Для того чтобы транзистор усиливал сигнал, необходимо «облепить» его другими радиодеталями. Возможно, придётся дополнить полупроводниковыми компонентами разной или одинаковой структуры. В итоге можно получить отдельный усилитель с 1 или несколькими каскадами. Это понадобилось при создании первых компьютеров, которые изначально работали в аналоговом режиме. Но с переходом на цифровую обработку сигналов потребовалось использование компараторов напряжения (КН).
В итоге, были разработаны компактные операционные усилители (ОУ), выполненные: сперва на отдельных модулях, затем на микросборках. Позже все они штамповались, как и делаются доселе, на интегральных компонентах.
Что такое операционный усилители и компаратор
Сразу хочу ответить на вопрос: чем отличается КН от ОУ? Чаще всего — ничем, но может отличаться. КН может быть самим ОУ, собранным по определённой схеме. Впрочем, его можно сделать и на дискретных компонентах, а вот ОУ — это уже отдельная электронная радиодеталь. Её аналог также можно выполнить на транзисторах с резисторами и конденсаторами. Но зачем? ОУ более компактные, поэтому и компараторы лучше делать на них.
Не на всяком предварительном усилителе можно построить компаратор, поэтому изначально ОУ проектировались такими, чтобы тех можно было построить на этих. Итак, не будем ходить вокруг да около, но рассмотрим, что такое:
· Компаратор напряжения — это электронный каскад, который сравнивает 2 напряжения, а результирующим выходом является высокий потенциал, если значение напряжения на прямом входе больше, чем на инвертирующем и низкий при их отрицательной разнице.
· Операционный усилитель — это электронное аналоговое устройство, которое имеет прямой и инверсный входы. На выходе будет результат, в котором разница между прямым и инверсным входом умножается на коэффициент усиления.
Для работы ОУ с разнополярными (переменными) сигналами они имеют двухполярное питание (см. рисунок ниже, части а и б). Если же ОУ питать однопалярным напряжением, то сигналы на входах должны быть той же полярности, что и питание. Иначе потенциалы противоположной разности не будет усиливаться/сравниваться, но будет отсекаться (см. часть в). При этом напряжение, поданное на второй вход, будет точкой перехода фазы (серединой) усиленного переменного сигнала.
Если входной сигнал больше пороговых значений, который в усилителях с большим коэффициентом усиления очень малые, то выходной сигнал, приближенный к 0 или выходному напряжению будет сильно искажаться. По сути, он перестанет нормально усиливаться вообще. На излучателях усиленного таким образом звука это будет выражаться бульканьем. Поэтому, для усиления аналоговых сигналов задействуется топология с отрицательной обратной связью (ООС).
Из приведённых выше схем видно, что они работают как КН, если их коэффициент усиления очень высокий. С помощью резисторов образован делитель напряжения, которое будет сравниваться с входным. Интересные результаты получатся, если выход соединить с инверсным входом. В этом случае всё усиленное должно быть вычтено (!) На практике получится повторитель напряжения.
Но кто-то скажет: -Зачем это? Повторитель напряжения не вносит его падения сопротивлением своей нагрузки. Т.е. подключаемая нагрузка к выходу ОУ уже никак не влияет на коэффициент деления резисторами. Только вот само входное сопротивление ОУ оказывает влияние. Поэтому, если оно большое, то сигнал без искажений может сниматься в высокооммных нагрузок.
А что будет, если прямой вход соединить с выходом ОУ или КН? Ничего не получится. Работать такое устройство не будет, станет неуправляемым, на выходе будет полный 0. Положительная обратная связь (ПОС) увеличивает гистерезис, превращая устройство в триггер с устойчивым выходом логического 0. Но, если ослабить ПОС, то получим стабильно работающий КН. Для усиления аналоговых сигналов такое устройство применить не получится. Но вот задействовать его в качестве аналогово-цифрового преобразователя — как раз.
Для усиления аналогового сигнала с минимальными искажениями характера переменной составляющей применяют глубокую ООС. На прямой вход подают смещение, равное половине питающего напряжения, а сам сигнал на вход подают через разделительный конденсатор. Но, и на выходе нужен конденсатор, который нейтрализует связь по постоянному напряжению, в случае подключения его к другим элементам схемы.
Ниже представлена принципиальная схема микрофонного усилителя с регулятором звука R1 на входе. Впрочем, его можно поставить на выходе, тогда действие помех будет минимальным. В этой топологии глубокая ООС реализована по постоянному напряжению резистором R4. По переменному сигналу она поступает через делитель R4, R5 благодаря конденсатору C4. Таким образом получается компактный усилитель с высоким коэффициентом усиления.
Его можно использовать во многих поделках, где требуется значительное усиление звука. Единственное, что нагрузка ограничена параметрами ОУ. Однако на наушники этот предусилитель можно попробовать. Если стерео, то придётся слепит 2 таких канала. Для этого можно задействовать микросхему TL072, которая содержит 2 встроенных ОУ. Существуют счетверённые интегральные ОУ, ниже есть распиновка обоих этих микросхем.