ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ Как 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 учетом
Eo -A? -A (?iEi + ?fEo),
откуда
Величину A?f, представляющую собой коэффициент обратной связи, делают намного большей, чем единица, так что получается рабочая формула
Eo /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).