Усилители электрических сигналов

Существует ряд технических задач, когда слабомощный источник сигнала оказывается неспособным управлять исполнительным устройством (нагрузкой). Для решения этих задач используют усилители электрических сигналов. Их размещают между источником сигнала и нагрузкой и они увеличивают входной сигнал в К>1-раз (рис..)

Под усилителем понимают устройство, в котором сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей гораздо большей мощности от источника питания (ИП) в нагрузку (Rн). Обобщенная схема включения усилителя приведена на рис.. Слева вход усилителя (выводы 1-1¹), а справа выход (2-2¹), к нему подключена нагрузка

Усилитель имеет четыре вывода а потому представляет собой активный четырехполюсник, его функциональная схема приведена на рис..

Основные параметры и характеристики усилителя

1) Входное сопротивление , в общем случае величина комплексная.

2) Выходное сопротивление ;

3) Коэффициент усиления ;

В зависимости от характеристики физической величины на входе и выходе различают следующие коэффициенты усиления: а) коэффициент усиления по напряжению ; б) коэффициент усиления по току ; в) коэффициент усиления по мощности .

Коэффициент усиления – это относительная безразмерная величина. Иногда вместо них пользуются относительными логарифмическими величинами, которые измеряются в . При этом ; .

При воздействии на усилитель гармонического сигнала коэффициент усиления оказывается зависящим от частоты. Эта зависимость, характеризуются частотной характеристикой коэффициента усиления. Она является комплексной функцией от частоты:

АЧХ: ; ФЧХ: ;

Из частотной характеристики следуюь следующие параметры усилителя:

К⁰_u -коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

ω_в, ω_н - верхняя и нижняя граничные частоты рабочего диапазона частот, они определяются из выражения К_u(ω_гр)/К⁰_u= 2^-1/2

Δω=ω_в - ω_н – диапазон рабочих частот.

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала гармонического сигнала на входе U_2m=f(U_1m)|_f=Δf, когда частота входного сигнала находится в рабочем диапазоне.

Для идеального усилителя U_2m=КU_1m. График АХ есть прямая (см рис. 8).

Для реального имеются отличия:

Область 1 - область малых амплитуд входного сигнала. Отличие состоит в том, что при U_1m=0 выходной сигнал U_2m >0. Это связано с усилением собственных внутренних шумов и внешних электромагнитных наводок на элементах усилителя.

Область 2 – это область больших амплитуд входного сигнала. Отличия связаны с нелинейностью вольт – амперных характеристик активных элементов. Их выходной сигнал не может превысить напряжения питания. Из АХ вытекает два параметра усилителя:

а. D=U_m2max/U_m2min - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем качественнее усилитель.

б. Чувствительность. Различают две чувствительности:

1.)Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2).Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда: ее называют предельная чувствительность усилителя.

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8..

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U_2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U_2m2… амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω₀ и 2ω₀. Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω₀. будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω₀. А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

Мн=Мв= К⁰_u /К_u(ω_гр).

Фазовое искажение возникает из-за непостоянства фазового сдвига для различных гармоничных составляющих. Они обычно жестко связаны с частотными искажениями и поэтому специальными параметрами их не оценивают. Линейные искажения наблюдаются только при усилении сигнала сложной формы, т.е. сигналов, спектр которых содержит несколько гармонических составляющих.

Классификация усилителей

1) По абсолютному значению усиливаемых частот.

2) По характеру входного сигнала:

1. Усилители непрерывных сигналов;

2. Усилители импульсных сигналов;

2) По назначению:

1. Усилители напряжения;

2. Усилители тока;

3. Усилители мощности;

3). По виду используемых активных элементов:

1. Усилители на электронно-вакуумных лампах (ЭВЛ);

2. Усилители на биполярных транзисторах (БТ);

3. Усилители на полевых транзисторах (ПТ);

4. Усилители на туннельных диодах (ТД);

5. Параметрические усилители. В них активным усилительным элементом является реактивный элемент цепи: L, C;

6. Усилители на интегральных схемах;

4). По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают минимальный набор пассивных и активных элементов, обеспечивающих усиление электрического сигнала.

7. Однокаскадные;

8. Многокаскадные;

5). По виду связи между каскадами:

1). Усилители с RC-связью или с реостатно-емкостными связями (рис.8.). Каскады 1 и 2 должны иметь общую точку нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

2). Трансформаторная связь (рис.8.). При трансформаторной связи передача сигнала от одного каскада к другому осуществляется с помощью трансформатора. Каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

3). Непосредственная или гармоническая связь между каскадами (рис.). Связь между каскадами осуществляется непосредственно или через резисторы. При такой связи каскады обязательно должны иметь общую точку нулевого потенциала и такая связь применима только в УПТ.

4). Оптронная связь (рис.). При такой связи каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь применима в усилителях переме6нного тока и УПТ.

Многокаскадные усилители

Одиночный усилительный каскад имеет невысокий коэффициент усиления (10-500). Для получения больших коэффициентов усиления применяют многокаскадные усилители, в которых каскады соединяют последовательно.

Будем считать, что: 1) частотная характеристика коэффициента усиления i-ого каскада и равны К_i(jω)= К_i(ω)e^jφ; 2) каскады согласованы по напряжению т.е. выходное сопротивление предыдущего и входное сопротивление последующего связаны соотношением . Последнее означает, что каскады можно рассматривать как независимые.

Отсюда следует, что

Отсюда следует, что АЧХ коэффициента усиления есть , а его ФЧХ - . Эти соотношение говорят о том, что с увеличением числа каскадов Коэффициент усиления возрастает, а полоса пропускания многокаскадного усиления уменьшается. Так, если все каскады одинаковы и имеют граничную частоту , то общая граничная частота многокаскадного усилителя равна , где n - число каскадов.

Режимы работы активных элементов усилительного каскада

Режим работы активного элемента усилительного каскада характеризуется: а) его рабочей точкой; б) уровнем (величиной) входного сигнала; в) наличием резистора в коллекторной цепи.

Рабочая точка это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах активного элемента при отсутствии сигнала на входе. Для биполярного транзистора рабочая точка определяется четырьмя величинами . Эти величины взаимосвязаны и потому достаточно задавать лишь две из них.

В зависимости от уровня входного сигнала различают два режима работы. 1. Режим малого входного сигнала, когда выполняется условие . В таком режиме рабочую точку выбирают из условия, когда . Чаще всего за рабочую точку принимают режим рекомендованный в справочниках для измерений параметров биполярного транзистора. Для маломощных транзисторов это составляет ;

2. Режим большого входного сигнала, когда . Рабочую точку выбирают по ВАХ транзистора исходя из получения , . Положение рабочей точки определяют по графикам входных и выходных ВАХ.

В зависимости от положения рабочей точки различают следующие классы работы активных элементов. Режим класса: A, В, AB, С, D.

1. Режим класса А. Рабочая точка выбирается на середине линейного участка ВАХ (точка А) и при воздействии входного сигнала ее положение остается в пределах этого линейного участка (участок АВ–F). Здесь КНИ→min, а КПД→max.

2. Режим класса В. Рабочая точка выбирается при напряжении, когда выходной ток практически обращается в ноль. Здесь .

3. Режим класса АВ. Рабочая точка выбирается на начале линейного участка.

4. Режим класса С. Рабочая точка выбирается при U_{БЭ РТ} < U_{БЭ ПОР}.

5. Режим класса Д. Биполярный транзистор работает не в усилительном, а в ключевом режиме и под действием входного сигнала находится в одном из двух состояний: насыщения или отсечки.

Принцип работы усилительного каскада на биполярном транзисторе в активном режиме

Биполярный транзистор в зависимости от наличия сопротивления в цепи коллектора может работать в двух режимах: статическом (ненагруженном) или динамическом (нагруженном).

Ненагруженным режимом работы считается режим, когда в коллекторной цепи отсутствует коллекторное сопротивление (рис.). Здесь U_бm - амплитуда гармонического входного сигнала, а U_{бэ рт} напряжение источника задающего рабочую точку транзистора, Ек – источник питания коллекторной цепи.

Схема работает так. Под действием источников напряжения в цепи базы возникает ток базы, состоящий из двух составляющих I_б=I_брт+I_бm. Под действием этих токов базы в цепи коллектора возникает ток коллектора состоящий из двух составляющих I_к= BI_б= I_крт+I_кm.

Коэффициент усиления сигнала по току составляет К_i=I_кm/I_бm =B т.к. В>>1, то происходит усиление по току.

В ненагруженном режиме U_кэ=Е_к и потому режим называют статическим. В этой схеме нет усиления по напряжению.

Для усиления сигнала по напряжению применяют нагруженный режим работы транзистора. В коллекторную цепь транзистора включают резистор R_к (рис.). Он служит для преобразования усиленного переменного тока в усиленное выходное напряжение. В таком режиме выходное напряжение связано с I_к соотношением U_кэ=Е_к - I_кR_к, его называют нагрузочной прямой. Под действием входного сигнала напряжение U_кэ изменяется во времени, а потому этот режим называется динамическим. Полезным эффектом в процессе усиления является усиление переменной составляющей входного сигнала.

U_кэ = E_к – J_кR_к = E_к – J_кртR_к – J_кmR_к = U_кэрт – U_кэm

Отсюда следует, что

где h₁₁ - входное сопротивление БТ, это сопротивление ЭП смещенного в прямом направлении.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: