Усилители электрических сигналов. Классификация. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным входом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 10⁵ - 10⁶) и меньшими выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В). Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.

Символы "+" и "-" не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы "инвертирующий" и "неинвертирующий", а не вход "плюс" и вход "минус". На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда.

Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Входы операционного усилителя ток не потребляют.

13. Усилители постоянного тока, импульсные усилители.

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

Импульсные усилители. Учитывая, что кодовые последовательности, передаваемые по цифровым сетям связи, приводят к необходимости передачи импульсов, усилитель должен быть импульсным. Импульсы, передаваемые по сети, являются фактически импульсами лазерных диодов и имеют, как правило, симметричную гауссовскую форму. Импульсные усилители могут искажать форму этих импульсов, если ширина импульса t_и меньше времени жизни носителей заряда в полупроводнике t_н. Это искажение приводит к асимметрии импульсов - передний фронт становится круче, задний положе. Это явление проявляется тем больше, чем ближе коэффициент усиления к величине, соответствующей насыщению. Если в этих условиях передается последовательность коротких импульсов, соответствующая определенной структуре двоичной последовательности, то эта структура может искажаться. Если же t_и соизмеримо с t_н, то импульс может уширяться, и тем больше, чем ближе усиление к насыщению. Искажения формы импульсов может быть также обусловлено возникновением ФСМ и ФКМ.

При многоканальном усилении, имеющем место в системах с WDМ, может проявляться еще один вид искажений - комбинационные гармоники, возникающие из-за перекрестной модуляции (ПКМ) и четырехволнового смешения (ЧВС). ПКМ может проявляться либо в виде амплитудной кросс-модуляции (АКМ), которая приводит к симметричному уширению спектра импульса, либо в виде уже упоминавшейся ФКМ, которая приводит к асимметричному спектральному уширению импульса. Если, например, используются только две частоты f₁ и f₂, то как минимум при ПКМ возникают гармоники f₁+-f₂, а при ЧВС - гармоники 2f₁ - f₂ и 2f₂ - f₁. Наличие гармоник приводит не только к нелинейным искажениям, но и к тому, что насыщение происходит при меньшем уровне усиливаемого сигнала, а сам сигнал дополнительно случайно флуктуирует в зависимости от характера последовательности бит. Причем наибольшее влияние оказывает ЧВС.