По материалу и конструкции корпуса

§ металло-стеклянный

§ пластмассовый

§ керамический

]Прочие типы

§ Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью.^[1]

§ Биотранзистор

№ 7Обратная связь в усилителях напряжения и ее влияние на характеристики усилителя.

При построении устройств аналоговой схемотехники исключитель-но важное значение имеет применение обратной связи (ОС). Свойства усилителя в значительной степени определяются свойствами цепей обратной связи. С помощью усилителя, охваченного обратной связью, можно построить практически все устройства аналоговой обработки сигналов: активные фильтры, инвертирующие и не инвертирующие усилители, сумматоры, вычитатели, логарифмические преобразователи, генераторы, перемножители и другие.

Обратной связью называют процесс передачи сигнала из последующих цепей усилителя в предыдущие.

На рисунке 3.5.1 приведена упрощенная структурная схема усилителя с цепью обратной связи. Здесь в качестве цепи обратной связи используется пассивный четырёхполюсник с коэффициентом передачи

(3.5.1)

Рисунок 3.5.1 - Структурная схема усилителя с цепью обратной связи

В схеме рисунка 3.5.1: К – коэффициент усиления напряжения в усилителе без ОС; К_ВХ.Ц– коэффициент передачи напряжения сигнала во входной цепи усилителя без ОС; U_ОС – напряжение на выходе цепи ОС, подводимое по с выхода усилителя к источнику сигнала; β- коэффициент обратной связи (коэффициент передачи напряжения сигнала по цепи ОС с выхода до источника сигнала), определяемый по формуле (3.5.1). Поскольку цепь обратной связи является, как правило, пассивной, то модуль β не превышает единицы.

Замкнутый контур, образованный усилительным трактом и цепью ОС, называется петлей ОС. Коэффициент передачи по всей петле ОС называют петлевым усилением (или возвратным отношением)

(3.5.2)

где - сквозной коэффициент усилителя.

Системы с обратной связью различаются по следующим классификационным признакам:

1. По способу взаимодействия сигналов, поступающих от источника сигнала и по цепи ОС с выхода усилителя, обратная связь может быть: положительная; отрицательная; комплексная.

Поскольку при обратной связи во входной цепи взаимодействуют сигналы, поступающие от источника и с выхода цепи ОС, результирующее значение (U_{ВХ ОС}) будет зависеть от фазы напряжения на выходе цепи ОС (U_ОС) относительно фазы напряжения источника сигнала (рисунок 3.5.2).

Рисунок 3.5.2. Типы обратной связи по способу взаимодействия сигналов

Обратная связь называется положительной (ПОС), если сигнал обратной связи совпадает по фазе с сигналом источника при их взаимодействии на входе усилителя (= 0° ). При ПОС вектор напряжения ОС совпадает по направлению с вектором ЭДС источника сигнала, что приводит к увеличению результирующее напряжение на входе (U_{ВХ ОС}) и выходе схемы и к увеличению сквозного коэффициента усиления всей схемы

(3.5.3)

где величина - называется глубиной положительной ОС (или сквозной возвратной разностью).

Положительная обратная связь может использоваться при построении генераторов, так как при =1 выполняется баланс фаз и баланс амплитуд, что является условием самовозбуждения.

jЕсли сигналы обратной связи и источника находятся в противофазе (_Т=180°), ОС называют отрицательной (ООС). При ООС вектор напряжения ОС противоположен вектору ЭДС источника сигнала, что приводит к уменьшению результирующего напряжения U_ВХОСи уменьшению сквозного коэффициента усиления всей схемы. Действительно, коэффициент передачи с ООС

(3.5.4)

где – глубина отрицательной ОС (или сквозная возвратная разность), которая показывает, во сколько раз уменьшается сквозной коэффициент усиления при введении обратной связи. Поскольку при построении усилительных устройств применяют преимущественно ООС, то в дальнейшем величину , будем называть просто “глубина ООС”.

Тем не менее, несмотря на уменьшение сквозного коэффициента усиления, ООС приводит к улучшению большинства качественных показателей усилителей. Уменьшение же коэффициента усиления, вызываемого ООС, может быть скомпенсировано введением дополнительных предварительных каскадов усиления.

2. По конструктивным особенностям и способу организации различают ОС: внутреннюю; паразитную; внешнюю.

Внутренняя ОС возникает в усилительных элементах вследствие особенностей их физических свойств и конструкций.

Паразитная ОС, возникает вследствие емкостных, индуктивных и других паразитных связей между последующими и предыдущими цепями усилителя (например, по цепи питания, учитывая ненулевое внутреннее сопротивления источника питания по переменному току). Внутренние и паразитные обратные связи произвольно изменяют (как правило, ухудшая) показатели усилителя и снижают его устойчивость.

Внешняя (полезная или специально вводимая) ОС вводится в схему усилителя преднамеренно для улучшения или изменения его свойств и качественных показателей.

3. По числу охватываемых обратной связью каскадов усиления ОС может быть: местной; общей; однопетлевой; многопетлевой.

Если ОС охватывает один каскад, ее называют местной ОС, если она охватывает два или более каскадов усиления, ее называют общей ОС. Если усилитель имеет только одну (местную или общую) цепь ОС, она называется однопетлевой. При комбинации местных и общих цепей обратной связи, в том случае, когда эти цепи либо независимы друг от друга, либо полностью или частично перекрываются, ОС называют многопетлевой. На рисунке 3.5.3 показан усилитель с многопетлевой ОС, состоящей из цепи местной ОС (β₂) и цепи общей ОС (β_общ).

Рисунок 3.5.3. Пример многопетлевой обратной связи

4. По способам подключения цепи ОС к выходу (при снятии ОС) и входу (при подаче ОС) усилителя различают: параллельную ОС; последовательную ОС; комбинированную ОС.

Следует подчеркнуть, что способы снятия и подачи ОС могут быть независимыми и определяться выбором способа (простоты) реализации ОС для конкретной схемы и требованиями к свойствам усилителя, определяемым свойствами ОС. Таким образом, ОС может быть последовательной по способу снятия и параллельной по способу подачи; комбинированной по способу снятия и последовательной по способу подачи и так далее.

Таким образом, если напряжение ОС перестает подаваться на вход при обрыве источника сигнала, то в схеме – последовательная ОС. Если же оно перестает подаваться при коротком замыкании источника сигнала, то связи параллельная. Если напряжение ОС не исчезает ни при обрыве, ни при замыкании источника сигнала, то в схеме – комбинированная по входу ОС.

Характер влияния ОС на коэффициенты усиления определяется способом подачи на вход и не зависит от способа снятия с выхода усилителя.

Входное сопротивление устройства с последовательной по входу ООС окажется больше входного сопротивления самого усилителя. Физи-чески это очевидно из предыдущих рассуждений, поскольку при введе-нии последовательной по входу ООС и обеспечения Е_истОС = Е_ист*F* входное напряжение устройства возрастает, а входной ток остаётся прежним.

Таким образом:

последовательная по входу ООС: не изменяет коэффициент усиления по току устройства; уменьшает коэффициент усиления по напряжению устройства; увеличивает входное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при коротком замыкании со стороны входа.

параллельная по входу ООС:

не изменяет коэффициент усиления по напряжению устройства; уменьшает коэффициент усиления по току; одновременно уменьшает входное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при х.х. со стороны входа.

Поскольку характер влияния ОС на выходное сопротивление усилителя определяется способом снятия ОС с выхода усилителя и не зависит от способов подачи ее на вход, то это влияние может рассматриваться при любом (например, последовательном) способе подачи.

Таким образом,

последовательная по выходу ООС увеличивает выходное сопротивление устройства в сквозную глубину ОС, вычисленную при к.з. на выходе (Zн=0).

Следует подчеркнуть, что это увеличение выходного сопротивления происходит вследствие действия ООС, а не за счет пассивного влияния сопротивления ОС в выходной цепи усилителя, которое сводят к минимуму выбором очень малого сопротивления ОС.

При ООС по напряжению выходное напряжение сигнала устройства при изменении сопротивления нагрузки изменяется меньше, чем без ОС, что эквивалентно уменьшению выходного сопротивления устройства.

Комбинированная по выходу ООС объединяет в себе последовательную по выходу ООС (ООС по току) и параллельную по выходу ООС (ООС по напряжению).

ООС уменьшает напряжение собственных помех и нелинейные искажения в глубину обратной связи раз, независимо от способа снятия и подачи ОС. Физически это уменьшение происходит вследствие того, что возникающее в усилителе напряжение гармоники, фона (или другой собственной помехи) частично компенсируются напряжением гармоники, фона (или другой собственной помехи), которое с выхода устройства по петле ООС приходит к месту возникновения гармоники или собственной помехи с противоположным знаком.

ООС приближает АЧХ к идеальной, что достигается ценой снижения усилительных свойств устройства, которое обычно компен-сируется введением дополнительного каскада предварительного усиления. Наряду с частотной характеристикой частотнонезависимая ООС улучшает фазовую и переходную характеристики. Поэтому частотно-независимая ООС очень широко применяется в усилителях систем телекоммуникаций.

Частотнозависимая ООС широко используется для самых различных изменений частотных характеристик усилителей с целью корректирования (исправления) их в областях верхних, нижних и средних частот, а также для создания избирательных усилителей.

№ 8Операционный усилитель. Основные параметры. Базовые схемы включения.

Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая ИС, на выходе которой формируется напряжение , равное по величине усиленной разности между двумя входными напряжениями и . Идеальная передаточная характеристика ОУ (зависимость выходного напряжения от состояния входов) может быть представлена выражением

, (1.1)

где – коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

Большинство современных ОУ – полупроводниковые приборы, содержащие от десятков до сотен транзисторов. В первой половине 1960-х гг. широко применялись аналоговые вычислительные машины, в которых впервые использовались ОУ для выполнения различных математических операций: сложения, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования. Именно этим объясняется традиционное название этих приборов – «операционные усилители». С тех пор область применения ОУ значительно расширилась, в настоящее время они используются для решения множества задач, в частности, в системе автоматического управления современных электровозов с плавным регулированием напряжения.

Варианты схемного обозначения ОУ показаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Обозначения операционного усилителя

Выходное напряжение связано с двумя входными и соотношением (1.1). В идеале ОУ чувствителен только к разности двух входных напряжений , которая называется дифференциальным входным сигналом, и абсолютно не чувствителен к сигналу, подаваемому одновременно на оба входа ОУ. Последний называется синфазным сигналом и определяется формулой .

Степень усиления сигналов определяется коэффициентом усиления ОУ без обратной связи , который является безразмерной величиной и имеет достаточно высокие значения, лежащие в диапазоне от до . Если подать на вход «+» ОУ (рис. 1.2, а) напряжение (при = 0), то выходное напряжение будет равно усиленному неинвертированному входному сигналу , т. е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Если же подать на вход «–» напряжение (при = 0)
(рис. 1.2, б), то выходное напряжение равно усиленному инвертированному входному напряжению , т. е. входной и выходной сигналы противоположны по знаку. В связи с этим вход «+» ОУ называется неинвертирующим, а вход «–» – инвертирующим.

В операционный усилитель входит большое число транзисторов, поэтому для их питания ОУ должен подключаться к источнику постоянного тока. Схема подключения к источникам постоянного тока и показана на рис. 1.1. Большинство ОУ питаются от сдвоенного источника питания с положительной и отрицательной полярностью напряжения, подключаемым к специальным выводам ОУ. Эти напряжения одинаковы по величине и противоположны по знаку. Диапазон питающих напряжений обычно лежит в пределах от 5 до 18 В. Применение сдвоенного источника питания дает возможность изменять напряжение на входах ОУ таким образом, что оно может принимать значение как выше, так и ниже нулевого потенциала. Благодаря этому на выходе ОУ формируется двуполярный выходной сигнал .

Рис. 1.2. Обозначение входов ОУ: а – неинвертирующая схема включения;
б – инвертирующая

Существуют схемы питания ОУ от одного источника постоянного тока, однако при этом входное напряжение может изменяться только в одну сторону относительно нулевого потенциала, т. е. реализуется однополярное изменение напряжения на выходе ОУ.

Напряжение на выходе ОУ не может превышать напряжение любого из источников питания. Максимально возможное выходное напряжение примерно на 1 В меньше абсолютной величины питающего напряжения, а при низкоомной нагрузке диапазон изменения выходного напряжения становится еще меньше.

Идеальная передаточная характеристика ОУ показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Идеальная передаточная характеристика ОУ

На передаточной характеристике можно выделить линейную область (область усиления) ав, где в соответствии с формулой (1.1) выполняется пропорциональная зависимость между дифференциальным входным и выходным напряжениями. Область ав сверху и снизу ограничена областями насыщения, где выходное напряжение ограничено напряжением питания и не реагирует на изменение входного дифференциального напряжения. Поскольку величина коэффициента усиления имеет достаточно высокие значения, диапазон изменения входного дифференциального напряжения весьма ограничен и может быть
определен в соответствии с формулой (1.1) выражением

. (1.2)

Если напряжение питания ОУ составляет, например, 10 В, то при
=10⁵÷10⁶ величина находится в диапазоне 20÷200 мкВ. Следовательно, для того чтобы сигнал на выходе ОУ был равен усиленному значению напряжения на входе, амплитуда входного напряжения должна быть достаточно малой. В противном случае ОУ попадает в область насыщения и выходное напряжение не повторяет входного, форма выходного сигнала будет ограничена напряжением питания, т. е. сильно искажена.