Применение аналоговых микросхем Усилители на микросхемах В радиоэлектронике широкое применение нашли операционные усилители. Операционный усилитель имеет два входа и один выход. У него большое входное сопротивление, малое выходное сопротивление, большой коэффициент усиления постоянного напряжения. Рис. 1 Рис. 2 У идеального операционного усилителя входное сопротивление равно бесконечности, выходное сопротивление равно нулю, коэффициент усиления бесконечно велик, выходное напряжение равно нулю при одинаковых напряжениях на обоих входах. Операционные усилители питаются от двух одинаковых источников напряжения, имеющих общую точку. Один из входов операционного усилителя называется инвертирующим, а другой – неинвертирующим. Фаза сигнала на выходе усилителя совпадает с фазой сигнала на неинвертирующем входе и противоположна фазе сигнала на инвертирующем входе. На рисунке 1 приведена схема неинвертирующего усилителя на микросхеме К140УД7. На рисунке показаны цепи подключения источников питания. Резистором R5 устраняется напряжение смещения нуля. Коэффициент усиления усилителя с глубокой отрицательной обратной связью определяется звеном отрицательной обратной связи на резисторах R2, R3 и R4. Коэффициент усиления по напряжению можно определить по формуле К=(R2+R3+R4)/R2. Полоса пропускания усилителя зависит от коэффициента усиления и достигает максимального значения 50 кГц при минимальном для данной схемы коэффициенте усиления. Минимальный коэффициент усиления получается при сопротивлении резистора R4 равном нулю. На рисунке 2 приведена схема неинвертирующего усилителя на микросхеме К140УД1А. Коэффициент усиления усилителя определяется звеном обратной связи R2, R4 и равен К=(R2+R4)/R2. Резисторы R3 и R5 необходимы для устранения напряжения смещения нуля. Конденсатор С1 и резистор R6 корректируют амплитудно-частотную характеристику усилителя. Рис. 3 На рисунке 3 приведен пример использования микросхемы в усилителе для карманного радиоприемника. Потребляемый ток в режиме молчания ~ 5 мА. Коэффициент усиления по напряжению ~ 10 000. Рис. 4 В схемах на рис. 3 и 4 усиление напряжения производится операционным усилителем А1, а транзисторы используются для согласования высокого выходного сопротивления микросхемы с низким сопротивлением звуковой катушки громкоговорителя. Настройка данной схемы сводится к подбору при помощи R3 и R4 нужного коэффициента усиления. Данная схема имеет коэффициент усиления около 130 при выходной мощности 200 милливатт. Величина сопротивления резисторов R1, R2 может быть от 100 до 200 килоом, но она должна быть одинаковой. В качестве транзисторов можно использовать практически любую комплементарную пару, но обязательно - либо оба кремниевые, либо оба - германиевые. В качестве примера можно рекомендовать применение транзисторов типов КТ315+КТ361; КТ3107+КТ3102; МП38+МП41. Этот усилитель можно собрать на плате с размерами 20Х30 мм. Изменяя глубину ООС, легко регулировать коэффициент усиления ОУ. Это позволяет конструировать УНЧ с довольно глубокой АРУ по звуковому сигналу, что может быть полезно как в приемной части трансивера, так и в микрофонном усилителе. Схема УНЧ приемника с АРУ приведена на рис. 5,а. Первый каскад, собранный на малошумящем транзисторе VI, усиливает сигнал и задает смещение ( + 6 В) на неинвертирующий вход ОУ. К инвертирующему входу подключен делитель обратной связи, составленный из резистора R6 и сопротивления канала полевого транзистора V3. Цепочка стандартной коррекции R5C3 предотвращает самовозбуждение ОУ при введении ООС. Конденсатор С4 увеличивает ООС на высоких частотах и тем самым ограничивает полосу пропускания сверху. Нижние частоты ослабляются благодаря сравнительно небольшой емкости разделительно¬го конденсатора С5. При понижении частоты его емкостное сопротивление возрастает, опять увеличивая ООС и снижая усиление. Выходной каскад собран по схеме двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах различной проводимости V4,V5. Сигнал с выхода усили¬теля подается на разъем телефонов XI и на выпрямитель, собранный по схеме с удвоением напряжения на диодах V6,V7. Благодаря использованию кремниевых диодов с пороговым напряжением 0,5 В АРУ приобретает пороговые свойства и начинает действовать лишь при выходном напряжении более 1 В. Рис. 5. УНЧ на операционном усилителе с АРУ: a — схема; б — амплитудная характеристика Выпрямленное напряжение отрицательной полярности приложено к затвору регулирующего транзистора V3. При возрастании выходного сигнала этот транзистор запирается, отчего возрастает глубина ООС и усиление ОУ падает. Резисторно-диодная цепочка R4V2 уменьшает нелинейные искажения при сильном сигнале. У изготовленного образца УНЧ полоса пропускания при малом сигнале составила 400 Гц...5 кГц с максиму¬мом усиления на частотах около 2 кГц. Уровень шума, приведенный ко входу, не превосходил 0,5 мкВ. По мере возрастания уровня сигнала полоса пропускания расширяется, что несущественно, поскольку при этом отно-сительный уровень шума падает. Коэффициент усиления при малом сигнале превосходит 100 дБ (105 по напряжению). Амплитудная характеристика УНЧ показана на рис. 5,б. АРУ начинает работать при входном сигнале около 10 мкВ. Когда входной сигнал превосходит 10 мВ, регулирующий транзистор V3 запирается полностью, а усиление ОУ становится близким к единице. Поскольку дальнейшее регулирование невозможно, снова наблюдается рост выходного сигнала. Таким образом, диапазон регулирования составляет около 60 дБ. Полный же диа¬пазон входных сигналов УНЧ (от уровня шумов до на¬чала ограничения сигнала) достигает 90 дБ. Рис. 6 Принципиальная схема еще одного линейного усилителя приведена на рис. 6. Он собран на операционном усилителе К1УТ401А. При данных деталях, указанных на схеме, диапазон рабочих частот устройства — от 10 Гц до 70 кГц на уровне — 6 дБ и от 27 Гц до 20 кГц на уровне — 1 дБ. Входное сопротивление усилителя, определяемое в данном случае сопротивлением параллельно соединенных резисторов делителя напряжения R1R2, равно 100 кОм, коэффициент усиления — около 100, напряжение шумов на выходе (при коротком замыкании на входе) не превышает 6—7 мкВ. Верхняя граница диапазона рабочих частот зависит от емкости конденсатора СЗ, нижняя — от емкости конденсатора С2. Цепочка R5C4 служит для устранения самовозбуждения усилителя на высоких частотах. Для этого же предназначен и керамический конденсатор С5, припаиваемый при монтаже непосредственно к выводам 1 и 7 операционного усилителя MC1. При необходимости коэффициент усиления устройства можно изменить, увеличивая сопротивление резистора R3 (уменьшать его нельзя, так как в этом случае для сохранения нижней границы рабочего диапазона частот потребуется резкое увеличение емкости конденсатора С2 или изменяя сопротивление резистора R4. Вместо последнего можно включить частотно-корректирующую цепь, необходимо лишь помнить, что ее сопротивление постоянному току не должно превышать 1 МОм. На рис.7 приведена принципиальная схема низкочастотного усилителя с выходной мощностью около 6 Вт на нагрузке 3 Ом. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц не превышает 2 дБ. Максимальная чувствительность усилителя 200 мВ. Рис. 7. Схема усилителя НЧ с выходной мощностью до 6 Вт Особенностью усилителя, построенного по такой схеме, является то, что выходные транзисторы работают без начального напряжения смещения. Усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью с выхода на инвертирующий вход операционного усилителя. Налаживание усилителя сводится к подбору элементов корректирующей цепи, устраняющей самовозбуждение усилителя и определяющей амплитудно-частотную характеристику устройства. На практике лучше применять ОУ с Fc около 3 кГц, тогда без ОС получаются необходимая полоса и высокий коэффициент усиления. Кроме того, ОУ без ОС менее склонен к самовозбуждению. К подобным типам ОУ относятся, например, К140УД1 (К1УТ401) и К153УД1 (К1УТ531). (По материалам журнала "Радио" 1976 г.)