Выпускная квалификационная работа Усилитель мощности система аварийного оповещения (стр. 3 )

Операционные усилители

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного напряжения, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он используется в качестве отдельного элемента схемы или библиотечного элемента для создания интегральных микросхем более высокой степени интеграции. В принципе нет никакой разницы между обычным и операционным усилителями: оба применяются для усиления напряжений или токов. Но если свойства обыкновенного усилителя задаются его внутренним устройством, то операционный усилитель рассчитывается таким образом, чтобы его функции преимущественно определялись цепями внешней обратной связи. Для этого операционные усилители выполняются с большим коэффициентом усиления и связью по постоянному напряжению. Во избежание дополнительных мер для установки рабочей точки входной и выходной потенциалы задают равными нулю, поэтому операционному усилителю обычно требуется два источника питания – положительного и отрицательного напряжений. Подобные усилители, собранные на дискретных элементах (электронных лампах или транзисторах), применялись раньше исключительно в аналоговых вычислительных устройствах и для выполнения таких математических операций, как сложение и интегрирование. Отсюда и произошло само название операционных усилителей.

Общие сведения

Разнообразные операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем, мало отличаясь по размерам и стоимости от дискретных транзисторов. Благодаря во многом идеальным свойствам операционных усилителей, применямых значительно проще, чем дискретные транзисторы. Привлекательность классического ОУ связана его высокими параметрами на низких частотах. Однако первые операционные усилители были слишком инерционны, поэтому вскоре появились варианты с модифицированной архитектурой, обладающие хорошими высокочастотными характеристиками, так что к настоящему времени практически не осталось направлений, где бы дискретные транзисторы имели преимущества перед ОУ. В этой главе их внутреннее устройство рассматривается только для того, чтобы пояснить свойства интегральной схемы. Собственно внутренняя схема на транзисторном уровне интересна лишь как основа создания интегральных усилителей.

Схемное обозначение операционного усилителя приведено на рис. 2.

У него имеется два входа – инвертирующий и неинвертирующий – и один выход.

Рис. 2. Выводы операционного усилителя

Типы операционных усилителей

Существует четыре типа операционных усилителей (рис. 3). Они различаются высоко - и низкоомными входами и выходами. Неинвертирующий вход у всех четырех типов является  высокоомным.

Рис. 3. Схемные символы и передаточные функции четырех операционных усилителей

1.4 Режимы работы усилительных элементов

Рассмотрим классификацию усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

Усилители класса А

Рабочая точка каскада, которая функционируют в режиме работы класса А, лежит на линейном фрагменте проходной динамической характеристики. Для этого необходимо организовать смещение, то есть подачу на вход каскада небольшой постоянной составляющей напряжения, для чего обычно используют делитель напряжения источника питания. Амплитуда входного сигнала меньше, чем величина смещающего напряжения. Угол отсечки составляет 180 градусов, то есть постоянный ток через активный усилительный компонент каскада протекает в течении длительности всего периода. Если сигнал на вход каскада класса А не подан, то место, через которое проходит линия нагрузочной прямой и требуемая ветвь выходной статической характеристики, носит название рабочей точки покоя. В связи с тем, что амплитуда переменной составляющей тока выходного сигнала меньше постоянной составляющей тока этого сигнала, то КПД каскада не велик (≤ 50 %).

К достоинствам класса А нужно отнести появление минимальных, относительно остальных классов усиления, нелинейных искажений, ввиду нахождения рабочей точки в линейной области.

Рисунок 4. Динамическая характеристика усиления в режиме А.

Рисунок 5. Мощный выходной каскад, работающий в режиме А.

Усилители класса В

Напряжение смещение каскада, функционирующего в режиме класса В выбирают таким, чтобы рабочая точка покоя находилась около нуля в начале координат, а ток, потребляемый каскадом в отсутствии сигнала, был незначительным. Угол отсечки составляет 90 градусов. КПД каскада довольно высок (70 – 80 %), так как в режиме B ток протекает через транзистор лишь полпериода и появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Рисунок 6. Динамическая характеристика усиления в режиме В.

Важным недостатком режима класса В выступают большие нелинейные искажения, что ограничивает область применения это режима оконечными двухтактными усилителями мощностями.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелиней­ные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирую­щий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для создания на выходе сигнала, аналогичного по форме со входным сигналом, необходимо использовать двухтактную схему.

Рисунок 7. Мощный выходной двухтактный каскад, работающий в режиме В.

Усилители класса АВ

Рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются и через них протекает некоторый ток покоя (каскад перейдёт в режим А). Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но при этом существенно уменьшаются нелинейные искажения. Если уровень сигнала превысит определённый порог, то будет осуществлён переход работы в класс В. Класс AB является наиболее экономичным для усилителей НЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала.

КПД усилительного каскада класса АВ обычно составляет 45 – 70 %.

Класс АВ используют в основном в двухтактных схемах, при этом базы биполярных транзисторов разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение напряжения, при котором в них протекает ток покоя.

Рисунок 8. Динамическая характеристика усиления в режиме АВ.

Рисунок 9. Мощный выходной двухтактный каскад, работающий в режиме АВ.

Полупроводниковые электронные приборы

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый элемент с тремя выводами, которые называют базой (B), эмиттером (E) и коллектором (C). Различают дискретные транзисторы, предназначенные для монтажа на платах и заключенные в собственный корпус, и интегральные транзисторы, которые изготавливаются совместно с другими полупроводниковыми элементами на общей полупроводниковой подложке. Интегральные транзисторы снабжаются четвертым выводом. Он называется подложкой (S) и играет второстепенную роль в функционировании транзистора. Диодные эквивалентные схемы. Биполярные транзисторы эквивалентны паре диодов с p_n переходами, включенными последовательно навстречу один другому. На рис. 10 показаны условные графические обозначения и диодные эквивалентные схемы n_p_n транзистора с общей p областью и p_n_p транзистора с общей n областью. Хотя диодные эквивалентные схемы транзисторов не способны отражать их

функционирование, они дают представление о режиме работы транзистора и показывают, что его тип (n_p_n или p_n_p) и вывод базы можно определить с помощью пробника; гораздо труднее различать коллектор и эмиттер из за симметричности структуры.

Рисунок.10. Условные графические обозначения и диодные эквивалентные схемы: a – n_p_n транзистор; б – p_n_p транзистор

Режимы работы.

Биполярные транзисторы используются для усиления и коммутации сигналов и обычно работают в активном режиме, когда на переход база эмиттер (BE) подается прямое напряжение, а на переход база–коллектор (ВС) –обратное. В некоторых типах схем переход BC в течение определенного времени может иметь прямое смещение; в таком случае говорят о режиме (или области) насыщения. Инверсный режим реализуется при взаимной замене эмиттера и коллектора, но его достоинства проявляются лишь в исключительных ситуациях. В режиме отсечки оба перехода заперты. Полярность напряжений и токов транзисторов n_p_n и p_n_p в активном режиме показана на рис. 11.

Рисунок 11. Напряжения и токи в активном режиме: a – n_p_n транзистор; б - p_n_p транзистор.

Свойства биполярных транзисторов

Свойства биполярного транзистора наглядно представляются в виде графиков функций (характеристик), показывающих взаимозависимость токов и напряжений транзистора в статике, когда все величины медленно меняются или постоянны во времени. Для расчетов свойств биполярных транзисторов требуются дополнительные уравнения, достаточно строго описывающие их поведение. Уравнения значительно упрощаются, если ограничиться практически важным активным режимом и пренебречь вторичными эффектами. Напротив, их необходимо учитывать при проверке функциональных возможностей какой-либо схемы путем компьютерного моделирования. Существуют также сложные модели, способные строго описывать динамические свойства транзистора, когда на него действует синусоидальный или импульсный сигнал. Эти модели анализируются в разделе 2.3 и не нужны для понимания основных закономерностей. Далее речь пойдет главным образом о n_p_n транзисторе; напряжения и токи p_n_p транзистора имеют противоположные знаки.