ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ: АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ: АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКАК статье ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫКак уже отмечалось, аналоговые электронные схемы - это такие схемы, в которых сигналы могут существовать в непрерывном диапазоне величин и каждая из них одинаково значима. Из буквально тысяч электронных схем одно из первых и все еще наиболее важных мест принадлежит усилителю. Усилитель обеспечивает увеличение и достоверное воспроизведение подаваемого на его вход сигнала. Значительная часть информации, с которой работают инженеры и ученые, имеет вид малых изменений электрических величин или может быть представлена ими. Для работы с такой информацией обычно нужно увеличить эти малые изменения до уровней, более соответствующих требованиям оборудования, используемого для их анализа. Так, например, существование электрической активности мозга было известно в течение многих лет, однако электроэнцефалография стала быстро продвигаться вперед лишь после того, как появились электронные усилители.Усилители можно классифицировать разными способами. В качестве основы для классификации часто используют диапазон частот сигналов, в котором усилитель способен работать. При таком подходе выделяют усилители с непосредственной связью, которые имеют полезный диапазон частот от нуля до примерно 100 Гц и могут усиливать постоянные токи; звуковые усилители, полезный диапазон которых от 15 до 15 000 Гц (диапазон слышимых человеком сигналов); радиочастотные усилители, рабочий диапазон которых располагается выше звукового диапазона. Участок от 150 кГц до 1,5 МГц можно назвать диапазоном АМ-вещания. Термин "видеоусилители", первоначально относившийся к усилителям видеосигналов, теперь обычно используют для усилителей, работающих на частотах от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц. Многие усилители характеризуются непосредственно тем частотным диапазоном, который они перекрывают, - например, усилитель на полосу частот от 10 до 100 МГц. Возможна классификация по названию конкретного применения данного прибора - например, ЭКГ-усилитель, т.е. электрокардиографический усилитель, или же по какой-либо важной особенности прибора - например, усилитель постоянного тока с очень малым дрейфом.Хотя профессиональным разработчикам схем часто приходится работать со специализированными (штучными) изделиями, чтобы оптимизировать те или иные их параметры, большинство конструкций аналоговых усилителей реализуется на гораздо более высоком уровне с использованием одного из самых важных "строительных блоков" электроники - операционного усилителя - в сочетании с важной концепцией обратной связи. См. также АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ; ЗВУКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ЗАПИСЬ.В течение многих лет операционные усилители применялись в таких системах, где себестоимость имела второстепенное значение. Лишь в конце 1970-х годов операционные усилители на интегральных схемах стали продаваться по доступным ценам. Эти усилители нашли широкое применение, и большинство разработчиков стали обращаться к схемам на дискретных компонентах только для таких специальных применений, где требовалось сочетание высокой частоты и высокой мощности.Операционный усилитель представляет собой многокаскадный транзисторный усилитель со специальными характеристиками. Основными из них являются частотная характеристика, достигающая 0 Гц (т.е. постоянного тока), и достаточно большой коэффициент усиления в полосе частот, представляющей интерес. К числу важных параметров таких усилителей относятся низкие величины смещения постоянной составляющей и дрейфа, высокие значения входного и низкие - выходного сопротивлений. Операционные усилители, как правило, предназначаются для применений в схемах с обратной связью.Транзисторы подвержены старению, их характеристики ухудшаются также под воздействием экстремальных температур, изменений напряжения питания и других факторов. Все факторы такого рода вызывают изменения параметров схем, построенных на транзисторах. Для улучшения и стабилизации основных параметров рассматриваемых схем, в частности их коэффициента усиления, используют довольно общий метод, который называется отрицательной обратной связью. В простейшем усилителе входной сигнал по сути служит командой, на которую этот усилитель реагирует. Если же взять выборку выходного сигнала усилителя и сложить ее с выборкой входного сигнала (или вычесть из нее), а полученный результат подать на вход в качестве управляющего сигнала, на который усилитель будет реагировать, то это и будет означать, что в систему введена обратная связь. Операционный усилитель оптимизирован именно для таких применений. См. также СЕРВОМЕХАНИЗМ.Принцип обратной связи схематически показан на рис. 4; нередко такую схему называют системой с одноконтурной обратной связью. Величина А на рис. 4 - это отношение выходного напряжения усилителя к его входному напряжению, т.е. обычный коэффициент усиления. Величины ?i и ?f представляют соответственно доли входного и выходного напряжений, которые суммируются в схеме сложения. Общий коэффициент усиления такой схемы Aобщ получается с учетомEo = -A? = -A (?iEi + ?fEo),откудаВеличину A?f, представляющую собой коэффициент обратной связи, делают намного большей, чем единица, так что получается рабочая формулаEo /Ei = - ?i/?f.Отсюда следует, что при большом по величине коэффициенте усиления в контуре обратной связи (и отрицательном по знаку для стабильности) результирующий (полный) коэффициент усиления определяется отношением ?i/?f. Цепи, определяющие величины ?, обычно выполняются на таких пассивных компонентах, как резисторы, которые могут быть сделаны предельно стабильными. Полный коэффициент усиления такой схемы остается неизменным, даже если параметры транзисторов, используемых в активном усилителе, претерпевают изменения. В дополнение к стабилизации коэффициента усиления использование отрицательной обратной связи приносит и ряд других желательных результатов, в том числе уменьшение искажений, источником которых может быть сам активный усилитель.Различные блоки, представленные на принципиальной схеме рис. 4, несложно реализовать на практике. На рис. 5 поясняется, как это делается. (Отметим, что треугольником обычно пользуются для обозначения операционного усилителя.) Приведенные на рис. 5 соотношения справедливы, если входное сопротивление имеет большую величину, а выходной импеданс - малую.Приведенная здесь принципиальная схема существует на практике в сотнях вариантов, так как основные ее компоненты R1 и R2 могут заменяться сложными трехвыводными комбинациями пассивных схемных компонентов и(или) активных устройств. Поведение этих схем можно прогнозировать, пользуясь т.н. "золотыми правилами" проектирования при условии, что схема работает стабильно в пределах токов и напряжений, задаваемых операционным усилителем. Эти правила таковы: усилитель как таковой не потребляет тока на своих входах (вследствие высокого входного сопротивления), а напряжение на входе усилителя (? на рис. 5) практически равно нулю (вследствие используемой конфигурации обратной связи).