ЭЛЕКТРОНИКА Тема 3.3. Усилители электрических сигналов (4 час ) (классификация

переменного тока); структурные схемы; обратные связи в усилителях; параметры и

характеристики усилите-лей; схема на биполярном транзисторе с общим эмиттером; эмиттерный (истоковый) повторитель; дифференциальный усилитель; операционный усилитель)

Королев Владимир Александрович
Курс – 2э

счет энергии внешнего источника питания (модулирование напряжения источника питания входным

управляющим воздействием) посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

1 — источник входного сигнала (стабильный источник энергии постоянного тока); 2 — усилитель; 3 — источник питания; 4 — нагрузка

мощности (УP);
по назначению: измерительные; для устройств теле и радиовещания;

общепромышленного использования; операционные, используемые в аналоговых и аналого-цифровых устройствах;
по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических, импульсных и другой формы сигналов;
по частоте усиливаемых сигналов: усилители постоянного тока (УПТ); усилители звуковой частоты (УНЧ, f < 30 кГц); усилители высокой частоты (УВЧ, f < 300 МГц); усилители сверхвысокой частоты (УСВЧ, f < 300 ГГц);
по ширине частотного спектра выходного сигнала: широкополосные и узкополосные (резонансные);
по схеме включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ); с общей базой (ОБ); с общим коллектором (ОК); с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС); с
общим затвором (ОЗ);
по количеству каскадов усиления: однокаскадные; многокаскадные (каскад предварительного усиления, промежуточные и выходной каскады);
по типу связи между каскадами и между оконечным каскадом и нагрузкой: резистивная (гальваническая), ёмкостная, трансформаторная.

а,в) и выходные (рис. б,г);
Уравнение нагрузочной прямой

выбирают посередине участка bc линии нагрузки
Основной недостаток класса усиления А

— низкий КПД
η = P2 / Pn =U выхI вых/ En I n

на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики транзистора при IБn

= 0.
В этом режиме переменные составляющие тока iвых и напряжения uвых возникают лишь в положительные полупериоды тока базы iБ. При синусоидальном входном напряжении (токе) выходное напряжение uK имеет форму полусинусоид, т. е. нелинейные искажения очень большие. Этот режим часто используют в двухтактных усилителях мощности.
КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 0,8.

действия входного переменного напряжения, называется режимом усиления класса «АВ».

и ток
iК (напряжение uK) в транзисторе возникает только в течение

некоторой части положительной полуволны входного тока базы iБ (рис. 3.11, в). В этом режиме усиления возникают очень большие искажения усиливаемого напряжения (тока), но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С используют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно зависимых звеньев выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения uK.

по постоянному и переменному току
В режиме работы усилителя по постоянному

току для
получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку а выбирают посере
дине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному
току, описываемой уравнением

Rвт — источники входного сигнала и питания транзистора с соответствующими

внутренними сопротивлениями;
uвх — напряжение входного сигнала;
RБ1 и RБ2 — резисторы делителя напряжения питания Un (обычно напряжение Un == 10-30 В), предназначенные для установки тока базы IБ транзистора (по постоянному току), т. е. рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки;
RЭ — резистор обратной отрицательной связи транзистора VT по постоянному току, подбором сопротивления которого обеспечивается температурная стабилизация его режима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора IК и эмиттера IЭ и происходит падение напряжения RЭIЭ. В результате напряжение UБЭ уменьшается, что вызывает уменьшение тока базы IБ, и, следовательно, тока IК, стабилизируя его;
CЭ — конденсатор большой ёмкости (десятки микрофарад), шунтирующий сопротивление резистора RЭ по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи;
RК — нагрузочный резистор, сопротивление которого ограничивает ток коллектора IК транзистора VT;

от внешних возмущающих воздействий: изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых,

изменение обратного тока коллекторного перехода, во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода транзистора, и, в-третьих, изменение его коэффициента передачи тока, изменение напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. п. Эти изменения принято характеризовать понятием — дрейф нуля усилителя.
Дрейфом, нуля наз. изменение выходного напряжения или тока усилителя, не связанное с воздействием входного сигнала, а обусловленное изменением режимов работы его элементов вследствие воздействия различных внешних дестабилизирующих факторов.
Существуют три основных метода стабилизации режима ра­боты транзисторного каскада: термокомпенсация; параметриче­ская стабилизация; введение цепей отрицательной обратной связи.
Метод термокомпенсации базируется на том, что внешними конструктивными и схемотехническими решениями стараются ис­ключить воздействие на транзисторный каскад нежелательных воз­мущений.
Метод параметриче­ская стабилизация

не током. Поэтому, строго говоря, здесь не обязателен делитель напряжения

R/R2, как в усилителе с биполярным транзистором. Достаточны резисторы Rи и R2 (рис. 7.8,г). При этом резистор Rи обеспечивает последовательную ООС по току нагрузки, что приводит к стабилизации ТП. Резистор R2 при этом выполняет роль цепи смещения (падение напряжения на Rи с отрицательным знаком передаётся на затвор транзистора VT через общую шину). Он выбирается достаточно большим (порядка 1 МОм). Поскольку же ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, то напряжение на R2 близко к нулю.

коллектором (эмиттерном повторителе), выходное напряжение uвых (через разделительный конденсатор C2)

снимается с резистора RЭ, включенного в цепь эмиттера

с параллельным включением транзисторов с одинаковыми характеристиками, в котором коллекторные

сопротивления RК1 и RК2 и внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 образуют плечи моста. Резистор RК0 служит для балансировки каскада (установки нуля). Цепи смещения транзисторов не показаны

усиления по напряжению, току и мощности, которых невозможно достигнуть с

помощью одного усилительного каскада

При каскадном соединении применяют различные схемы связи между каскадами, назначение которых состоит в согласовании напряжений, соответствующих режимам покоя предыдущего и последующего усилителей. При этом должны выполняться соотношения

при допустимых нелинейных и частотных искажениях. Они содержат один или

несколько каскадов усиления. Выходной (оконечный) каскад работает в режиме больших сигналов и, следовательно, потребляет большую мощность от источника питания. Он должен иметь достаточно высокий КПД.

часть энергии с выхода усилителя возвращается на его вход. Следовательно,

ОС делает систему замкнутой и воздействует на все параметры и характеристики усилителя, а потому являются эффективным средством для управления им.
Различают отрицательную (ООС) и положительную (ПОС) ОС. При ООС входной сигнал и сигнал обратной связи находятся в противофазе, поэтому она уменьшает входной сигнал, что в свою очередь уменьшает выходной. При ПОС, наоборот, фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают, поэтому она увеличивает входной сигнал и выходной тоже.
Различают следующие четыре вида ОС: последовательные по напряжению (а) и току (б); параллельные по напряжению (в) и току (г).

передачи звена обратной связи (β) и не зависит от К,

то есть изменения К не будет оказывать существенного влияния на величину Кос, поэтому ООС стабилизует выходное напряжение усилителя.
Петля – замкнутый контур: цепь ОС (местная, общая) + часть усилителя между точками усиления

выходного сигнала от амплитуды (или действующего значения) входного синусоидального сигнала,

т. е. Uвых = f (Uвх ).

Динамический диапазон усиления

 

 

его полосу пропускания, ПОС – увеличивает коэффициент усиления и сужает

его полосу пропускания

покоя (приведенного к входу усилителя) к максимальному значению выходного напряжения

Uвых.max в децибелах:


Коэффициент нелинейных искажений

Амплитудночастотная характеристика (АЧХ) — это зависимость коэффициента
усиления, например, по напряжению Ku от частоты f входного сигнала

Фазочастотная характеристика (f) — зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f . Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты

выходе, кроме временной задержки At, которая не вносит изменений в

форму входного сигнала, содержит нелинейные и линейные искажения.
Основными факторами, обусловливающими нелинейные искажения является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителей.









Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов
Коэффициент нелинейных искажений

нелинейные искажения зависят от ампли­туды входного сигнала ивх (f) и не связаны с его частотой, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал дол­жен быть низкоуровневым. В многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в предоконечных каска­дах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

по току а и реактивных сопротив­лений элементов схемы от частоты.

Принято оценивать характер ли­нейных искажений по амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристикам усилителя. АЧХ показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала (рис. 6.2, в). Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально гар­моники входного сигнала усиливаются усилителем не одинаково, так как реактивные сопротивления элементов схемы по разному зависят от частоты и в сумме дают искажение формы и амплитуды входного сигнала. Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений

где К0 — модуль коэффициента усиления на средней частоте; Kf — модуль коэффициента усиления на заданной частоте. В многокаскад­ных усилителях суммарный коэффициент частотных искажений уси­ления равен произведению коэффициентов частотных искажений кас­кадов

гармоник сигнала. Поскольку спектральные составляю­щие входного сигнала приобретают в усилителе

различный фазовый сдвиг, то, суммируясь на выходе, они вызывают искажение формы сиг­нала. Фазовые искажения отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения и наоборот.

ОС

, ПОС - увеличивает

Введение ООС в усилителях увеличивает его входное сопротивление на глубину ОС , , ПОС –уменьшает