1. Усилительный каскад с трансформаторным включением нагрузки

В случае использования низкоомной нагрузки применяются однотактные усилители мощности, выполненные по трансформаторной схеме (рис. 6.16).

Трансформатор T согласует низкое сопротивление нагрузочного резистора R_н с выходной цепью транзистора VT. Резисторы R₁ и R₂ обеспечивают режим работы по постоянному току, элементы R_э, С_э – звено ООС. Об этом подробно было описано в п. 6.3.1.

Расчет каскада производится графо-аналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному току (п.п. 6.3.1). Исходными данными при расчете являются выходная мощность Р_н и сопротивление нагрузки R_н.

Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется сопротивлением R´_н, приведенным к виткам первичной обмотки

,

(6.42)

где n = w₁/w₂ – коэффициент трансформации трансформатора.

Сопротивление по постоянному току в выходной цепи каскада относительно мало – оно определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, вследствие чего линия нагрузки каскада по постоянному току проводится из точки Е_к почти вертикально (рис. 6.17).

Выходная мощность коллекторной цепи транзистора, поступающая в первичную обмотку трансформатора Р_вых и мощность, отдаваемая в нагрузку Р_н, связаны между собой соотношением

,

(6.43)

где η_т – КПД трансформатора, η_т = 0,6…0,9.

В случае усиления синусоидального сигнала выходная мощность каскада

,

(6.44)

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току (Т₁Т₂) под углом, определяемым соотношением

.

(6.45)

При выборе типа транзистора его параметры должны удовлетворять следующими условиями:

;	(6.46)
;	(6.47)
.	(6.48)

По найденному значению тока коллектора покоя I_кп определяем ток базы покоя I_бп, а затем рассчитываются сопротивления входного делителя R₁, R₂:

;	(6.49)
.	(6.50)

2. Основные параметры усилителей мощности

Основными параметрами усилителей мощности являются:

• выходная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

• коэффициент полезного действия;

• уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Эти параметры существенно зависят от режима работы выходного каскада.

8. Операционные усилители

   1. Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, охваченный цепью ООС, определяющей основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций.

Название этих усилителей связано с их применением главным образом для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (алгебраическое сложение, вычитание, умножение на постоянный коэффициент, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование и др.).

Они применяются в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной формы, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т.д.

Операционный усилитель имеет интегральное исполнение (рис. 6.18) в виде микросхемы (ИМС) и выполнен по сложной схеме, в состав которой может входить нескольких десятков транзисторов и других элементов. В большинстве случаев нет необходимости знать их внутреннюю структуру – достаточно знания их основных характеристик и принципов работы.

Полное условное обозначение ОУ (рис. 6.19, а) в соответствии с ГОСТ 2.759-82 состоит из трех полей – основного (шириной не менее 10 мм) и двух дополнительных (не менее 5 мм), расположенных по обе стороны от основного. В основном поле указывается функция, которую выполняет усилитель ( ) и его характеристики (). Назначение выводов обозначается метками в дополнительных полях (+U, -U, , FC, NC). Иногда метки в упрощенном варианте обозначения ОУ опускаются (например, см. рис. 6.21). Буквенное обозначение ОУ на принципиальных схемах – DA.

До принятия ГОСТ 2.759-82 условное обозначение ОУ представляло собой равносторонний треугольник, подобное обозначение используется на зарубежных схемах (рис. 6.19, б, в).

Один из входов усилителя называется инвертирующим, а второй – неинвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введение в ОУ внешних ООС.

Питание ОУ осуществляется от двух источников +U₁ и –U₂ с одинаковым напряжением, образующих двуполярное питание. Источники питания имеют общую точку .

Выводы FС предназначены для коррекции АЧХ усилителя – к ним подключается корректирующая цепочка RC. Для установки выходного напряжения ОУ в нуль при отсутствии входных напряжений предназначены выводы NC – к ним подключают потенциометр.

ОУ является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами, т.е. выходное напряжение пропорционально разности (difference – разность, англ.) напряжений между его входами:

.

(6.51)

Термин «постоянного тока» означает, что ОУ усиливает сигнал частотой от 0 Гц. Верхняя частота усиливаемых сигналов зависит от многих факторов – частотных характеристик транзисторов, входящих в ОУ, коэффициента усиления и др.

ОУ имеет очень большое входное сопротивление – десятки-сотни МОм, т.е. ОУ на источник входного сигнала практически не оказывает влияние. Поэтому можно считать, что входной ток ОУ отсутствует – это первое правило анализа схем с ОУ.

Некоторые из основных параметров операционных усилителей:

• коэффициент усиления напряжения (~ от 100 до 100000);

• входное сопротивление R_вх;

• максимальное входное дифференциальное напряжение U_вх.д;

• выходное сопротивление R_вых;

• максимальное выходное напряжение U_вых.max;

• максимальный выходной ток I_вых.max;

• максимальный потребляемый ток ;

• напряжение питания U₁₍₂₎ (U₁₍₂₎ = 3…15 В);

• потребляемая мощность Р_потр;

• частота среза f_ср;

• граничная частота f_вп;

• полоса пропускания.

Основные характеристики OУ приведены на рис. 6.20.

Каждая из передаточных характеристик (рис. 6.20, а) состоит из горизонтальных и наклонного участков. Горизонтальные участки соответствуют режиму насыщения усилителя. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется напряжениями U ⁺_вых.max, U ^–_вых.max, которые близки к напряжению источников питания:

| U +вых.max | = | U –вых.max | ≈ (0,9…0,95)U1(2).

(6.52)

Наклонному (линейному) участку соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления k_U операционного усилителя.