Электроника. Раздел3

Электронные усилители.

Общие понятия и определения.

Электронные усилители представляют собой радиотехнические устройства, усиливающие Р,U и I электрического сигнала, подводимого к его входу.

Делятся следующим образом:

1. в зависимости от диапазона рабочих частот: усилители постоянного тока (УПТ), низких частот (УНЧ), широкополосные радио- и промежуточных частот.

2. по схемному построению: однокаскадные и многокаскадные.

УПТ усиливают электрические сигналы постоянного тока и все виды переменного некоторой заданной рабочей частоты. Применяются в устройствах электрической связи, счетно- решающих и других устройствах.

УНЧ усиливают электрические сигналы звуковой частоты, занимающие полосу частот 20 –20000 Гц. Применяются в громкоговорящей связи, воспроизведении музыки и речи, в киноустановках и т.д.

Широкополосные в полосе частот 50Гц – 6 МГц, в радиолокации, телевидении, автоматике и вычислительной технике.

Для усиления сигналов в узкой полосе частот в качестве нагрузки используются резонансные контуры и другие устройства, обладающие способностью выделять полосу частот. Применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках.

В зависимости от назначения входных и выходных устройств усилитель может иметь один каскад усиления, либо несколько для получения больших выходных мощностей.

Основной составной частью любого усилителя являются транзисторы, включенные с цепь при помощи различных схем подключения

а) с общим эмиттером; б) с общей базой в) с общим коллектором

(ОЭ) (ОБ) (ОК)

Е_с – источник электрического сигнала;

Е_б – батарея смещения;

Е_к,э – источники коллекторного (базового, эмиттерного) напряжения;

R_с – внутреннее сопротивление источника сигнала;

R_н – сопротивление нагрузки.

В схеме с ОЭ входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера транзистора. Последовательно с Е_с включается батарея смещения. Выходной сигнал снимается с участка коллектор-эмиттер. Во время положительного периода уменьшаются токи эмиттера и коллектора. Падение напряжения на нагрузке также уменьшается. Одновременно U_кэ становится более отрицательным и потенциал коллектора уменьшается. Поэтому фаза выходного U в схеме изменяется на π(180⁰) по сравнению с фазой U_вх.

Аналогично работают схемы с ОБ и ОК (эмиттерный повторитель).

В схеме с ОБ выходной ток коллектора является составной частью тока эмиттера I_вх, который и создает падение напряжения U на R. В схеме с ОК входной сигнал подается на участок база-эмиттер; выходной – с сопротивления, включенного между

эмиттером и корпусом. Здесь фазы входных и выходных сигналов совпадают.

Каждый из трех схем имеют свои достоинства и недостатки, которые обуславливают их применение. Наиболее часто применяются схемы включения транзисторов с общим эмиттером. Для согласования усилительных каскадов с разными сопротивлениями входа и выхода применяются схемы с общим коллектором.

Основные технические показатели усилителей электрических сигналов.

Основные технические параметры усилителей: коэффициенты усиления по току k_i, напряжению k_u и по мощности k_p; ширина полосы пропускания ΔF , чувствительность, выходная мощность P_вых, искажения, вносимые усилителем.

Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

Коэффициенте усиления находятся следующим образом:

-по току

• по напряжению

• по мощности

Если усилитель имеет несколько каскадов усиления с коэффициентами усиления k₁, k₂, k₃,… k_п, то общий коэффициент усиления схемы находится как

k = k_{1 *} k_{2 *} k_{3 *}… k_п,

В реальном усилителе сигналы разных частот усиливаются по-разному. Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала называют частотной характеристикой

K_ср - максимальный коэффициент усиления;

∆F = F_в – F_н - ширина полосы пропускания

верхняя нижняя

граница граница

Искажения могут быть частотными, амплитудными и фазовыми.

А) частотные оцениваются коэффициентом частотных искажений, которые являются отношением коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на определяемой частоте.

Коэффициент частотных искажений на верхнем и нижнем пределах частот одинаков и равен

М_В = М_Н = 1,41

Если усилитель имеет несколько каскадов усиления и известны частотные искажения в каждом каскаде, то коэффициент всего усилителя определяется следующим образом

М = М₁ * М₂ * М₃ * …* М_Н

Б) Для определения амплитудных искажений необходимо знать, что такое чувствительность. Чувствительность – это минимальный сигнал, подаваемый на вход усилителя, при котором на выходе создается выходное номинальное напряжение (мощность).

Выходное номинальное напряжение (мощность) – это наибольшее выходное номинальное напряжение (мощность), при котором искажения не превышают значений, оговоренных в технической документации. Зависимость выходного напряжения от входного при неизменной частоте сигнала называется амплитудной характеристикой.

Здесь имеются три участка: нижний изгиб – собственные шумы усилителя,

Верхний изгиб – искажения, за счет синусоидальности тока, участок АВ – линейный, т.к. искажения здесь минимальны. Это рабочий участок.

Оба изгиба являются амплитудным искажением, возникающий при появлении новых колебаний (высшие гармоники). Степень нелинейности искажений оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений:

, где

- сумма электрических мощностей, выделяемая на нагрузке 2, 3 и т.д. гармониками.

Для многокаскадных усилителей общая величина определяется как:

= ₁+ ₂+…+ _п, где

- коэффициенты нелинейных искажений первого, второго и т.д. каскадов.

В) Фазовые искажения возникают из-за наличия в усилителе реактивных элементов. Для разных частот сдвиги фаз на реактивных элементах не одинаковы. Эти искажения не улавливаются человеческим ухом, поэтому в УНЧ не учитываются. В других усилителях с этим явлением необходимо бороться, т.к. выходной сигнал очень меняется. Их не будет в том случае, если сдвиг фаз между входным и выходным напряжением остается постоянным для всех частот или изменяется пропорционально частоте.

Входное сопротивление – сопротивление между входными зажимами усилителя для электрического сигнала

Выходное сопротивление

Зная R_вх, можно легко определить и оптимальное внутреннее сопротивление возбудителя, при котором будут обеспечены максимальная передача мощности сигнала на вход транзистора и шунтирующее воздействие усилителя на возбудитель.

Зная R_вых, определяется оптимальное сопротивление нагрузки R с номинальной мощностью при допустимых искажениях.

Принцип действия усилителя низкой частоты на транзисторах

При U_вх= 0 на выходе напряжение U также рано 0 (режим покоя). C₁ и C₂ отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующих каскадов. При работе транзистора ток коллектора не должен превышать максимально допустимый. Транзистор работает при некотором определенном напряжении U между коллектором и эмиттером

U_кэ= E_к - I_к R_к

И является рабочим для данного транзистора. Во избежании искажений (

Данная схема называется схемой с фиксированным током базы I_б. Здесь

E_k = U_бэ +R_б I_б

_,

Здесь U_{бэ к}, поэтому им пренебрегают, при этом сопротивление базы очень велико, поэтому данная схема применяется достаточно редко.

Наиболее часто применяется схема с фиксированным напряжением смещения на базе.

Напряжение смещения снимается с резистора, входящего на делитель напряжения R_1, R₂. Ток здесь выбирается достаточно большим и значительно меньше I_б в режиме покоя. Значения резисторов определяются следующим образом

, , I_д=(2-5)I_б

Резисторы R_1, R₂ подключаются параллельно, поэтому данный делитель имеет большое сопротивление и удовлетворяет условию:

R_вх

Температурная стабилизация режима работы транзисторов

Температура окружающей среды и разброс параметров транзисторов приводит к различным видам искажений. Для стабилизации тока коллектора часто применяется обратная связь по постоянному току или напряжению. Если ток коллектора увеличивается, увеличится падение напряжения U на резисторе R_к, что приведет к снижению U_кэ и соответственно к снижению U_кб. Ток базы уменьшится.

Часть напряжения усиленного сигнала через резистор смещения R_б поступает на базу – вход транзистора в противофазе с выходным напряжением сигнала. Поэтому здесь действует, так называемая, отрицательная обратная связь по напряжению. Это коллекторная стабилизация.

Данная схема более эффективна. Стабилизация по постоянному току происходит при помощи делителя напряжения R_1, R₂ и R_э .

Напряжение, управляющее током, состоит из двух встречно-параллельных: прямое фиксированное U_R2 , снимаемое с R₂ , и U_Rэ от тока эмиттера I_э. При увеличении температуры, увеличивается I_к, следовательно, увеличивается падение U на R_э от I_э. Напряжение U_R2 остается постоянным. Напряжение между базой и эмиттером U_бэ уменьшается. Это вызывает уменьшение токов базы и коллектора. К резистору R_э подключается параллельно С_э большой емкости, величина которого выбирается с условием

R_э

Это позволяет избежать применения отрицательной обратной связи.

Рабочую характеристику транзистора можно стабилизировать, используя терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом, включенным в базовую цепь транзистора.

Межкаскадные связи.

Для получения усиленного сигнала достаточно большого значения применяются многокаскадные усилители. Для передачи сигнала с одного на другой каскад используются следующие элементы межкаскадных связей: резистивно-емкостные (наиболее часто), непосредственные (гальванические, трансформаторные и т.д.)

Рассмотрим амплитудно-частотную характеристику двухкаскадного усилителя. Снижение коэффициента усиления в области нижних частот обусловлено разделительными конденсаторами С_р1, С_р2, С_р3.

Увеличение сопротивлений разделительных конденсаторов на нижних частотах приводит к падению напряжения сигнала на них и, следовательно, выходное напряжение падает.

В области верхних частот учитываются емкости коллекторных переходов С_к, а также входные емкости монтажа схемы, которые снижаются с ростом частоты. Это приводит к завалу АЧХ усилителя.

В области средних частот влиянием всех реактивных элементов схемы можно пренебречь и, следовательно, коэффициент усиления на этих частотах будет иметь максимальное значение.

Выходные каскады усилителей.

Выходные каскады предназначены для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при высоком КПД и минимальном уровне искажений.

При небольшой выходной мощности в выходных каскадах применяют те же транзисторы, что и в предварительных. Для получения средней и большой мощности используются мощные транзисторы.

В зависимости от положения рабочей точки на характеристике транзистора различают четыре основных режима работы усилителей мощности: А, В, АВ, С.

1. режим А. Ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода сигнала. Форма колебаний выходного тока будет почти в точности воспроизводить изменения сигнала во входной цепи. Это обеспечивает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот режим характеризуется низким КПД (20-30%). Данный режим применяется в маломощных каскадах, в которых важны малые нелинейные искажения, а КПД не имеет существенного значения.

2. режим В. Здесь ток покоя должен равняться нулю. При подаче на вход напряжение сигнала положительная полуволна будет вызывать появление выходного тока через транзистор; при отрицательной – выходной ток отсутствует. Следовательно, выходной ток будет иметь форму импульсов с углом отсечки равным π/2. Угол отсечки – половина той части периода, в течение которой ток сигнала протекает через усилительный элемент. В этом режиме достаточно большой КПД (60-70%), но уровень нелинейных искажений достаточно велик. Используется в двухтактных схемах для получения большой мощности при высоком КПД.

3. режим АВ. Промежуточный между режимами А и В. Он более экономичен, чем А (кпд 40 –50%), и характеризуется меньшими искажениями, чем в В.

4. режим С. Ток выходной цепи течет меньше половины периода входного сигнала. Каскад усилителя при отсутствии сигнала и при его малых значениях не работает. Поэтому усилитель потребляет от источника питания меньше энергии, чем в режиме В. эти усилители не воспроизводят весь период усиливаемого сигнала, что искажает сам сигнал.

Применение: радиопередающие устройства.

Обратные связи в усилителях.

Подача напряжения с выхода усилителя на его вход называется обратной связью. ОС бывает паразитной (вредной) и преднамеренной, возникающей за счет включения в схему специальных цепей обратной связи.

ОС может быть положительной и отрицательной. При положительной напряжение ОС совпадает по фазе с входным напряжением. Поэтому ко входу прикладывается напряжение

U₁=U_вх + U_ос

При отрицательной напряжение ОС находится в противофазе с входным напряжением

U₁=U_вх - U_ос

Наиболее часто применяется последовательная отрицательная ОС (ПООС) по напряжению.

Величина, показывающая, какая часть выходного напряжения подается на вход каскада называется коэффициентом передачи цепи ОС β, и принимает значения 0 – (+1) при положительной ОС, при отрицательной ОС 0 – (-1)

По мере увеличения численного значения напряжение ОС данная связь становится более глубокой.

Коэффициент усиления усилителя с ОС выражается следующим образом

, где =U_ос

Разделим числитель и знаменатель на U, тогда

, где к = - коэффициент усиления каскада без ОС.

Произведение называют фактором ОС, знак которого совпадает со знаком самой ОС. При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается, поэтому коэффициент усиления возрастает в раз. Но так как βκ→1, то к_ос→∞ и ,=, усилитель может самовозбуждаться и переходить в состояние генератора. Поэтому данный вид ОС практически не применяется.

При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается в раз. При βκ 1 общий коэффициент усиления схемы зависит от коэффициента усиления собственного усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС.

Отрицательная ОС уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения за счет подачи высших гармоник усиливаемого сигнала на вход усилителя по обратной связи в противофазе относительно выходного напряжения.

Аналогичное влияние ООС оказывает на напряжение помех (фон, наводки и т.д.), а также влияет на входное и выходное сопротивления каскада.

,

Из полученных выражений видно, что входное сопротивление усилителя за счет введения ООС увеличивается в раз, а выходное уменьшается в раз.

Усилители с глубокой ООС широко применяются в микросхемах. Типичный представитель – эмиттерный повторитель, R_вх которого велика, а R_вых – мало.

Существуют несколько видов паразитных ОС:

1. между каскадами через цепи питания,

2. емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя,

3. магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

Чтобы устранить паразитные ОС, требуется большой практический опыт и понятия об их возникновении.

Понятия об операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель с большим коэффициентом усиления (20000 и более), разработанный для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Выполняется в едином корпусе и выпускается как самостоятельное полупроводниковое изделие (микросхема).

Линейный интегральный ОУ обладает способностью работы при низких напряжениях. Используется в источниках питания и генераторах сигналов, в системах отображения информации и измерений, а также в областях управления процессами производства, связи, вычислительной техники. Внутреннее устройство ОУ достаточно сложно, поэтому выполняемые ими операции определяются подключенными к нему внешними компонентами.

Каждый ОУ имеет пять основных выводов: два – для подключения питания, два – для подачи входных сигналов и один – для снятия выходного сигнала.

Те выводы, где стоят обозначения + U и -U, подключаются к источнику питания, имеющего три зажима: положительный, отрицательный и общий заземляющий. Типичное значение максимального напряжения, которое можно приложить к выводам , т.е. 18 В

Вывод выхода: Вывод, подключенный к R_н, второй к земле. Выходное напряжение измеряется относительно земли. Поэтому, ОУ имеет только один вывод выхода, т.е. несимметричный вывод. Ток выхода достаточно ограничен (5-10 мА); выходное напряжение определяется напряжением питания и напряжением выходного транзистора. Для работы данных транзисторов в усилительном режиме, падение напряжения коллектор – эмиттер должно равняться 1-2 В. Таким образом, напряжение выхода может увеличиваться до (+U -2)В в положительном и до ( -U +2)В в отрицательном направлении. Верхний предел выходного напряжения называется положительным напряжением насыщения (+U), а нижний – отрицательным (-U). Оба предела - по току и напряжению- устанавливаются при минимальном сопротивлении нагрузки R_н=2 Ком.

Обычно в схемах не приводят полное изображение выходной цепи каждого ОУ с батареями питания, используя упрощенное изображение.

Входные выводы: обозначаются (+) и (-). Они называются дифференциальными ( разностными), т.к. выходное напряжение зависит от разности напряжений на них Е_Д и коэффициента усиления К усилителя. Полярность выходного напряжения совпадает с полярностью напряжения на входе (+) и противоположна или инверсна полярности напряжения на входе (-). Поэтому ввод (-) –инверсный, а ввод (+) – неинверсный. Полярность выходного напряжения зависит только от разности напряжений на инверсном и неинверсном входах:

Е_д= U_вх+ - U_вх-

Знак Е_д говорит о:

1. полярности напряжения на входе (+) относительно U_вх-;

2. О полярности выходного напряжения относительно земли.

Одной из особенностей входной цепи – это высокое значение полного сопротивления между входами, а также между каждым из входов и землей.

Если входное дифференциальное напряжение Е_д достаточно мало, то выходное напряжение будет определяться Е_д и коэффициентом усиления по напряжению без обратной связи К. В идеальном случае

U_вых = E_д K