Студопедия


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram

II.2. Принцип работы усилителя




Глава II. Принципы построения усилительных схем

I.2. Классификация усилителей.

Классификацию усилителей осуществляют:

· по назначению;

· по характеру усиливаемых сигналов;

· по полосе усиливаемых частот;

· по типу используемых усилительных элементов.

По назначению различают:

· усилители напряжения;

· усилители тока;

· усилители мощности.

По характеру усиливаемых сигналов различают:

· усилители гармонических сигналов;

· усилители импульсных сигналов.

По полосе усиливаемых частот различают:

· усилители постоянного тока (точнее, усилители медленно изменяющихся напряжений и токов), усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах Df = 0 ¸ fВ, где fВ – верхняя граничная частота полосы усиления;

· усилители переменного тока, усиливающие только переменные составляющие сигнала в полосе частот Df = fН ¸ fB, где fН – нижняя граничная частота полосы усиления.

В свою очередь, усилители переменного тока делят на:

· усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления первичных (непреобразованных) электрических колебаний, несущих передаваемую и принимаемую информацию. К этому классу усилителей относят также усилители звуковых частот (УЗЧ), усиливающие электрические сигналы в полосе частот, воспринимаемых человеческим ухом.

· усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний модулированной высокой частоты (например, радиосигналов, принимаемых приёмной антенной радиоприёмного устройства). Иногда из этого класса усилителей особо выделяют усилители промежуточной частоты (УПЧ), предназначенные для усиления электрических сигналов модулированной промежуточной (преобразованной) частоты, применяемой в радиоприёмных устройствах супергетеродинного типа. Такое разделение можно считать условным, т.к. главное, что объединяет эти усилители, ¾ это отношение высшей рабочей частоты к низшей (обычно fВ / fН £ 1,1) и подробно рассматриваются в курсе «Радиоприёмные устройства».

· избирательные (селективные) усилители, предназначенные для усиления электрических колебаний в очень узкой полосе частот, усиление которых резко падает за пределами этой полосы. Избирательные усилители подразделяют на резонансные, частотная характеристика которых имеет вид резонансной кривой, и полосовые, усиление которых почти постоянно в относительно узкой полосе частот и резко падает за её пределами.

· широкополосные усилители, предназначенные для усиления электрических сигналов с очень широким спектром усиливаемых частот (fВ может достигать нескольких десятков ГГц, а fН – может быть меньше сотен Гц). Такие усилители часто называют видеоусилителями, т.к. столь широкий спектр усиливаемых частот характерен для импульсных сигналов (видеосигналов).




По типу используемых усилительных элементов различают:

· ламповые усилители;

· транзисторные усилители;

· параметрические усилители;

· молекулярные усилители;

· усилители, построенные на усилительных элементах других типов.

I.3. Основные технические показатели усилителей.

Данные, характеризующие свойства усилителя, называются его показателями.

К основным показателям усилителя относятся:

· входные и выходные данные;

· коэффициент усиления;

· коэффициент полезного действия (КПД);

· частотные характеристики (амплитудно-частотная и фазо-частотная);

· переходная характеристика;

· амплитудная характеристика и динамический диапазон;

· нелинейные искажения.

В некоторых случаях приводятся и другие данные усилителя (габариты, вес, надёжность, стабильность работы и т.п.). Эти параметры, в зависимости от условий работы усилителя, иногда становятся определяющими. Однако часто они не имеют особого значения, поэтому здесь мы их рассматривать не будем.

Входные и выходные данные.

Входными данными усилителя являются: его входное напряжение (UВХ), входной ток (IВХ) и входная мощность сигнала (PВХ), при которых усилитель отдаёт в нагрузку заданную мощность, ток или напряжение, а также входное сопротивление усилителя (ZВх). Входное сопротивление усилителя в общем случае является комплексной величиной, но входные данные обычно определяют в условиях, при которых входное сопротивление можно считать чисто активным и равным RВХ; в этом случае:



UВХ = IВХ × RВХ;

RВХ = UВХ / IВХ; } ……………………………….. (1.1)

PВХ = UВХ ×IВХ.

К выходным данным относятся: расчётная, т.е. заданная техническими требованиями, мощность сигнала (РНАГР), отдаваемая усилителем в нагрузку и называемая выходной мощностью усилителя; выходное напряжение сигнала (UВЫХ) или выходной ток сигнала (IВЫХ), отдаваемые усилителем при работе его на расчётное сопротивление нагрузки (ZНАГР), а также выходное сопротивление усилителя (ZВЫХ).

Сопротивление нагрузки в общем случае является комплексной величиной, однако выходную мощность, ток и напряжение также обычно определяют в условиях, при которых нагрузку можно считать активной и равной RНАГР;

в этом случае:

UВЫХ = IВЫХ×RНАГР;

PВЫХ = IВЫХ ×UВЫХ = I2ВЫХ ×RНАГР = U2ВЫХ / RНАГР ……….. (1.2)

Выходное сопротивление усилителя в общем случае также комплексно, однако оно редко является существенным показателем, а поэтому обычно не указывается.

Коэффициенты усиления.

Различают следующие коэффициенты усиления:

1. По напряжению: К= UВЫХ / UВХ. Обычно коэффициент усиления по напряжению называют просто коэффициентом усиления усилителя (К) и обозначают без индекса.

2. По току: КI = IВЫХ / IВХ.

3. По мощности: КР = РВЫХ / РВХ

Коэффициенты усиления по напряжению и по току являются комплексными величинами, т.к. выходное напряжение и ток из-за наличия в нагрузке и цепях усилителя реактивных составляющих сопротивления сдвинуты по фазе относительно входных значений напряжения и тока.

Для многокаскадного усилителя, содержащего n каскадов, общий коэффициент усиления определяется выражением

КS = К1 × К2 × К× ……. × Кn ……………….. (1.3)

Чаще наиболее удобным является представление коэффициента усиления в логарифмических единицах (децибелах), для чего пользуются соотношениями:

К(дб) = 20lgK; КI(дб) = 20lgKI ; KP(дб) = 10lgKР …… (1.4)

При этом коэффициент усиления многокаскадного усилителя в логарифмических единицах будет иметь выражение:

КS(дб) = К1 + К2 + К3 + ……. + Кn …….. (1.5)

Коэффициент полезного действия.

Для оценки экономичности работы мощных усилителей используют понятие коэффициента полезного действия (h), равного отношению отдаваемой усилителем в нагрузку мощности сигнала РНАГР к суммарной мощности РS, потребляемой им от всех источников питания:

h = РНАГР / РS …………………. (1,6)

Частотные характеристики.

Так как коэффициент усиления усилителя при изменении частоты изменяется как по модулю, так и по фазе, отдельные гармонические составляющие сложного электрического сигнала, подаваемого на вход усилителя, усиливаются неодинаково и сдвигаются на различное время; обе эти причины приводят к изменению формы выходного сигнала. Изменения формы сигнала, вызываемые неодинаковым усилением различных частот, называют частотными искажениями; искажения формы, вызываемые сдвигом фазы, вносимым усилителем, называют фазовыми искажениями. Как частотные, так и фазовые искажения обусловлены линейными элементами схемы усилителя, т.е. элементами, подчиняющимися закону Ома; поэтому их называют линейными искажениями.

Оценку вносимых усилителем частотных искажений производят по его амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), представляющей собой зависимость модуля коэффициента усиления (К) от частоты при постоянной амплитуде сигнала на входе усилителя, т. е.

К = f (F) при UВХ = Const, где F – частота сигнала на входе усилителя.

АЧХ усилителя имеет вид, показанный на рис.1.1.

Рис.1.1. Частотная характеристика усилителя

Оценку частотных искажений, вносимых усилителем на любой частоте, производят с помощью коэффициента частотных искажений, обозначаемого через «М» и равного отношению коэффициента усиления усилителя на средней частоте к коэффициенту усиления на низшей (или высшей) частоте спектра усиливаемого сигнала:

МН = КСР / КН ;

МВ = КСР / КВ …………….. (1.7)

Чем больше величина М отличается от единицы, тем больше вносимые усилителем искажения. При М =1 частотные искажения в усилителе отсутствуют.

Коэффициент частотных искажений часто выражают в логарифмических единицах, при этом используется соотношение:

М (дБ) = 20 lgM ……………….. (1.8)

Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя и может изменяться в широких пределах. Например, для усилителей звуковых частот радиоаппаратуры среднего качества допускают частотные искажения порядка ± (2 ¸ 4) дБ, почти незаметные на слух; для высококачественных усилителей, используемых в измерительной аппаратуре, допустимые искажения определяются необходимой точностью аппаратуры и могут составлять доли децибела.

Оценку фазовых искажений, вносимых усилителем, производят по его фазо-частотной (фазовой) характеристике, представляющей зависимость угла сдвига фазы j между выходным и входным напряжениями от частоты, построенной в линейном масштабе по обеим осям. Для удобства оценки фазовых искажений фазовую характеристику усилителя строят отдельно для нижних и верхних частот (рис.1.2а,б).

Рис.1.2. Фазовые характеристики и оценка фазовых искажений на частотах:

а – нижних; б – верхних.

По вертикальной оси здесь откладывают угол сдвига фазы j между выходным и входным напряжениями в градусах, а по горизонтальной – частоту f в герцах или круговую частоту w.

Идеальной фазовой характеристикой усилителя, при которой он не вносит фазовых искажений, является прямая, проходящая под любым углом через начало координат, так как при этом все гармонические составляющие сложного сигнала сдвигаются усилителем на одно и то же время, и форма выходного сигнала не отличается от формы входного. Поэтому вносимые усилителем на какой-либо произвольно выбранной частоте fi фазовые искажения оценивают не по абсолютному значению угла сдвига фазы j, а по разности ординат фазовой характеристики и касательной к ней, проведённой через начало координат (штриховые прямые на рис.1.2). В области верхних частот фазовые искажения ФВ обычно оказываются много меньше угла сдвига фазы на этих частотах jВ (см. рис.1.2б); в области же нижних частот касательная к фазовой характеристике вследствие сильного растяжения масштаба горизонтальной оси практически сливается с горизонтальной осью, и фазовые искажения ФН равны углу сдвига фазы jН (рис.1.2а). Искажения сигнала из-за изменения фазовых соотношений между гармоническими составляющими на выходе усилителя иллюстрируются на рис.1.3.

Рис.1.3. К вопросу о фазовых искажениях.

На рис.1.3а, сплошной линией изображён входной сигнал, состоящий из синусоидального колебания и его третьей гармоники (третья гармоника изображена пунктиром). Если, например, при прохождении через усилитель первая и третья гармоника сдвигаются по фазе на 90º , то форма выходного сигнала (рис.1.3б, сплошная линия) будет резко отличаться от формы входного. Если же основное колебание (т.е. первая гармоника) сдвинется на 90º, а его третья гармоника - на 90 x 3 = 270º, т.е. сдвиг фазы будет пропорционален частоте (рис.1.3в), выходной сигнал по форме не отличается от входного, лишь запаздывая по времени по отношению к нему.

Исследования показали, что сдвиг фазы гармонических составляющих сложного периодического сигнала на слух практически не ощущается, несмотря на то, что при этом искажается его форма; поэтому в усилителях звуковых частот фазовые искажения обычно не ограничивают. В видеоусилителях телевизионных, радиолокационных сигналов и измерительных устройств (осциллографов и т.п.) фазовые искажения приводят к сильным отличиям изображения на экране от действительной формы электрического колебания. Например, сдвиг фазы основной гармоники сложного колебания на (7 – 10)° заметно искажает его форму. Поэтому для высококачественных усилителей в области нижних частот допускаются фазовые искажения не более (3 – 5)°. Фазовые искажения в области верхних частот меньше отражаются на форме изображения и даже в высококачественных усилителях допускаются до (20 – 30)°. Вследствие связи фазовой характеристики усилителя с его частотной характеристикой даже при проектировании видеоусилителей редко пользуются фазовой характеристикой, т.к. заданием АЧХ определённого вида обычно удаётся удержать фазовые искажения в допустимых пределах.

Переходная характеристика.

В импульсных усилителях (видеоусилителях) линейные искажения усиливаемых сигналов обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные сопротивления. Поэтому частотные и фазовые характеристики, определяющие свойства усилителя в установившемся режиме, здесь непригодны. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных усилителях переходными искажениями, используют переходную характеристику, представляющую собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения (тока) сигнала от времени при мгновенном (скачкообразном) изменении напряжения (тока) во входной цепи усилителя. Подробно рассматривать этот вид искажений здесь мы не будем.

Амплитудная характеристика и динамический диапазон.

Амплитудной характеристикой усилителя называют зависимость амплитуды (или действующего значения) напряжения сигнала на выходе от амплитуды (или действующего значения) напряжения сигнала на входе (рис.1.4).

Рис.1.4. Амплитудная характеристика усилителя

Так как коэффициент усиления идеального усилителя представляет собой постоянную величину, не зависящую от величины входного сигнала, его амплитудная характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя (рис.1.4, пунктир). Амплитудная характеристика реального усилителя (рис.1.4, сплошная линия) не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке UШ, так как при отсутствии входного сигнала выходное напряжение усилителя равно напряжению собственных шумов в его выходной цепи UШ. При слишком больших входных напряжениях реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной, изгибаясь вследствие перегрузки нелинейных усилительных элементов, содержащихся в схеме усилителя, в основном потому, что амплитуда сигнала на последнем (выходном) УЭ при этом выходит за пределы рабочего участка его характеристик.

Из рис.1.4 видно, что реальный усилитель может усиливать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже UВХ.МИН., т.к. более слабые сигналы будут маскироваться напряжением собственных шумов усилителя UШ, и не выше UВХ.МАКС., т.к. иначе усилитель будет работать в нелинейном режиме и поэтому вносить очень большие нелинейные искажения. Отношение UВХ.МАКС. / UВХ.МИН. характеризует диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данным усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя:

ДУ = UВХ.МАКС. / UВХ.МИН.; ДУ(ДБ) = 20 lgДУ ………… (1.9)

В большинстве случаев напряжение сигнала, подводимое ко входу усилителя не является постоянной величиной, а изменяется от наибольшего значения UСИГН.МАКС. до наименьшего UСИГН.МИН.. Отношение наибольшего напряжения к наименьшему характеризует рабочий диапазон напряжений данного источника сигнала и называется динамическим диапазоном сигнала:

ДС = UСИГН.МАКС. / UСИГН.МИН.; ДС(ДБ) = 20 lgДС ………. (1.10)

Чтобы усилитель мог усиливать весь диапазон напряжений источника сигнала, динамический диапазон усилителя должен быть больше или равен динамическому диапазону сигнала, т.е. ДУ ³ ДС. Если это требование удовлетворить не удаётся, то для усиления с допустимыми искажениями и помехами сигналов, поступающих на усилитель, динамический диапазон сигнала сжимают при помощи регулировки усиления автоматической (АРУ) или ручной (РРУ).

Нелинейные искажения.

Нелинейными искажениями сигнала называют изменения его формы, вызываемые нелинейными элементами, входящими в схему усилителя. Основными причинами появления в усилителе нелинейных искажений являются:

1. Нелинейность характеристик УЭ (транзисторов, электронных ламп и др.)

2. Нелинейность характеристики намагничивания магнитных материалов сердечников трансформаторов и дросселей усилителя (если они присутствуют в схеме).

На рис.1.5а показано, как нелинейность входной характеристики транзистора при подведении к его входу гармонического сигнала UВХ. приводит к нелинейным искажениям формы входного тока.

Рис.1.5. Возникновение нелинейных искажений вследствие:

а – нелинейности входной характеристики транзистора;

б – нелинейности коэффициента усиления тока транзистора.

Так как выходной ток транзистора (ток коллектора) в первом приближении пропорционален входному току (току базы), нелинейные искажения последнего передаются в выходную цепь.

Снижение коэффициента усиления тока при больших амплитудах подводимого к транзистору сигнала приводит к тому, что даже при чисто синусоидальной форме входного тока выходной ток оказывается несинусоидальным, и, следовательно, содержит нелинейные искажения, возникающие уже в выходной цепи. Это иллюстрируется рис.1.5б, из которого видно, что при синусоидальной форме входного тока у выходного тока сплющивается верхушка положительной полуволны, а не нижней, как имеет место при нелинейных искажениях, вносимых входной цепью (рис.1.5а). В результате при подаче на транзистор сигналов большой амплитуды вершина отрицательного полупериода выходного тока притупляется от криволинейности начала входной характеристики, а вершина положительного – от сближения выходных характеристик при больших токах.

Чем больше вносимые усилителем нелинейные искажения, тем сильнее отличается от синусоиды форма выходного сигнала при подаче во входную цепь гармонической ЭДС и тем больше относительная величина высших гармоник в выходном сигнале. Поэтому нелинейные искажения в усилителях можно оценивать коэффициентом гармоник КГ, представляющим собой отношение действующего значения появившихся в выходном сигнале высших гармоник тока или напряжения к действующему значению тока или напряжения первой гармоники при подаче на вход усилителя синусоидальной ЭДС и при активном сопротивлении нагрузки, не зависящем от частоты:

……………..…… (1.11)

где U1, U2, U3 и т.д. – действующие или амплитудные значения соответственно первой, второй, третьей и т.д. гармоник выходного напряжения;

I1, I2, I3 и т.д. – действующие или амплитудные значения соответственно первой, второй, третьей и т.д. гармоник выходного тока.

При расчётах иногда используют коэффициенты второй гармоники КГ2, третьей КГ3 и т.д., равные:

КГ2 = U2 / U1; КГ3 = U3 / U1; KГ4 = U4 / U1 ……… (1.12).

Отсюда видно, что

КГ = Ö КГ22 + КГ3+ КГ4+ …………………….. (1.13).

Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. В усилителях высококачественного усиления речи и музыки допускают КГ @ (0,1¸1)% ; в усилителях среднего качества – до (5 ¸ 8)%.

(Для усилителей импульсных сигналов оценка нелинейности по искажениям синусоидального сигнала при помощи коэффициента гармоник не показательна, и для них используют другие методы).

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение коэффициенту усиления усилителя по напряжению, току и мощности. Единицы измерения коэффициентов усиления.

2. Дайте определение видам искажений и объясните причины их появления.

3. Как связаны между собой частотные и фазовые искажения усилителя?

4. Причины появления нелинейных искажений в усилителях. Единицы измерения нелинейных искажений.

5. Дайте определение амплитудной характеристике усилителя и объясните график амплитудной характеристики.

6. Дайте определение динамического диапазона усилителя и объясните его связь с амплитудной характеристикой.

7. Дайте определение амплитудно-частотной характеристике усилителя и объясните график АЧХ.

Задачи и упражнения:

1. Определить коэффициент усиления второго каскада двухкаскадного усилителя, имеющего коэффициент усиления 1000, если коэффициент усиления первого каскада равен 40 дБ.

2. Напряжение на входе усилителя UВХ. = 3 мВ, напряжение на выходе UВЫХ.= 150 В. Определить коэффициент усиления и выразить его в децибелах.

3. Определить, скольким децибелам соответствует усиления коэффициент усиления по напряжению равен 75?

4. Определить коэффициент усиления 3-каскадного усилителя НЧ и выразить его в децибелах, если коэффициент усиления первого каскада равен 30, второго каскада – 40 и третьего каскада – 20.

5. Определить коэффициент усиления первого каскада двухкаскадного усилителя, имеющего коэффициент усиления 66 дБ, если коэффициент усиления второго каскада равен 40.

6. Требуется получить от усилителя коэффициент усиления 2000. Оконечный каскад даёт усиление 6 дБ, а каждый из каскадов предварительного усиления даёт по 30 дБ. Определить число каскадов данного усилителя.

7. УНЧ, нагруженный активным сопротивлением 500 Ом, развивает на выходе напряжение 30 В при подводимой мощности 10 –3 Вт. Определить коэффициент усиления по мощности в дБ.

8. Коэффициент усиления УНЧ на нижних, средних и верхних частотах спектра равен соответственно 24, 30 и 40. Определить коэффициент частотных искажений в дБ.

9. УНЧ имеет частотные искажения на нижней и верхней частотах спектра, равные соответственно 3 дБ и – 2 дБ. Определить коэффициенты усиления на нижней и верхней частотах, если усиление на средней частоте равно 55.

II.1. Блок-схема и принципиальная схема усилителя.

Обычно усиление, даваемое одним каскадом, оказывается недостаточным, а поэтому усилитель собирают из нескольких каскадов, передавая усиленный сигнал от предыдущего каскада к следующему.

Для упрощённого и наглядного изображения схем электронных устройств, в том числе и усилительных схем, часто используют блок-схему, называемую также функциональной или структурной схемой, на которой прямоугольниками с надписями показывают основные части (узлы) устройства (рис.2.1).

Рис.2.1. Блок-схема усилителя.

Такими частями являются:

· входное устройство;

· предварительный усилитель;

· мощный усилитель;

· выходное устройство.

Входное устройство.

Входное устройство служит:

· для разделения (развязки) по постоянной составляющей тока или напряжения источника сигнала с входной цепью первого каскада усилителя;

· для симметрирования входной цепи усилителя;

· для согласования входного сопротивления усилителя с выходным сопротивлением источника сигнала;

· для повышения напряжения сигнала на входе первого каскада.

Симметрированием цепи называют превращение её из несимметричной, имеющей один заземлённый провод, в симметричную, оба провода которой не заземлены и несут равные и противоположные по отношению к земле напряжения сигнала. Симметрирование позволяет сильно уменьшить влияние на цепь посторонних источников помех.

Согласованием двух соединяемых цепей называют приведение входного сопротивления одной цепи к равенству выходному сопротивлению другой. Согласование устраняет отражение сигнала в месте соединения цепей, могущее вызвать появление частотных, фазовых и переходных искажений, а также позволяет получить наибольшее напряжение сигнала на входе усилителя. При возможности непосредственного включения источника сигнала во входную цепь усилителя входное устройство не применяют. Некоторые схемы входных устройств показаны на рис.2.2.

а) б)

в)

Рис.2.2. Схемы входных устройств:

а – для отделения постоянной составляющей; б– то же с регулятором

усиления; в – для согласования сопротивлений и симметрирования.

Предварительный усилитель.

Предварительный усилитель служит для усиления напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи на вход мощного усилителя. Предварительный усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов, количество которых определяется необходимым усилением. Если источник сигнала даёт достаточную для подачи на вход мощного усилителя мощность сигнала, то предварительный усилитель в составе устройства не нужен.

Мощный усилитель.

Мощный усилитель предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности усиленного сигнала. Усилители большой мощности иногда имеют несколько каскадов мощного усиления. Если нагрузкой усилителя является небольшая ёмкость (например, ёмкость модулятор-катод кинескопа, или ёмкость между отклоняющими пластинами осциллографической трубки и т.п.), то на нагрузке требуется обеспечить лишь напряжение сигнала определённой величины, а не заданную выходную мощность; в этом случае мощный усилитель не нужен, и последний каскад усилителя будет каскадом предварительного усиления.

Выходное устройство.

Выходное устройство служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи последнего усилительного каскада в нагрузку и применяется тогда, когда непосредственное подключение нагрузки к выходной цепи невозможно или нецелесообразно. Выходное устройство применяют:

· для разделения (развязки) по постоянному току или напряжению выходной цепи последнего каскада усиления и нагрузки;

· для симметрирования выходной цепи;

· при необходимости - для согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки.

На принципиальной схеме усилителя, называемой также электрической схемой, показывают все электрические детали, входящие в усилитель, и соединения между ними. На этой схеме часто указывают основные электрические данные компонентов (сопротивление и допустимую мощность резисторов, ёмкость и максимально допустимое напряжение конденсаторов и т.д.). Иногда радиокомпоненты на принципиальной схеме снабжают только номерами, а полная информация о них приводится в прилагаемой спецификации.

Усиление электрических колебаний в радиоэлектронных устройствах осуществляется с помощью электронных ламп и транзисторов. Здесь важно понять, почему лампа или транзистор могут усиливать.

Принцип усиления поясняет схема на рис.2.3.

Рис. 2.3. Принцип усиления электрических сигналов.

Последовательно с источником питания с напряжением Епит включены два сопротивления: постоянное сопротивление нагрузки RН и изменяемое сопротивление R~. Роль изменяемого сопротивления играет транзистор или лампа, которые под воздействием управляющего напряжения (в лампе или полевом транзисторе) или тока (в биполярном транзисторе), подводимого к входу усилителя, изменяют своё внутреннее сопротивление постоянному току. Изменение внутреннего сопротивления может осуществляться в очень широких пределах практически без затраты энергии или при очень малой её трате. В то же время мощность, выделяющаяся в нагрузке, может быть значительной. Чтобы выходное напряжение было похожим по форме на входное, требуется плавное изменение внутреннего сопротивления лампы или транзистора, т.е. необходим так называемый усилительный режим их работы.

Рассмотрим принцип работы резистивного усилителя на транзисторе с общим эмиттером, применяя метод графического анализа процессов и используя статические характеристики транзистора. Схема усилителя изображена на рис.2.4.

Рис. 2.4. Графический анализ работы транзисторного усилителя.

1. Обратимся к семейству статических коллекторных характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (ОЭ), где параметром является ток базы iБ. При iБ = const ток коллектора является функцией только коллекторного напряжения:

IК = f(UКЭ) ……… (2.1).

В реальных условиях, т.е. при наличии нагрузки в цепи коллектора, изменение коллекторного тока приводит к изменению коллекторного напряжения, причём çUКç = çЕКç- IК × RК, откуда следует

½ЕК½ - ½UК½

IК = ¾¾¾¾¾¾ ……… (2.2).

RК

Выражение (2.2) представляет собой уравнение прямой линии в отрезках на осях в системе координат UК, IК. Проанализируем это уравнение.

· при IК = 0 ½UК½ = ½ЕК½, что соответствует режиму холостого хода;

½ЕК½

· при UК = 0 IК = ¾¾¾,

RK

что соответствует режиму короткого замыкания.

Значения ЕК и UK взяты по абсолютной величине, потому что рассуждения справедливы для транзисторов любой структуры.

Соединив точки, отложенные на осях координат, получим прямую, называемую нагрузочной прямой постоянного тока.

В выражениях (2.1) и (2.2) ток IК и напряжение UК имеют одинаковое значение, поэтому эти выражения можно рассматривать как систему двух уравнений с двумя неизвестными: IК и UК. Уравнение (2.1) выражено графически, а уравнение (2.2) – задано аналитически. Решение этой системы уравнений проще выполнить графическим способом, т.е. найти точку пересечения нагрузочной прямой с коллекторной статической характеристикой, соответствующей току iБ, протекающему в цепи базы. Назовём эту точку изображающей точкой (М). При отсутствии сигнала на входе усилителя изображающая точка определяет положение рабочей точки (Р.Т.) на пересечении нагрузочной прямой со статической выходной характеристикой транзистора при определённом токе базы и называется точкой покоя (М). Её координаты определяют ток коллектора покоя (IКП и напряжение коллектора покоя (UКП ) и связаны уравнением:

½UКП½ = ½ЕК½– IКП×RK ………………… (2.3).

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме (с подключённым входным сигналом и нагрузкой) используют нагрузочную прямую переменного тока (динамическую линию нагрузки). Для этого определяют сопротивление нагрузки переменному току, которое определяется параллельно включёнными сопротивлением в цепи коллектора (RК) и сопротивлением нагрузки (RН), на которую работает данный усилительный каскад:

RК ×RН

R~= ¾¾¾¾ …………………… (2.4).

RК + RН

Подробнее об этом в разделе «IV. Работа усилительного элемента в схеме».

2. Обратимся теперь к входным характеристикам транзистора. При отсутствии сигнала на входе в цепи базы действует только напряжение смещения ЕБП, соответствующее состоянию покоя транзистора. При этом в цепи базы будет протекать ток базы покоя (IБП ).

Динамической входной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения на базе в схеме с ОЭ при действии входного сигнала и наличии сопротивления нагрузки в цепи коллектора (RK). Обратим внимание, что напряжение на коллекторе при наличии нагрузки не будет величиной постоянной. Это следует из выражения (2.2).

Динамическая входная характеристика транзистора может быть построена по его динамической выходной характеристике. Однако особенности работы транзистора позволяют сделать вывод, что его динамическая входная характеристика практически совпадает со статической. Поэтому определение входных данных транзисторного каскада без большой погрешности производят по статической характеристике. На рис.2.5 показано семейство входных статических характеристик для схемы с ОЭ.

Рис.2.5. Семейство входных статических характеристик транзистора.

Видно, что при изменении напряжения на коллекторе в довольно больших пределах (0,2 ¸ 10) В, т.е. во всём рабочем диапазоне коллекторных напряжений, входная характеристика изменяется очень мало, что характерно для большинства маломощных транзисторов. Поэтому для расчёта транзисторных усилительных каскадов используют справочные данные входных статических характеристик для значений напряжения на коллекторе ½UК½> 0.

3. Выбрав на входной динамической характеристике точку, находящуюся приблизительно на середине относительно прямолинейного участка, можно определить, какой величине тока базы IБП соответствует точка покоя М0 и соответствующее этой величине напряжение смещения на базе ЕБП.

При линейном режиме работы, т.е. при усилении сигнала без искажений, максимальная амплитуда ЭДС источника входного сигнала е = Еm× Sin wt не должна превышать половины значения прямолинейного участка входной характеристики. Изменение положения изображающей точки на входной характеристике при действии сигнала на входе будет происходить в пределах отрезка АВ.

Зная величину базового тока покоя IБП, можно найти рабочую точку на семействе выходных характеристик, соответствующую состоянию покоя транзистора. Она лежит на пересечении нагрузочной прямой со статической коллекторной характеристикой, соответствующей базовому току IБП.

Изменение базового тока по закону входного напряжения обусловливает соответствующее перемещение изображающей точки М0 в системе координат UK, IK выходных характеристик по нагрузочной прямой также в пределах отрезка АВ и соответствующее изменение коллекторного тока IK и коллекторного напряжения UK.. Переменная составляющая напряжения на коллекторе представляет собой усиленное выходное напряжение.

Из графического анализа работы усилителя можно сделать следующие выводы:

1. При линейном усилении двухполярного сигнала, например, синусоиды, рабочая точка М0 (точка покоя) выбирается на середине прямолинейного участка входной характеристики транзистора;

2. При усилении сигнала появляются постоянные составляющие токов в цепи базы и коллектора;

3. В усилителе с ОЭ фаза выходного напряжения противоположна фазе входного напряжения.

4. Весьма малые изменения тока базы во входной цепи приводят к сильному изменению тока коллектора. В этом проявляется эффект усиления электрического сигнала.

Путём изменения тока покоя базы IБП, называемого током смещения, можно смещать рабочую точку по нагрузочной прямой в ту или иную область коллекторных характеристик, меняя тем самым режим работы усилителя.

Управлять током коллектора с помощью изменения тока базы можно только в пределах 0 £ IБ £ IБН (где IБН – ток насыщения базы), т.е. когда изображающая точка (М) находится на участке NC нагрузочной прямой (см. рис. «Графический анализ»). Соответствующий этим условиям режим работы транзистора называется активным. В точке С ток через транзистор не проходит, и этот режим называется режимом отсечки. В точке N рабочая точка достигнет линии критического режима транзистора. Дальнейшее увеличение базового тока не вызывает увеличения тока коллектора; транзистор, как говорят, находится в режиме насыщения. В режиме насыщения напряжение на коллекторе и на базе составляет сотые доли вольта. На этом основании при анализе процессов в импульсных устройствах на транзисторах удобно с небольшой погрешностью принимать насыщенный транзистор за короткозамкнутую цепь.

В схеме усилителя с ОЭ входными являются: переменные составляющие базового тока IБ~ = IВХ и базового напряжения UБ~ = UВХ, а выходными – переменная составляющая коллекторного тока IК~ = IВЫХ. и коллекторного напряжения UК~ = UВЫХ. Поэтому коэффициенты усиления по току и напряжению определяются соотношениями

К= IВЫХ./ IВХ; КU = К = UВЫХ / UВХ …………. (2.4).





Дата добавления: 2014-02-02; просмотров: 6741; Опубликованный материал нарушает авторские права? | Защита персональных данных | ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9172 - | 7246 - или читать все...

Читайте также:

 

100.26.182.28 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.


Генерация страницы за: 0.033 сек.