Усилители постоянного тока (УПТ)

При усилении сигналов постоянного тока между каскадами имеется непосредственная связь, как показано на рис, 2.11, Напряжение на базу транзистора VI2 напрямую подается с коллектора транзистора VT1. Поэтому статический режим (в отсутствие сигнала) транзистора VT2 опреде­ляется статическим режимом предыдущего каскада. Отсутствие между ними разделительного конденсатора позволяет усиливать самые низкочастотные сигналы.

Недостатком УПТ является то, что они подвержены так называемому дрейфу, представляющему собой сдвиг рабочей точки при изменении температуры. Для его устранения в схему включается термисторы (термосопротивления) или другие температурно-чувствительные элементы, как показано на рис. 2.11.

До сих пор рассматривались усилители, реализованные на дискретных компонентах - транзисторах, резисторах, конденсаторах и т.п. Однако все дискретные компоненты могут быть объединены в ИС. Именно так производятся операционные усилители (ОУ). Идеальный ОУ - это усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления, бесконечно широкой полосой пропускания и совершенно плоской АЧХ, бесконечно большим входным сопротивлением, нулевым выходным сопротивлением и полным отсутствием дрейфа нуля. На практике его коэффициент усиления превышает 50000.

Рис. 2.11 Усилитель постоянного тока

На рис. 2.12, а показано обобщенное условное обозначение ОУ. Он имеет два входа: инвертирующий (обозначаемый кружком или знаком -) - при поступлении сигнала на него выходной сигнал находится в противофазе с входным, и неинвертирующей (иногда обозначаемый знаком +) - при поступлении сигнала на этот вход фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного.

На рис. 2.12, б показано применение ОУ в качестве инвертирующего усилителя. Для получения необходимого коэффициента усиления ОУ вводится очень глубокая отрицательная обратная связь через резистор R2. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя можно рассчитать по формуле К_ус=-R2/R1. Отрицательный знак указывает на инвертирование входного сигнала при его усилении.

Суммирующий усилитель (рис 2.12, в) вырабатывает выходное напряжение, величина которого пропорциональна сумме входных напряжений. Для первого входного напряжения коэффициент усиления К_ус1=-R3/R1, а для второго К_ус2=-R3/R2.

Если ОУ охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (рис, 2.12, г) и имеет результирующий коэффициент усиления, равный 1, то такой усилитель называется повторителем напряжения. Его сигналы на входе и выходе совпадают по фазе.

Рис. 2.12. Операционный усилитель: а - обобщенное условное обозначение; б - инвертирующий усилитель;

в - суммирующий усилитель; г - повторитель напряжения; д - неинвертирующий усилитель; е - интегратор; ж - дифференциальный усилитель

Если сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ (рис. 2.12, д), то коэффициент усиления неинвертирующего усилителя Кус=(R2+R3)/R3=1+R2/R3.

На рис. 2.12, е показано использование ОУ в качестве интегратора. В этом случае функцию элемента обратной связи выполняет конденсатор С1. При подаче на вход перепада напряжения (ступеньки) от логического нуля к логической единице выходной сигнал нарастает от нулевого значения с постоянной скоростью и имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала. Скорость изменения выходного напряжения определяется постоянной времени цепи R1С1 и величиной входного сигнала и равна U1/R1C1, В/с, где U1 - входное напряжение, В. Отрицательный знак указывает на инвертирование сигнала.

Дифференциальный усилитель, построенный на ОУ (рис. 2.12, ж), вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный разности входных сигналов U1 и U2. При R1 = R2 получаем Uвых=(U1-U2)R4/R1. Отрицательный знак по-прежнему указывает на инвертирование сигнала.