ЛЕКЦИЯ № 11
по дисциплине Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Тема: Аналоговые интегральные микросхемы
Цель лекции: познакомиться с устройством и принципом действия аналоговых интегральных микросхем.
Изучаемые вопросы:
1. Электронные усилители.
2. Эмиттерные повторители.
3. Дифференциальные усилители.
4. Операционные усилители.
4.1. Характеристики и параметры ОУ.
4.2. Функциональные узлы на основе ОУ.
5. Аналоговые компараторы напряжения.
5.1. Однопороговые компараторы.
5.2. Одновходовые компараторы.
Электронный усилитель – устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).
Рис. 11.1. Электронный усилитель:
а – структурная схема включения в цепь усиления электрического сигнала;
б – условное обозначение; в – упрощенное изображение.
На рис. 11.1, а представлена структурная схема включения усилителя в цепь усиления электрического сигнала, где
1 - источник входного сигнала;
2 - усилитель;
3 - источник энергии;
4 - нагрузка.
В качестве источников питания усилителя используют стабильные источники энергии постоянного тока. Источник входного сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение uвх (ток iвх) различной амплитуды, частоты и формы. Нагрузка усилителя – устройство, которое можно представить в виде линейного пассивного двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов иногда представляют в виде нелинейного четырехполюсника вследствие нелинейности характеристик входящих в него элементов.
Условное обозначение усилителей на схемах изображено на рис. 11.1, б. Напряжение входа uвх и напряжение выхода uвх измеряют относительно общего вывода. При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изображают только вход и выход (рис. 11.1, в), опуская выводы напряжения питания Un и общий вывод.
Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мощности, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к изменению мощности входного сигнала. Помимо коэффициента усиления по мощности вводят также коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по току.
Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и частотные. Амплитудная характеристика (рис. 11.2, а) – это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или действующего значения) входного синусоидального напряжения.
Пунктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Отклонение реальной характеристики от идеальной объясняется наличием шумов и нелинейностями характеристик усилительных элементов при слабых и больших входных сигналах.
Рис. 11.2. Характеристики электронного усилителя:
а – амплитудная; б – частотная.
Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение максимального значения входного напряжения к минимальному на линейном участке ab амплитудной характеристики (см. рис. 11.2, а):
.
Коэффициент усиления по напряжению на этом участке
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость коэффициента усиления, например, по напряжению Ku от частоты f входного сигнала, т. е. Ku (f) при .
Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат откладывают значения Ku в децибелах, а по оси абсцисс – частоты в логарифмическом масштабе, однако около делений записывают значения частот без логарифма (рис. 11.2, б).
Полоса пропускания усилителя определяет диапазон частот Df (или Dw), в пределах которого коэффициент усиления Ku (на средней частоте) не снижается ниже своего уровня, т. е. Df = fв - fн,где fв и fн – верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилителя.
Фазочастотная характеристика j (f) – это зависимость угла сдвига фаз j между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты (см. рис. 11.2, б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг j линейно зависит от частоты.
Входное и выходное сопротивления усилителя:
При сопротивлении нагрузки Rн выходная мощность