Тема№5. Підсилювачі електричних сигналів

1. Загальні відомості

Пристрій, що здійснює керування енергією, при якому шляхом витрати
невеликої її кількості можна управляти енергією у багато разів більше,
називається підсилювачем.
Підсилювач має вхідний ланцюг, на який подається посилюваний
сигнал, і вихідний ланцюг, з якого знімається вихідний сигнал, і подається на
навантаження.
Основні показники підсилювачів:
1) коефіцієнт підсилення за напругою

4) амплітудно-частотна характеристика підсилювача - залежність
модуля коефіцієнта підсилення від частоти вхідного сигналу;
5) фазо-частотна характеристика - залежність кута зрушення фази між
вихідною й вхідною напругою від частоти.
6) робочий діапазон частот - смуга частот від нижчої робочої частоти
fн до вищої робочої частоти fв, в межах якої коефіцієнт підсилення не
виходить за межі заданих допусків;

7) лінійні викривлення - обумовлені відхиленнями частотних
характеристик від ідеальних у робочому діапазоні частот. Вони викликані
наявністю в ланцюгах підсилювача реактивних елементів і інерційних
властивостей напівпровідникових приладів;
8) нелінійні викривлення - обумовлені наявністю в підсилювачі
елементів із нелінійними вольт-амперними характеристиками;
9) коефіцієнт корисної дії - являє собою відношення вихідної
потужності, що віддається підсилювачем у навантаження, до загальної
потужності, споживаної від джерела живлення: h= Р_вих /Р₀, Рвих – вихідна
потужність, Вт; де Р0 – загальна потужність,Вт ;
10)вхідний і вихідний опір підсилювача;
11)динамічний діапазон - відношення найбільшої припустимої вхідної
напруги до її найменшого припустимого значення

 де Uвхmax – найбільша припустима вхідна напруга, В;
Uвхmin –найменша припустима вхідна напруга, В;

Усі підсилювачі можна підрозділити на два класи - з лінійним і
нелінійним режимами роботи.
У підсилювачах із лінійним режимом роботи вихідний сигнал повинен
бути близьким за формою до вхідного.
У залежності від режима роботи підсилювачі підрозділяються (рис. 10):
־на підсилювачі сигналу, що повільно змінюється (підсилювачі
постійного струму - ППС), нижня частота fн ® 0 , а верхня границя
частоти залежно від призначення становить fв =10...100Гц;
־підсилювачі звукових частот (ПЗЧ), fн – десятки Гц, fâ -15...20 Гц;
־підсилювачі високої частоти (ПВЧ), fн – десятки кГц, fв - десятки -
сотні мГц;
־широкополосні підсилювачі (ШПП), fн - десятки Гц, fв - десятки -
сотні мГц;
־вузькополосні підсилювачі (ВПП), характеризуються пропущенням
вузької смуги частот.

Рисунок 10 - Класифікація підсилювачів:
ППС – підсилювачі постійного струму;
ПЗЧ – підсилювач звукових частот;
ПВЧ – підсилювач високої частоти;
ШП – широкополосний підсилювач;
ВПП – вузькополосний підсилювач
У підсилювачах із нелінійним режимом роботи після досягнення деякої
величини вхідного сигналу при його збільшенні сигнал на виході
підсилювача залишається без зміни, тобто, обмежується на деякому рівні.
Такі підсилювачі застосовуються для перетворення синусоїдального або
іншої форми сигналу в імпульсний сигнал, для посилення імпульсів. Вхідні
сигнали управляють передачею енергії від джерела живлення у
навантаження.

2. Принцип побудови підсилювальних каскадів

Багато підсилювачів складаються з декількох ступенів, що здійснюють
послідовне посилення сигналу. Зазвичай щабель посилення називається
каскадом.

Принцип побудови й роботи різних підсилювачів зручно показати на
прикладі структурної схеми рис. 11.
Основним елементом підсилювача є підсилювальний елемент ПЕ,
функцію якого виконує біполярний або польовий транзистор і резистор R.
Разом з напругою електроживлення Е. Ці елементи утворюють вихідний
ланцюг підсилювача. Посилюваний сигнал Uвх , прийнятий на рис.11
синусоїдальним, подається на вхід ПЕ. Вихідний сигнал знімається з виходу
ПЕ або з резистора R. Зміна вихідного сигналу створюється в результаті
зміни опору ПЕ й, отже, струму i у вихідному ланцюзі під впливом вхідної
напруги.
Процес посилення ґрунтується на перетворенні енергії джерела
постійної напруги Е в енергію змінної напруги у вихідному ланцюзі за
рахунок зміни опору ПЕ за законом, що задається вхідним сигналом.
Через використання для електроживлення джерела постійного напруга
Е струм i у вихідному ланцюзі підсилювача є односпрямованим (рис. 11, а).
При цьому змінний струм і напруга вихідного ланцюга, пропорційні струму
й напрузі вхідного сигналу, варто розглядати як змінні складові сумарних
струму й напруги, що накладаються на їх постійні складові Iп , (рис.11, б).
Зв'язок між постійними й складовими повинен бути такий, щоб амплітудні
значення змінних не перевищували постійних складових, тобто Iп > Im,
Uп ³Um.
Невиконання цих умов приведе до викривлення форми вихідного сигналу.
Таким чином, для забезпечення роботи підсилювального каскаду при
змінному вхідному сигналі в його вихідному ланцюзі повинні бути створені
постійні складові струму Iп і напруги Uп.

Рисунок 11 - Принцип побудови (а) і часові діаграми (б) роботи
підсилювального каскаду

Це завдання вирішують шляхом подачі у вхідний ланцюг підсилювача
крім посилюваного сигналу відповідної постійної напруги Uвхcп або струму
Iвхcп . Постійні складові струми й напруги при відсутності вхідного сигналу
визначають режим спокою підсилювача. Таким чином, параметри режиму
спокою
Iвхcп , Uвхcп , Uвихcп , Iвихcп характеризують електричний стан схеми при
відсутності вхідного сигналу.
Підсилювальні властивості підсилювача ґрунтуються на наступному:
при подачі на керований елемент напруги або струму вхідного сигналу
змінюється опір ПЕ, внаслідок чого в струмі вихідного ланцюга створюється
змінна частина.
Показники підсилювальних каскадів залежать від способу включення
транзистора, що виконує роль керованого елемента.

3. Підсилювальні каскади на біполярних транзисторах

Одним із найпоширеніших підсилювальних каскадів на біполярних
транзисторах є каскад із загальним емітером (каскад ЗЕ). У цьому каскаді
емітер є загальним електродом для вхідного й вихідного ланцюгів.
Основними елементами схеми є джерело живлення Ек, керований
елемент-транзистор VT і резистор Rк. Ці елементи утворюють головний
ланцюг підсилювального каскаду, у якому за рахунок протікання керованого
колекторного струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми.
Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі
представлена на рисунку 12.

Рисунок 12 - Схема найпростішого підсилювального каскаду на
біполярному транзисторі
Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатори C , Cc є
розділяючими. Конденсатор C виключає шунтування вхідного ланцюга
каскаду ланцюгом джерела вхідного сигналу по постійному струмі, що дозволяє, по-перше, виключити протікання постійного струму через джерело
вхідного сигналу по ланцюзі Eк - RБ - Rвх й, по-друге, забезпечити
незалежність від внутрішнього опору цього джерела Rвн напруги на базі
UБcп в режимі спокою.
Функція конденсатора Cc зводиться до пропущення в ланцюг
навантаження змінної складової напруги й затримці постійної складової.
Резистор RБ задає режим спокою каскаду. Оскільки біполярний транзистор
управляється струмом, струм спокою транзистора створюється завданням
відповідної величини струму бази спокою IБсп . Струм спокою забезпечується резистором RБ по ланцюзі Eк– RБ - база - емітер VT - загальна шина.
Полярність джерела живлення Eк відповідає підсилювальному каскаду із
транзистором типу n - p - n. Для підсилювального каскаду із транзистором
типу p - n - p полярність джерела Eк повинна бути протилежною.
Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду можна записати:
Eк = Uк + IкRк
тобто сума падіння напруги на резисторі Rк й колекторної напруги UК
транзистора завжди дорівнює постійній величині Eк .

4. Підсилювальний каскад на польовому транзисторі

Підсилювальні каскади на польових транзисторах мають істотно більший вхідний опір у порівнянні з підсилювальними каскадами на біполярних транзисторах. Найбільше застосування знаходять підсилювальні каскади із загальним витоком (рис. 13).
У цьому каскаді резистор Rc, за допомогою якого здійснюється посилення, включений в ланцюг стоку. У ланцюг витоку включений резистор RВ , що створює необхідне падіння напруги в режимі спокою Uзо , що є напругою зсуву між затвором і витоком.

Рисунок 13 - Підсилювальний каскад із загальним джерелом

Резистор у ланцюзі затвора Rз забезпечує в режимі спокою рівність
потенціалів затвора й загальної точки підсилювального каскаду.
Таким чином, потенціал затвора є негативним щодо потенціалу.

5. Загальні відомості про зворотні звязки

Зворотним зв'язком (ЗЗ) у підсилювачах називають. На рис.2.18 зображена структурна схема підсилювача зі зворотним зв'язком. Зворотні зв'язки в підсилювачах звичайно створюють спеціально. Однак іноді вони виникають мимовільно. Мимовільні зворотні зв'язки називають паразитними. Підсилювач характеризується коефіцієнтом .К, а ланка ЗЗ характеризується коефіцієнтом передачі ×c. Коефіцієнти .К і .c зазначені у вигляді комплексних значень.
У підсилювачах застосовуються різні види ЗЗ.
У схемній реалізації підсилювача й ланцюга ЗЗ можливі варіанти, коли ЗЗ
існує або тільки для повільно змінюючогося вихідного сигналу, або тільки для змінної його складової, або для всього сигналу. У цих випадках говорять, що зворотний зв'язок здійснений за змінним струмом, як за постійним так і за змінним струмом.

6. Класифікація зворотних зв’язків

Залежно від способу одержання сигналу розрізняють:
- зворотний зв'язок за напругою, коли сигнал ЗЗ пропорційний напрузі
вихідного ланцюга;
- зворотний зв'язок за струмом, коли сигнал ЗЗ пропорційний току
вихідного ланцюга;
- комбінований ЗЗ, коли сигнал ЗЗ пропорційний як напрузі, так і струму
вихідного ланцюга.
За способом введення у вхідний ланцюг сигналу зворотного зв'язку
розрізняють:
- послідовну схему введення ЗЗ, коли напруга сигналу ЗЗ сумується із
вхідною напругою;
- паралельну схему введення ЗЗ, коли струм ланцюга ЗЗ сумується зі
струмом вхідного сигналу;

- змішану схему введення ЗЗ, коли із вхідним сигналом складається
струм і напруга ланцюга ЗЗ.
Зворотний зв'язок називають від’ємним, якщо він зменшує
коефіцієнт підсилення (зменшує вхідний сигнал), і додатним , якщо
коефіцієнт підсилення зростає(збільшує вхідний сигнал),
Для кількісної оцінки ступеня впливу ланцюга ЗЗ використовують
коефіцієнт зворотного зв'язку, що показує яка частина вхідного сигналу,
надходить на вхід підсилювача.

 

Рисунок 2 - Різновиди ЗЗ

Із цієї формули бачимо, що введення від’ємного ЗЗ зменшує коефіцієнт

підсилення підсилювача в 1c +КU раз. Аналогічно можна показати, що
додатний ЗЗ збільшує коефіцієнт підсилення підсилювача в 1Kc -U разів.
У результаті введення ЗЗ:
- підвищується стабільність коефіцієнта підсилення підсилювача при
змінах параметрів транзисторів;
- знижується рівень нелінійних викривлення;

- збільшується вхідний й зменшується вихідний опір підсилювача й т.д.

На рис.3,а наведена схема підсилювача з від’ємним зворотнім зв’язком
за струму, а на рис.3,б - схема підсилювача з від’ємним ЗЗ за напругою.

Рисунок 3 - Схема підсилювача з від’ємним зворотним зв'язком за струмом (а) і схема підсилювача з від’ємним ЗЗ за напругою (б).

7. Підсилювачі постійного струму на транзисторах

Підсилювачі постійного струму (ППС) призначені для посилення сигналів, що повільно змінюються в часі, тобто сигналів, еквівалентна частота яких наближається до нуля.
Тому ППС повинні мати амплітудно-частотну характеристику. В ППС виникають специфічні труднощі:

пов'язані з відділенням корисного сигналу від постійних складових
напруги й струму, тому що в ППС використовуються тільки безпосередні
міжкаскадні зв'язки;
2) пов'язані із дрейфом нуля появи сигналу на виході підсилювача за
рахунок різних дестабілізуючих факторів при відсутності сигналу на вході.
В ППС відділення постійних складових напруги, як правило,
здійснюється компенсаційним методом. Найпростіший ППС (рис.4,а)
складається зі звичайного підсилювального каскаду на біполярному
транзисторі за схемою з ЗЕ. У цього підсилювального каскаду відсутній конденсатор у ланцюзі емітера, що приводить до зниження коефіцієнта підсилення через виникнення від’ємного ЗЗ, не забезпечується більша смуга пропущення. На відміну від підсилювачів з ємнісним зв'язком у розглянутому ППС навантажувальний резистор включений між коллектором транзистора й середньою точкою дільника R3, R4 , а вхідна напруга прикладена між базою транзистора й середньою точкою дільника R1, R2 .
Потенціали середніх точок дільників такі, що під час відсутності вхідної напруги (Uвх=0) jб j=1 і jк =j2 , внаслідок чого відсутній як струм у вхідному ланцюзі, так і струм у навантажувальному резисторі (iн = 0). При подачі вхідного сигналу з'являється струм у вхідному ланцюзі, змінюються базовий і колекторний струми транзистора, що приводить до зміни напруги на колекторі транзистора й появі струму iн.

Потенційна діаграма підсилювача показує, що під час відсутності вхідного сигналу Uвuх = 0, при Uвх < 0 ,Uвuх > 0,  а при Uвх > 0, Uвuх < 0 (рис.4, б).

 

Рисунок 4 - Найпростіший ППС (а) - схема, (б) - часові діаграми роботи

Для боротьби із дрейфом нуля приймають цілий ряд мір:
1) стабілізацію напруги джерела електроживлення, стабілізацію температурного режиму й тренування транзисторів;

2) використання диференціальних (балансних) схем ППС; 3) перетворення вхідної постійної напруги в змінну, посилення змінної напруги й зворотне перетворення змінної напруги в постійну на виході підсилювача. Найбільше зстосування побудовані за принципом чотирьохплечевого моста (рис.5), що складається із двох резисторів R2 , R3 і двох транзисторів VT1 і VT2. На одну діагональ моста подана напруга електроживлення Е1, Е2, а на другу – включений навантажувальний резистор Rн . Змінний резистор Rн служить для балансування каскаду (установки нуля). Переміщенням движка
потенціометра домагаються нульового струму в навантажувальному
резисторі Rн під час відсутності вхідного сигналу. Якщо параметри
транзисторів і резисторів R2 , R3 ідентичні, то при зміні напруги Е1, Е2 і
зміна температури навколишнього середовища практично не будуть
викликати струму в навантажувальному резисторі.

Рисунок 5 - Диференціальна схема ППС
У той же час при подачі вхідної напруги на базу транзистора VT1
змінюється його колекторний струм і напруга на його колекторі, що викликає
появи напруги на навантажувальному резисторі Rн .
При ретельному підборі транзисторів дрейф нуля вдається знизити до
1...20мкВ/С, тобто в порівнянні з небалансних ППС він може бути
зменшений в 20... 100 разів.

8. Операційні підсилювачі

Операційним підсилювачем (ОП) називають диференціальний підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення (десятки ... сотні
тисяч), що має два входи й один вихід, і живиться від джерела біполярної напруги. Спочатку ОП застосовувалися головним чином для виконання різних операцій над аналоговими величинами (додавання, віднімання, інтегрування й т.д.). У цей час ОП відіграють роль багатоцільових елементів при побудові апаратури всілякого призначення. Вони застосовуються в
підсилювальній техніці, пристроях генерації сигналів синусоїдальної й
імпульсної форм, у стабілізаторах напруги, активних фільтрах і т.д.

Рисунок 6 - Умовне позначення операційного підсилювача

Умовне позначення ОП показано на рис.6. Один із входів називається
що інвертує, а другий – що не інвертує. При подачі сигналу на вхід, що не
інвертує, збільшення вихідного сигналу збігається за знаком (фазі) зі
збільшенням вхідного сигналу.
Якщо ж сигнал поданий на вхід, що інвертує, то збільшення вихідного
сигналу має зворотний знак (протилежний по фазі) у порівнянні зі
збільшенням вхідного сигналу, вхід, що інвертує, часто використовується для
введення в ОП зовнішніх від’ємних зворотних зв'язків. Живлення ОП
здійснюється від двох джерел E1 і E2 з однаковими напругою. Джерела
живлення мають загальну точку - E1, + E2.

Рисунок 7 -Амплітудні (передатні) характеристики операційного
підсилювача

Найважливішим показником операційного підсилювача є коефіцієнт підсилення К_U. Значення K_U =D Uвuх / DUвх залежить від ОП і може становити від декількох сотень до сотень тисяч і більше. Великі значення  ku отримують при охваченні таких підсилювачів глибоким від’ємним зворотним зв'язком, це дозволяє одержувати схеми із властивостями, які залежать тільки від параметрів ланцюга від’ємного зворотного зв'язку. Найважливішими характеристиками ОП є його амплітудні (передатні) характеристики (рис. 7). Характеристики знімаються при подачі сигналу на один із входів при нульовому сигналі на іншому.
Кожна із кривих складається з горизонтальних і похилих ділянок.
Горизонтальні ділянки відповідають насиченню підсилювача. Похилій
(лінійній) ділянці кривих відповідає пропорційна залежність вихідної
напруги від вхідного. Кут нахилу ділянки визначається коефіцієнтом
підсилення ku .
На рис.8 наведені схеми підсилювачів на ОП із від’ємним зворотним
зв'язком. В ОП зворотний зв'язок від’ємний, якщо вона подається з виходу
підсилювача на інвертуючий вхід, при цьому напруга Uзз , що перебуває у
фазі з Uвuх , буде у противофазі із вхідною напругою на вході, що інвертує.
І навпаки зворотний зв'язок є додатним, якщо він подається на не вхід,
що інвертує.
При послідовному ЗЗ вхідний сигнал Uвх і сигнал ЗЗ подаються на
різні входи, при паралельному - на один. На рис.8,а показана схема реалізації
послідовного від’ємного ЗЗ по напрузі = c R2 /(R1 + R2). На рис.8,б
наведена схема включення ОП з послідовним від’ємним ЗЗ за струмом, на
рис.2.26,в- — з паралельним від’ємним ЗЗ за напругою. Для підсилювача, що інвертує коефіцієнт підсилення визначається формулою (рис.2.26,в)