема которого изображена на рис.3.3, является последовательным ограничителем снизу с порогом ограничения Uп.н.=0.

Если в схеме рис.3.3 поменять полярность включения диода, то получим схему, изображённую на рис.3.5, в которой диод открывается при u1<0 и запирается при u1>0. Для ограничителя (рис.3.5) коэффициент передачи равен единице при u1<0 и равен нулю при u1>0. Амплитудная характеристика и временные графики, поясняющие работу, приведены на рис.3.6. Из этого рисунка видно, что ограничитель, собранный по схеме рис.3.6, является ограничителем сверху и имеет уровень ограничения Uп.в=0.

нагрузкой в ограничителе включить источник смещения, то происходит изменение порога

ограничения. Уровень входного напряжения, при котором диод запирается и прекращается подача сигнала со входа на выход ограничителя, при этом изменяется.
Последовательный диодный ограничитель снизу с уровнем ограничения Uп.н.=-Е1 изображён на рис.3.7. Для этой схемы при u1<-Е1 диод заперт, выходное напряжение равно источнику смещения –Е1. При u1>-Е1 диод открывается, падение напряжения на диоде практически равно нулю, т.е. выходное напряжение равно входному. Временные графики входного и выходного напряжения для этого ограничителя представлены на рис. 3.8.

Последовательный диодный ограничитель сверху с уровнем ограничения Uп.в.=Е2 представлен на рис.3.9. Для этого ограничителя при u1<Е2 диод открыт, входное напряжение практически полностью передаётся на выход u1≈u2 (uд=0). При u1>Е2 диод заперт, ток через нагрузку не проходит, напряжение на выходе равно э.д.с. источника смещения Е2. Временные графики входного и выходного ограничителя представлены на рис.3.10.

Схема двухстороннего ограничителя, составленного из двух диодных ограничителей, представлена на рис.3.11. Первый ограничитель включает Д1, Е1, Rн1 и является ограничителем снизу с порогом ограничения Uп.н.=–Е1. Выходное напряжение uвых.1 первого ограничителя подаётся на вход второго ограничителя (включающего Д2, Е2, Rн2), напряжение которого на выходе является выходным напряжением двухстороннего ограничителя. Графики напряжений на входе и выходе первого ограничителя и выходе второго ограничителя приведены на рис.3.12.

ограничителе диод включается параллельно нагрузке. Последовательно с диодом и нагрузкой

включается ограничительный резистор Rогр (рис.3.13). Для такой схемы входной ток может быть определён соотношением

где Rэ – эквивалентное сопротивление промежутка а–б. Выходное напряжение u2 можно определить

. (2.1)

где

– коэффициент передачи.

Принципиальной особенностью параллельных диодных ограничителей является наличие ограничительного резистора Rогр. Благодаря ограничительному резистору, происходит изменение распределения входного напряжения между ограничительным резистором Rогр и эквивалентным сопротивлением Rэ при открывании и запирании диода. Для эффективного ограничения надо выполнить соотношение rобр >> Rн >> Rогр >> rпр.
При u1>0 диод Д (рис.2.13) открыт, имеет малое сопротивление и шунтирует нагрузку (Rэ≈ rпр). Lля этого случая из формулы (2.1) следует, что К≈0, u2≈0. Это означает, что входное напряжение практически полностью падает на ограничительном резисторе, а падение напряжения на выходе ограничителя равно нулю. Входной сигнал, превышающий Uп.в=0, не передаётся на выход схемы.

u1≈u2. Т.о., при u1

ограничительном резисторе можно пренебречь и считать, что всё входное напряжение передается на выход схемы, т.е. коэффициент передачи близок к единице.
Графики входного и выходного напряжения параллельного диодного ограничителя сверху с уровнем ограничения Uп.в=0, приведены на рис.2.14. Чёткость ограничения в параллельном ограничителе хуже, чем в последовательном, что связанно с конечными значениями величин сопротивлений rпр и rобр.

1.3.2. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ДИОДНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ СНИЗУ НА НУЛЕВОМ УРОВНЕ

Ограничение снизу может быть получено в параллельном диодном ограничителе в том случае, если в схеме (рис.3.13) поменять полярность включения диода (рис.3.15). В этом ограничителе диод открыт при u1<0 и закрыт при u1>0. В ограничителе срезаются отрицательные импульсы и передаются без искажений положительные (рис.3.16).

производится путём включения источника смещения в цепь диода. На рис.3.17

приведена схема параллельного диодного ограничителя с ограничением сверху при пороге ограничения Uп.в=Е1. Графики входного и выходного напряжений, поясняющие работу ограничителя, приведены на рис. 3.18. Т.к. на катод диода подано положительное напряжение источника смещения Е1, то ток через диод будет протекать при условии u1> Е1. При открытом диоде падение напряжения на диоде приблизительно равно нулю, выходное напряжение равно Е1. Т.о. схема ограничивает входные напряжения, превышающие Uп.в=Е1. При u1<Е1 диод заперт, ограничитель передаёт входной сигнал без искажений с коэффициентом передачи К≈1.
Параллельный диодный ограничитель снизу с уровнем ограничения Uп.н.=-Е2, показан на рис.3.19. При u1< Е2 (рис.3.20) диод Д открыт, u2≈–Е2. При u1> –Е2 диод заперт, ветвь цепи с диодом имеет большое сопротивление, входной сигнал передаётся на выход без искажений с К≈1.

нагрузке включается два шунтирующих диода. Ограничение сверху обеспечивается диодом Д1,

ограничение снизу – Д2. При Е1 >u1>–Е2 диоды Д1 и Д2 заперты и не влияют на прохождение сигнала со входа на выход. При u1>Е1 диод Д1 открыт, а Д2 – закрыт, сигнал на выходе ограничителя равен Uп.в=Е1. При u1<–Е2 диод Д2 открыт, а Д1 – закрыт, выходное напряжение ограничителя равно Uп.в=–Е2. Графики напряжений на входе и выходе двустороннего ограничителя приведены на рис. 2.22.

2. ОГРАНИЧИТЕЛИ – УСИЛИТЕЛИ

Ограничителями – усилителями называют устройства, одновременно выполняющие функции ограничения и усиления сигналов. Ограничители – усилители выполняются на лампах и транзисторах. Ограничение связанно с резким усилением проводимости нелинейного элемента, т.е. с резким изменением наклона ВАХ. Ограничение осуществляется: в сеточной цепи лампы из-за появления тока сетки; в анодной цепи лампы или коллекторной цепи транзистора в момент запирания (отсечки анодного или коллекторного тока); в коллекторной цепи транзистора в момент достижения режима насыщения.

2.1. СЕТОЧНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ – УСИЛИТЕЛЬ

Схема сеточного ограничителя – усилителя (рис. 3.23) отличается от обычного усилителя на триоде (с анодной нагрузкой, источником смещения и разделительной цепью на входе) только наличием резистора Rогр, включенного между входом разделительной цепи СRс и сеткой лампы. Вместо источника смещения Есм может использоваться цепь автосмещения RкСк в цепи катода или сетки.

точки и амплитудой входного сигнала.
Исходное состояние ограничителя – усилителя, когда

uвх=0, определяется положением исходной рабочей точки (ИРТ). ИРТ с помощью источника смещения Есм выбирается правее середины (точки Б) линейного участка АВ анодно-сеточной характеристики (рис2.24). Величина напряжения источника смещения

где Ес0 – напряжение запирания лампы. Анодный ток iа протекает от +Еа через Rа лампы на корпус. Напряжение на аноде

. Ток сетки iс равен нулю, Еск=–Есм, UR=0, Uогр=0.

Условием для возникновения сеточного ограничения является

Для чёткого ограничения rск<

+Есм (рис.2.17). Эквивалентная схема сеточного ограничителя представлена на рис.3.25. Для

сеточного ограничителя входным является напряжение uRС, выходным – напряжение uск, которое затем усиливается и инвертируется лампой с резисторной нагрузкой Rа.
Пренебрегая сопротивлениями Хс и источника Есм, можно считать, что синусоидальное напряжение uвх=uRС. Во время положительного полупериода входного напряжения при

напряжение на сетке отрицательное и iс=0, uогр=0,

т.е. напряжение на сетке повторяет форму входного напряжения.
В процессе усиления сигнала uск анодный ток повторяет форму сеточного напряжения. Во время увеличения положительного входного напряжения рабочая точка движется из исходной рабочей точки (т.Б) вверх до момента ограничения за счёт появления тока сетки, останавливается почти на пересечении АСХ с осью ординат на время ограничения, после чего движется вниз, не достигая отсечки анодного тока, снова движется вверх и т.д. (рис.3.24). Усиленное выходное напряжение, равное

повторяет по форме ток анода iа и напряжение на сетке uСК, но находится с ними в противофазе.
Достоинством сеточного ограничителя – усилителя является чёткое ограничение, а недостатком – заметное уменьшение входного сопротивления Rвх при появлении тока сетки iс.

на рис.3.26. Она не отличается от схемы усилителя на резисторах.

По сравнению со схемой сеточного ограничителя в анодном ограничителе – усилителе отсутствует резистор Rогр (рис.2.23). Особенностью анодного ограничителя является то, что исходная рабочая точка (т.Б) с помощью Есм выбирается левее

середины линейного участка АСХ, т.е. (рис.3.27).

Чтобы анодный ограничитель – усилитель работал нормально, надо обеспечить выполнение неравенств . Ограничение происходит, когда рабочая точка оказывается левее точки отсечки (т.А) анодного тока. Ток анода iа в этом случае равен нулю (рис.3.27), напряжение на аноде .
Т.о., выходное напряжение анодного ограничителя – усилителя ограничивается сверху на уровне Еа. К достоинству анодного ограничителя – усилителя относится чёткое ограничение.

схеме сеточного ограничителя. Для нормальной работы ограничителя амплитуда входного

сигнала

должна быть достаточно большой . При большой амплитуде входного

сигнала рабочая точка будет заходить в область отсечки анодного тока (анодное ограничение). В схеме при подаче на вход положительного напряжения большой амплитуды будет происходить ограничение сверху за счёт появления сеточных токов (сеточное ограничение). Графики, поясняющие работу схемы, для симметричного ограничения, когда
приведены на рис.3.28.

2.3. АНОДНО-СЕТОЧНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ – УСИЛИТЕЛЬ

представляет собой схему усилителя на резисторах с цепью (резистор RБ)

обратной связи. Резистор RБ обеспечивает выбор исходной рабочей точки. Исходная рабочая точка может быть выбрана за счёт дополнительного источника Есм или цепи автосмещения RэСэ. Симметричное двухстороннее коллекторное ограничение, показанное на рис.3.30, можно получить, когда исходная рабочая точка находится в середине активного участка (т.Б) КБХ. Во время действия положительного напряжения uвх достаточной амплитуды напряжение на базе транзистора становится положительным uБЭ ≥0 и транзистор закрывается. Происходит ограничение снизу тока коллектора за счёт его отсечки.

напряжение коллекторного ограничителя равно

Во время отрицательного полупериода входного напряжения, когда

uвх≥UБЭкр (где UБЭкр – критическое напряжение на базе), транзистор входит в режим насыщения. Ток коллектора становится равным iк=Iк нас. Происходит ограничение выходного напряжения сверху за счёт насыщения коллекторного тока.
Смещая исходную рабочую точку влево или вправо от т.Б, можно получить одностороннее ограничение за счёт отсечки или за счёт насыщения коллекторного тока.
Амплитуда выходного напряжения при ограничении определяется как разница напряжений на коллекторе запертого и насыщенного конденсатора
(2.2)

Обычно, можно считать, что Um≈Ек.
График функции (7.5) приведен на рис. 7.6.
Модель транзистора, как структура из двух р-п-переходов, может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.7. Каждый из р-п-переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от приложенного к нему напряжения — прямого или обратного.
Таким образом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к эмиттерному и коллекторному переходу — прямое или обратное, могут быть четыре состояния биполярного транзистора, показанные в табл. 7.2, и соответственно четыре области на плоскости его статических характеристик: отсечки (1), активная (2), насыщения (З), инверсная (4) (рис. 7.8).

Область насыщения (З) характеризуется сопротивлением насыщения:

происходит электрический пробой, сопровождаемый резким увеличением носителей заряда — их

лавинному умножению. Эта область обозначена на рис. 7.8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку пробой р-п-перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя.

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой есть произведение из коэффициентов усиления по току К1 по напряжению КU:

усиления сигнала по мощности КP < КU.
Коэффициент усиления по мощности

в схеме с общим эмиттером по аналогии с (7.13):

Из сравнения (7.13) с (7.18) следует, что коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме общей базой. Однако в области высоких частот, близких к граничной частоте ωТ как это следует из приведенных формул и графиков на рис. 7.11

управляющих сигналов осуществляет различные коммутации: включение и выключение активных и

пассивных элементов, источников питания, цепей заряда и разряда конденсаторов и т.д. В статическом режиме ключевое устройство находится в одном из двух состояний – замкнутом (включённом) и разомкнутом (выключенном). Пример упрощённой ключевой схемы показан на рис.3.31. В состоянии «включено» (ключ К замкнут) уровень напряжения на выходе равен нулю (если пренебречь сопротивлением замкнутого ключа), а в состоянии «выключено» (ключ К разомкнут) уровень напряжения на выходе равен Е (если считать сопротивление разомкнутого ключа К бесконечно большим). Т.о., при коммутации ключа К на выходе создаются перепады напряжения с амплитудой Um=Е.
В качестве ключа К могут использоваться такие нелинейные элементы, как полупроводниковый диод, транзистор, электронная лампа (диод, триод, тетрод, пентод), тиристор, тиратрон и др. Основными параметрами электронного ключа являются: прямое сопротивление, обратное сопротивление, входная мощность, входное сопротивление, быстродействие.
Прямым сопротивлением Rпр электронного ключа называют его сопротивление в замкнутом состоянии. Для идеального ключевого элемента Rпр=0, для реального - Rпр>0.
Сопротивление электронного ключа в разомкнутом состоянии носит название обратного сопротивления Rобр. Иногда вместо этого параметра используется ток запертого ключа Iобр. Для идеального ключевого элемента Rобр=∞. Для реального ключа Rобр<∞.
Входная мощность Рвх – это мощность, потребляемая в
цепи управляющего сигнала для переключения ключа.
Входное сопротивление Rвх – это сопротивление, оказываемое
источнику сигнала входной цепью ключевого элемента.
Быстродействие ключевого элемента характеризуется максимальной
частотой переключения Fмакс, при которой возможна нормальная работа
ключа. Оно определяется временем установления прямого сопротивления
и временем восстановления обратного сопротивления ключевого
элемента после переключения.

Схема параллельного диодного ключа для положительных импульсов показана на рис.2.32.а.

Они по внешнему виду похожи на схемы ограничителей. Применение диода в качестве ключевого элемента основано на возможности резко изменять сопротивление при подаче управляющего импульса.
На быстродействие диодного ключа существенное влияние оказывают паразитные ёмкости инертности полупроводниковых диодов. Рассмотрим это влияние.
В состав паразитной ёмкости Сп входит ёмкость монтажа См и проходная ёмкость диода Сд. Т.к. Сд<<См, то Сп≈См. Если на входе диодного ключа действует отрицательное напряжение u1 (рис.2.32.б), то диод Д закрыт. Ёмкость Сп заряжена до напряжения –U1m. Сопротивление диода велико, ключ разомкнут. В момент подачи положительного импульса ёмкость Сп начинает перезаряжаться. Напряжение на ней начинает изменяться по экспоненциальному закону и стремиться к +U1m. Когда напряжение на ёмкости достигает нулевого значения, диод Д открывается. Его сопротивление становится малым. Ключ замыкается. Напряжение u2 на выходе равно нулю. После окончания действия положительного импульса диод Д закрывается. Ключ размыкается. Паразитная ёмкость Сп заряжается до напряжения –U1m по экспоненциальному закону.
На быстродействие ключа оказывает влияние инерционность
полупроводникового диода. В момент отпирания диода (рис.2.33)
ток диода возрастает по экспоненте, достигая величины Iпр m.
При этом в базе накапливается избыточный заряд. По окончании
действия положительного напряжения диод запирается.
Начинается рассасывание избыточного заряда. При этом возникает
ток Iобр m. По окончании рассасывании iобр уменьшается до нормального
значения Iобр 0. Накопление и рассасывание обуславливают tвкл и tвыкл диода.

3.1. ДИОДНЫЕ КЛЮЧИ

они могут иметь коэффициент усиления >1. Различают ключи, работающие на

запирание и отпирание, которые могут быть с анодной или катодной нагрузкой. Принципиальная схема анодного ключа представляет собой принципиальную схему лампового видеоусилителя.

3..2.1.СТАТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМПОВЫХ КЛЮЧЕЙ
3.2.1.1.ЛАМПОВЫЕ КЛЮЧИ С АНОДНОЙ НАГРУЗКОЙ, РАБОТАЮЩИЕ НА ЗАПИРАНИЕ

Электронные ключи с анодной нагрузкой, работающие на запирание с положительной сеткой, показаны на рис.3.35, 3.36. Ключ с нулевой сеткой показан на рис.3.37. Физические процессы в этих ключах аналогичны. Рассмотрим, например, физические процессы в ламповом ключе с положительной сеткой, представленном на рис.3.35.

Исходное состояние. В исходном состоянии (при uвх=0) лампа Л открыта, т.к. сетка через резистор утечки Rс подключена к источнику анодного питания +Еа. Через лампу протекает анодный ток iа по цепи: +Еа, Rа, лампа Л, корпус (–Еа), и ток сетки iс по цепи: +Еа, Rс, участок сетка – катод лампы Л, корпус (–Еа). Сеточный ток создаёт падение напряжения Uск0 на участке сетка – катод

Анодный ток iа=Iа макс создаёт на резисторе нагрузки Rа большое падение напряжения . Напряжение на аноде лампы , следовательно, напряжение на выходе.

(рис.3.38) с амплитудой Uвх m≥|Ес0|, где Ес0 – напряжение запирания,

лампа запирается, анодный ток уменьшается и становится равным iа=0. Падение напряжения на резисторе нагрузки Rа отсутствует, и напряжение на аноде лампы скачком возрастает до значения .

В окончания входного импульса лампа скачком открывается, возникает анодный ток, который на резисторе Rа создаёт падение напряжения URа=IаRа, поэтому напряжение на аноде лампы и, следовательно, выходное напряжение уменьшается до значения Uа мин равного

Т.о. амплитуда выходного напряжения

В ламповых ключах, представленных на рис. 3.36 и 3.37, напряжения на управляющих сетках соответственно равны:

такого ключа имеет вид, представленный на рис.3.36. Но источник смещения

имеет полярность противоположенного знака, т.е. –Есм приложено к сетке, а +Есм – к катоду (корпусу) лампы. В исходном состоянии лампа закрыта, т.к. напряжение на сетке отрицательное и

Т.к. лампа закрыта, то падение напряжения на Rа отсутствует и, следовательно,

В рабочем состоянии на вход ключа поступают прямоугольные импульсы положительной полярности, причём амплитуда . Лампа скачком открывается, iа скачком увеличивается, выходное напряжение скачком уменьшается

В момент окончания входного импульса лапа закрывается, и схема возвращается в исходное состояние. Т.о. амплитуда выходного импульса также равна

Электронные ключи с анодной нагрузкой инвертируют фазу выходного напряжения на 180°.

3.2.1.3. ЛАМПОВЫЙ КЛЮЧ С КАТОДНОЙ НАГРУЗКОЙ

Принципиальная схема ключа представлена на рис.3.39. Физические процессы в ключе аналогичны процессам в катодном повторителе. В данной схеме действует глубокая отрицательная обратная связь по напряжению. В исходном состоянии лампа открыта (она сама себя запереть не может), через неё течёт постоянный по величине ток покоя Iа0, который на резисторе нагрузки Rк создаёт падение напряжения плюс которого приложен к катоду, а минус через Rс – к управляющей сетке лампы. Т.о., напряжение на управляющей сетке отрицательное . Выходное напряжение . При больших значениях Rк лампа будет работать на отпирание, т.к. она близка к запиранию.
При поступлении на вход положительного импульса лампа скачком приоткрывается и анодный ток скачком возрастает. Ток анода увеличивается, это приводит к увеличению .
Коэффициент передачи Ккп равен

а выходное напряжение uвых повторяет по фазе uвх.
Если Есм отсутствует или положительное, то ключ работает на запирание, при этом потребуется большая амплитуда Uвх m, чтобы запереть лампу. Это является недостатком ключа, работающего на запирание.

. Он
имеет два входа и в общем случае два выхода

и служит для уси­ления разности напряжений, подаваемых на входы:
Uвых = K(U1 —U2).
ДУ усиливает сигнал, как правило, с постоянной составляющей, т. е. является усилителем постоянного тока (УПТ).
Параметры плеч ДУ одинаковы (Rk1=Rk2=Rk) , транзисторы Т1 и Т2 идентичны. Общей эмиттерной нагрузкой транзисторов /I и Т2 является резистор Rэ. Совместно с источником он образует генератор тока. Нагрузка может подключаться к одному из выходов (несимметричный выход) или между коллекторами транзисторами (симметричный выход). При симметричном выходе плечи ДУ (резисторы Rкi , Rк2 и транзисторы т1 и Т2) образуют сбалансированный мост, в диагональ которого включается нагрузка.
Получение хорошей симметрии плеч ДУ при выполнении его дискретных элементах затруднено, особенно в широком диапазоне температур. Поэтому транзисторные ДУ не получили широкого распространения. С переходом к интегральной технологи высокая симметрия плеч ДУ в широком диапазоне температур. достигается согласованием параметров транзисторов и резисторов технологическим путем.

Рис. 3.45. Дифференциальный усилитель

и ними цепями усилителя, при которой часть энергии выходного сигнала

передается на вход усилителя.
Усилитель с обратной связью может быть представлен структурной схемой рис. 4.1. В его состав входит усилитель без обратной связи, имеющий один или несколько каскадов усиления с общей комплексной передаточной функцией напряжения K(ja), и цепью обратной связи, представляющая собой обычно пассивный четырехполюсник с комплексной передаточной функцией, связывающая выход усилителя с его входом. В цепях обратной связи могут использоваться также активные четырехполюсники или активные и пассивные многополюсники. Направление передачи энергии показано на рисунке., На вход усилителя обратной связи воздействует (результирующий сигнал, создаваемый источником и цепью обратной связи.
Если сигнал (напряжение или ток) с выхода цепи обратной связи и сигнал источника совпадают но фазе, связь называет положительной. Если сигналы противофазные, обратная спя и. отрицательная. Более общим является случай, когда между сипы л а ми источника и цепи обратной «вязи существует разность ф.м, отличная от 0 и я. Такую связь принято называть комплексной
Сдвиг фаз в усилителе и цепи обратной связи зависит от част ты и может изменяться в широких пределам. В соответствии i этим изменяется характер обратной связи. Отрицательная обратная связь, существующая на некоторых частотах, может стать комплексной или даже положительной на других частотах. Поэтому понятия положительной, отрицательной или комплексной обратной связи следует рассматривать применительно к определенной области частот усилителя (обычно области средних частот).
В зависимости от способа соединения выхода усилителя, нагрузки и входа цепи обратной связи различают два вида обратной связи.
Обратная связь по напряжению (рис. 4.2,а) — нагрузка и вход цепи обратной связи подключены к выходу усилителя параллельно. Входным сигналом для цепи обратной связи является выходное напряжение.

Обратная связь по току (рис. 4.2,6) - те же элементы подключены к выходу усилителя последовательно. Входным сигналом для цепи обратной связи является ток.
По способу соединения источника сигнала, выхода цепи обратной и входа усилителя различают последовательную и параллельную обратную связь.

в) последовательная;
г) параллельная
Последовательная обратная связь (риc. 4.2,ib) — источник

сигнала и выход цепи обратной связи подключены ко входу усилителя последовательно, и параллельная — те же элементы подключены ко входу параллельно. Могут быть случаи комбинированной связи, когда на выходе усилителя применяется и последовательное и параллельное соедине­ние элементов.
Для определения вида обратной связи (по напряжению или по току) в усилителях, имеющих сложные принципиальные схемы, удобен следующий способ. Если при создании режима холостого хода на выходе усилители (ZH > оо ) обратная связь остается, то в усилителе действует связь по напряжению, а если исчезает, то это характеризует связь по току. Или иначе, при создании режима короткого замыкания на выходе усилителя (Р =0) обратная связь по напряжению исчезает, а связь по току остается.

Обратная связь существенным образом меняет свойства усилителей и применяется для получения требуемых его характеристик и параметров. Почти все практически используемые схемы усилителей имеют в своем составе обратные связи. Наряду с умышленно вводимыми обратными связями в усилителе могут существовать и паразитные обратные связи, создаваемые за счет цепей питания отдельными каскадами, элементами каскада усилителя и другими причинами. Такие обратные связи, как правило, приводят к нежелательным эффектам и необходимо принимать меры защиты от НИХ.

применяемых в различных устройствах техники, в том числе и в

аппаратуре связи, является операционный усилитель.
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электри­ческих сигналов, предназначенный для выполнения различных операций с входными сигналами при работе в схеме с глубокой отрицательной связью.
Первоначально эти усилители предназначались для выполнения различных математических операций — сложения, умноже­ния, интегрирования и т. д. При создании ОУ на дискретных элементах они оказывались очень громоздкими и дорогостоящими, так как для выполнения заданных операций требовались слож­нейшие схемы, состоящие из десятков усилительных элементов, диодов, и поэтому они применялись довольно редко.
Только внедрение ИМС позволило построить на их базе ОУ, обладающие многофункциональными возможностями, малыми га­баритными размерами и большой надежностью, простотой в экс­плуатации.
Операционный усилитель обладает свойствами, наиболее со­ответствующими основным требованиям к усилительным устрой­ствам: большим коэффициентом усиления, большим входным соп­ротивлением, малым входным сопротивлением, широким частот­ным диапазоном, низким уровнем шума.
Идеальный ОУ должен иметь следующие параметры: коэффи­циент усиления К--оо, входное сопротивление Rax-°o, выходное сопротивление RВых-0, полосу пропускания 0...оо Гц, уровень шума £/ш = 0.
Достижение этих показателей и есть основное требование к ОУ.

В зависимости от конкретного применения ОУ в реальных устройствах к ним предъявляют и дополнительные требования, связанные со спецификой данного устройства.
Следует отметить, что ряд современных ОУ обладает свойст­вами, близкими к идеальным, но не по всем показателям, так как между выполнением отдельных требований к ОУ существуют про­тиворечия, которые нетрудно понять на основе ранее проведен­ного анализа работы усилителей на дискретных элементах.
Наличие коэффициента усиления К->-оо создает возможность введения очень глубокой ООС, что позволяет добиться минималь­ных линейных и нелинейных искажений, стабилизировать пара­метры ОУ при изменениях температуры питающих напряжений.
Большое Rbx свидетельствует о том, что практически на входе ОУ не потребляется энергии от источника сигнала, что ко входу ОУ может быть подключен источник сиг­нала с любым внутренним сопротивлени­ем.
Очень малое сопротивление /\вых по­зволяет подключить к выходу ОУ низко-ол'Ную нагрузку, при этом потери мощно­сти на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.
Наличие низкого уровня шума означает что реальная чувствительность очень велика, что ОУ способен усиливать самые слабые сигналы.

у кото­рого на стороне основания слева показаны два входа, а

оправа в вершине — выход. Вход со знаком « + » является неинвертирующим, при подаче входного сигнала на этот вход полярность сигнала на выходе остается той же, что и на входе; вход со знаком «—» инвертирующий, при подаче сигнала на этот вход на выходе его полярность меняется на противоположную. На боковых сторонах треугольника расположены выводы подключения источников пи­тания, кроме того, имеются дополнительные выводы.

параметрами — основными показателями, по которым выбирают тот или иной

прибор для применения в реальной схеме. Парамет­ры различных типов ОУ меняются в довольно широких пределах.
Рассмотрим параметры ОУ.
Входное сопротивление — дифференциальное сопротивление переменному току на входе RBXдИф — отношение приращения дифференциального входного напряжения к соответ­ствующему приращению тока неинвертирующего входа в режи­ме к.з.
Идеальное ЯвхтФ-*'00- Реальное RBX в зависимости от схемы входного каскада ОУ составляет от 4... 5 кОм до десятков мегом. Большое RBX позволяет обеспечить управление усилителем при наименьших затратах мощности источником сигнала и передать на вход ОУ без потерь напряжение источника сигнала.
Обычно в ОУ происходит большое подавление синфазной сос­тавляющей, и поэтому входное синфазное сопротивление RBXC на несколько порядков больше RBXA^.
Средний ток 1ВХ — среднее арифметическое значение постоян­ных входных токов инвертируемого и неинвертируемого входов в отсутствие сигнала. Обычно /вх не превышает сотен наноампер.
Входной ток сдвига А1ВХ=1+ВХ—/_вх — разность между вход­ными токами. Входной ток сдвига в несколько раз меньше сред­него входного тока.
Напряжение смещения £/см — напряжение постоянного тока, которое должно быть приложено к дифференциальному входу ОУ, чтобы его UBb,x = 0. Обычно составляет не более единиц милли­вольт.
Дрейф выходного напряжения смещения гсм = Аисм/АТ° С — отношение изменения входного напряжения смещения к измене­нию окружающей температуры. Обычно составляет 1 ... 5 мкВ/°С.
Выходное сопротивление RBMX — внутреннее сопротивление вы­хода ОУ. Идеальное RBbix—>-0, при этом все выходное напряжение выделяется без потерь в нагрузке. Реальное RBMX составляет еди­ницы и сотни ом.
Коэффициент усиления К = Аивых/Аимф = AUBblx/(AU+BX— —AU~BX) — отношение изменения UBBIX. к соответствующему из­менению разности входных напряжений при разомкнутой цепи обратной связи. В идеальных ОУ К-+о°, в реальных ОУ К сос­тавляет от сотен до сотен тысяч. Так как UBbIX ограничено напря­жением источника питания, которое обычно не превышает 10... ... 15 В, то при очень больших коэффициентах усиления UBX очень мало. При больших UBX транзисторы попадают в режим насы­щения.

более чем до 0,707 своего максимального значения при неизменной амплитуде

на входе.
Идеальная полоса пропускания ОУ-^-оо. Реальная полоса про­пускания ограничена. Максимальную частоту полосы пропуска­ния иногда называют частотой среза. Иногда указывается часто­та единичного усиления fu при которой коэффициент усиления уменьшается до 1.
Скорость нарастания выходного напряжения VVbhx = = AUBblx/At — отношение приращения Л£/Вых к интервалу време­ни At, за который происходит это приращение, при подаче на вход прямоугольных импульсов. Чем выше частота среза, тем больше скорость нарастания выходного напряжения.
Время установления выходного напряжения tHap — время, в те­чение которого i/вых ОУ изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения UBbtx при воздействии на вход ОУ пря­моугольных импульсов.
Время установления также пропорционально частоте среза.
Максимальный выходной ток, в вольтах — предельная амплиту­да выходного тока, который может быть дан в нагрузку.
Максимальная мощность рассеяния Ртах — максимально до­пустимая мощность, которая может быть рассеяна ОУ при на­личии входного напряжения и подключенной нагрузке.
Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от вы­полняемых функций. В каждом конкретном случае выбирают тот тип ОУ, у которого параметры в наибольшей степени удовлетво­ряют предъявленным требованиям.
В связи с тем что существует определенное противоречие в получении нескольких групп оптимальных параметров ОУ, приходится изготовлять ОУ специального назначения, например, высо­кочастотные ОУ с широкой полосой пропускания, большой ско­ростью нарастания выходного напряжения и т. д., но в этом слу­чае трудно получить ОУ с минимальными погрешностями на вхо­де. В других случаях добиваются наибольшей точности парамет­ров. Такие ОУ получили название прецизионных (высокоточных). Таким образом, имеются ОУ общего назначения — универ­сальные, многофункциональные, которые больше всего применяют в аппаратуре связи, и ОУ частного применения, которые имеют оптимальные значения по какой-то группе параметров.

и в обычных усилительных устройствах: выходной каскад и ряд пред­варительных

каскадов. ОУ на ИМС обладают некоторыми спе­цифичными особенностями: для получения большого усиления схема ОУ содержит 2—3 каскада предварительного усиления, для получения заданных обычно очень высоких входных показателей в качестве 1-го каскада в ОУ используется дифференциальный усилитель, обладающий большим RBX, высокой помехозащищен­ностью, низким уровнем дрейфа нуля.
Наличие двух входов дифференциального усилителя намного расширяет возможности использования ОУ в устройствах различ­ного назначения.
Выходной каскад ОУ, как правило, собран по схеме эмиттерного повторителя для получения низкоомного выходного сопротив­ления.
Первые ОУ, созданные в начале 60-х годов, состояли из трех каскадов предварительного усиления и выходного каскада (рис. 20.5,а).
Первый каскад — дифференциальный усилитель, второй кас­кад обеспечивал основное усиление и переход от симметричного входного дифференциального каскада к несимметричному выход­ному, третий каскад — предоконечный — обеспечивал необходи­мый сдвиг уровня постоянного напряжения и требуемую для по­дачи на вход выходного каскада амплитуду усиливаемого каскада
В 70-е годы, благодаря успехам в совершенствовании элемент ной базы ИМС и новым схемным решениям, удалось резко уве личить коэффициент усиления первого каскада и ограничить с двумя каскадами предварительного усиления (рис. 20.5,6). Умень­шение числа каскадов повышает быстродействие ОУ.
В схемах ОУ делается внешний вывод от первого каскада для компенсации напряжения смещения во внешней цепи. В выходных цепях применяют схемы защиты от перегрузок.
Рассмотрим более подробно некоторые особенности отдельных каскадов ОУ.

ток на входе, оказывает основное влияние на формирование таких показателей,

как уровень шума, дрейф нуля, а следователь­но, на реальную чувствительность усилителя.
Рассмотрим основные требования, предъявляемые к первому каскаду: большой коэффициент усиления, максимальное ослабле­ние синфазного сигнала, минимальное смещение, минимальный дрейф нуля, минимальный входной ток, минимальное температур­ное изменение входных токов, минимальный уровень шума на вхо­де. Каждое из этих требований может быть реализовано только на основе специальных схемных решений.
Рассмотрим наиболее простую типичную схему первого кас­када ОУ (рис. 20.6,а).
Каскад построен по обычной схеме дифференциального уси­лителя на двух транзисторах VT1 и VT2 с резисторами нагрузки в коллекторной цепи R1 и R2. В цепь эмиттеров включен ГСТ на транзисторах VT3 и VT4. Особенность этого каскада — использо­вание в коллекторной нагрузке диффузионных резисторов, у кото­рых сопротивление ограничено из-за размеров и составляет всего 20... 30 кОм, что не позволяет получить большой коэффициент

Рис. 20.6. Схемы входного каскада ОУ:
а — простая, б — на составных транзисторах, в — на полевых транзисторах