Основные показатели усилителей.

Основные показатели усилителей.

 

1. Общие определения.

 

Усилителем электрического сигнала или просто усилителем (У) называется устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большой мощности на выходе с минимальными искажениями формы.

Усиление осуществляется за счет потребления энергии от дополнительного источника питания. Форма входного и выходного сигнала остается неизменной, но последний получается усиленным по амплитуде. Таким образом, входной сигнал управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

 

Классификация усилителей может выполняться по:

1. Характеру усиливаемых сигналов:

- У гармонических сигналов, У импульсных сигналов.

2. Полосе усиливаемых частот:

- У звуковых частот: >>1.1

- У высокой частоты, У промежуточной частоты – усиливают модулированные колебания. <<1.1

- У по току – усиливают сигналы от =0 до некоторой

3. Назначению:

- магнитофонные, телевизионные, радиолокационные, измерительные…

4. Роду используемых усилительных элементов:

- ламповые, транзисторные, на элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Характеристики и параметры биполярных транзисторов.

Токи, прошедшие в биполярном транзисторе: - обратный ток коллекторного перехода, n-p-n

 

Зависимость между токами и напряжениями в транзисторах характеризуются статическими характеристиками транзисторов, которые снимаются при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Различают семейство входных статических характери-
стик и семейство выходных статических характеристик. Для сх. ОЭ

Сквозная динамическая характеристика.

Это зависимость выходного тока усилительного элемента от сдс источника сигнала, при наличии сопротивления нагрузки в выходной цепи. При построении сквозной динамической характеристики используют входную динамическую (статическую) характеристику и нагрузочную прямую по переменному току. Следовательно, сквозная характеристика учитывает, как нелинейность входной, так и нелинейность выходной характеристик транзистора. Сквозная характеристика используется для расчета нелинейных искажений усилителя (метод трёх или пяти ординат).

 

Схемы цепей питания и стабилизации.

Питание цепей коллектора.

Чтобы транзистор мог усиливать электрические сигналы произвольной формы, между его входными электродами необходимо приложить постоянное напряжение от внешнего источника питания. В многокаскадных У обычно используют общий источник питания,а усилительные каскады подключают к нему через развязывающее RC фильтры.

RС фильтры служат для исключения обратной связи через цепи питания по переменному сигналу.
Подача смещения во входные цепи усилителя.

Для установления нужной величины тока покоя выходной цепи (задания режима работы транзистора) между входными электродами транзистора необходимо создать определённую разность потенциалов (напряжение смещения ) находимую по его статическим характеристикам. Смещение так же подаётся от общего источника питания.

1. Смещение фиксированным током базы.

 

Если () то, ток смещения будет определяться только внешними параметрами и будет фиксированным, т.е. независимым от параметров транзистора, которые изменяются под действием дестабилизирующих факторов и в случае замены транзистора

Расчет усилителя в целом и отдельного усилительного каскада идет от выхода ко входу. Поскольку определяющей величиной является нагрузка усилительного каскада.

Известны следующие величины:

; .
а из входной характеристики для тока определяют .

.

2. Смещение фиксированным напряжением базы.

 

Данный вид смещения заключается в формировании с помощью делителя требуемого напряжения в точке А, т.е. напряжения .

-для каскадов предварительного усиления;

- для каскадов мощного усиления;
, .

Приведенная связь между и свидетельствует о том, что делитель будет низкоомным по отношению к . Таким образом потенциал т.А слабо зависит от и соответственно от разброса параметров транзистора.

Недостаток: потери энергии от источника питания в делителе .

 

Схемы межкаскадной связи.

Схемы межкаскадной связи предназначены для передачи сигнала с выхода предыдущего каскада на вход последующего, а так же для придания усилителю определенных свойств.

Различают следующие виды межкаскадной связи:

- гальваническая;

- резисторная (резисторно-конденсаторная);

- трансформаторная.

Название усилительного каскада определяется током межкаскадной связи.

1. Гальваническая связь. Обладает проводимостью для сигналов любой частоты, вплоть до постоянных.Гальваническая связь обеспечивается посредством проводников, резисторов, источников постоянного напряжения.

Достоинства: - простота;

- возможность передачи сигналов АС/ДС;

- уменьшается число элементов.

Недостатки:- дрейф нуля.

Используется в УПТ прямого усиления.
2. Резисторные каскады. Элементами межкаскадной связи являются и , (разделительный конденсатор).

Достоинства:- отсутствие дрейфа нуля;

- нечувствительность к внешним магнитным полям;

- широкий диапазон f.

Недостатки:- низкий КПД;

- наличие конденсаторов большой емкости.

Это наиболее распространенный тип каскадов предварительного усиления.

3. Трансформаторные каскады.
Используется трансформатор.

Достоинства:- коэффициент усиления в (2 10)раз больше, чем у резисторных каскадов;

- возможность согласования сопротивлений источника и нагрузки.

Недостатки:- большие габариты, вес, стоимость, узкая полоса частот;

- непредсказуемый фазовый сдвиг, что исключает возможность ОС;

- источник электромагнитного поля.

 

Типы усилительных каскадов.

1. Однотактные каскады.

2. Двухтактные каскады.

. Все рассмотренные ранее усилительные каскады являются однотактными, поскольку один усилительный элемент усиливает и отрицательные, и положительные полуволны входного гармонического сигнала. Используется режим класса А.

. Двухтактными называются каскады, содержащие усилительные элементы, работающие в противофазе на общую нагрузку, т.е. один усилительный элемент усиливает положительную полуволну, а другой усилительный элемент усиливает отрицательную полуволну. Используются режимы класса В, АВ.

Широкополосные каскады.

Широкополосные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в диапазоне частот от 1-ц Гц до 10~100-ен МГц, а также для усиления импульсных сигналов.

Для расширения полосы пропускания в области низких частот (уменьшение нижней граничной частоты ) необходимо увеличивать постоянную времени . Увеличение достигается за счет максимально возможного увеличения емкостей разделяющих и шунтирующих конденсаторов, а также сопротивлений резисторов в цепях перезаряда этих конденсаторов.

Увеличение С ограничивается их размерами

Увеличение R ограничивается параметрами транзистора (т.к. , т.к. )

Для расширения полосы пропускания в области высоких частот (увеличение верхней граничной частоты ) необходимо уменьшить постоянную времени .

Исключить влияние емкостей p-n переходов транзистора возможно путем применения высокочастотных транзисторов.

возможно уменьшить за счет уменьшения и , но обычно задается при .

Если описанные меры не дают существенного выигрыша, то применяют специальные корректирующие цепи для низких и высоких частот.

 

 

Высокочастотная коррекция

Частотно-зависимая ОС по току за счет цепи . С повышением частоты повышается глубина ОС и .На : ;
;

Во втором случае мы имеем, что с увеличением увеличивается

1 2

 

УПТ (Усилитель постоянного тока).

УПТ - усилитель, полоса рабочих частот которого равна :

Гальваническая связь между каскадами. Амплитудная характеристика проходит через ноль.

УПТ применяются:

- в электронных вольтметрах постоянного тока;

- в системах автоматического управления;

- в стабилизаторах напряжения и тока и т.д.

 

По принципу действия УПТ различают:

- УПТ прямого усиления;

- УПС с преобразованием частоты.

 

Дрейф нуля.

Отклонение выходного напряжения от своего первоначального значения при закороченном входе. Данное отклонение вызывается воздействием дестабилизирующих факторов:

- старение элементов;

- нагрев элементов схемы;

- изменение и (или) колебание напряжения питания;

- замена вышедшего из строя элемента другим.

 

Наличие дрейфа нуля приводит к нарушению линейной зависимости между входным и выходным сигналами на нулевой и очень низкой частоте особенно в области малых входных сигналов.

Наибольшее влияние на величину дрейфа всего усилителя оказывает дрейф первого (входного) каскада. Это объясняется тем, что первый каскад имеет относительно высокий , а входной сигнал малого уровня.

Для уменьшения или устранения дрейфа нуля используют:

1. Термостатирование усилителя (особенно его первых каскадов);

2. Применение балансных схем построения усилителя;

3. Стабилизация напряжения питания.

 

Балансный каскад УПТ

(Дифференциальный усилитель)

 

 

Одним из основных применений ДУ является усиление малых сигналов на фоне больших синфазных помех различного происхождения.

Схема представляет собой мост, плечами которого с одной стороны выступают К-ые резисторы, а с другой стороны внутреннее сопротивление транзисторов. Основное требование – это полная симметрия плеч, тогда при ()

, где - дифференциальная составляющая входного сигнала

- синфазная составляющая входного сигнала

-дифференциального сигнала при ()

-синфазного сигнала при ()

 

Дифференциальный сигнал – является полезным сигналом.

Синфазный сигнал – различные помехи и наводки, действующие одновременно на обоих выводах.

При воздействии дифференциального сигнала токи коллектора изменятся на одну и ту же величину, но противоположную по знаку, т.е.:

При этом напряжение: , сл-но, на нагрузке будет напряжение . Можно записать: ,т.о. в 2 раза больше обычного каскада ОЭ.

 

При включении нагрузки средняя точка будет иметь неизменный потенциал , поскольку потенциалы на его выводах имеют одинаковые и противоположные по знаку приращения. Т.о., каждое плечо нагружено на сопротивление (средняя точка «заземлена»).

- для одного плеча.

Поскольку , то при дифференциальном входном сигнале.

(1)

Поэтому напряжение не изменятся, и тем самым ООС по переменному току отсутствует.

Коэф. усиления синфазного напряжения определяется при замкнутых входных выходах и замкнутых коллекторах.

(2)

Действие синфазного входного сигнала приводит к одинаковому приращению : .

Т.о., налицо процесс подавления синфазного сигнала. Кроме того, на за счет одинаковых знаков и увеличится напряжение (1), т.е. проявляется эффект ООС по току. Из формулы (2) следует, что тем меньше, чем больше , но увеличение ограничивается минимально допустимым рабочим током коллектора транзисторов. Поэтому в качестве используют транзистор, поскольку (из выходной нагрузочной характеристики – нагрузочной прямой).

; ;

 

!!! Коэффициент подавления синфазного сигнала:

 

УПТ с преобразованием частоты.

В рассмотренных УПТ практически невозможно добиться отсутствия дрейфа нуля (различная реакция элементов схемы на изменения температуры). Поэтому для усиления малых сигналов постоянного тока применяют УПТ, в которых постоянный входной сигнал преобразуется в пропорциональный переменный сигнал , который затем усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем снова преобразуется в сигнал постоянного тока . Напряжение дрейфа порядка 1нВ.

Операционные усилители.

Широкие функциональные возможности дифференциальных усилителей позволяют создание на их основе интегральных схем высококачественных усилителей, обладающих большими коэффициентами усиления дифференциального сигнала и подавления синфазного сигнала, большим входным и малым выходным сопротивлениями, низким уровнем линейных и нелинейных искажений, с широкой полосой пропускания. Такие интегральные усилители получили название операционных усилителей (ОУ), поскольку с помощью линейных и нелинейных элементов ОС можно воспроизводить различные математические операции над входным сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д.). Кроме того, ОУ используют для усиления, детектирования, преобразования сигнала, а так же для генерирования сигналов.

ОУ имеют два входа: инвертирующий и неинвертирующий, один выход и биполярное питание.

 

ОУ является дифференциальным устройством, способным реагировать только на дифференциальный сигнал:

Влияние синфазного сигнала пренебрежимо мало: ()

Идеализированная модель ОУ предполагает:

- собственное усиление ОУ, .

Т.о., ОУ можно использовать только в условиях ООС. В этом случае устанавливается равновесный режим, при котором: , т.е. - потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов.

ОУ можно представить как высококачественный УПТ.

 

Идеализированные параметры	Реальные параметры
	сотни МОм 100 200 Ом 1 10 мВ

 

Основные параметры ОУ

 

1. Напряжение смещения - входное напряжение, которое д.б. приложено к входным зажимам, чтобы .

Причина: несимметрия входного дифференциального усилителя: мВ.

 

2. Разностный ток (базовые токи смещения), вызывает на входе дифференциальное напряжение, которое приводит к появлению ненулевого

при отсутствии входного сигнала.

Для установления нулевого выходного напряжения, т.е. для компенсации и

используют внешнюю цепь регулировки. Обычно переменный резистор, подключаемый к специально предусмотренным выводам ОУ:

3.Диапазон допустимых синфазных напряжений – диапазон напряжений, который можно подавать на вход ОУ, не переводя его в режим ограничения.

При питании В В.

4.Коэффициент подавления синфазного сигнала – отношение к: : .

5. Скорость нарастания выходного напряжения - максимальная скорость изменения выходного при подаче на вход единичного скачка напряжения. Обычно она измеряется при и при пересечении выходным напряжением нулевого уровня: В/мкс, В/мкс.

6. АЧХ ОУ

вводим ООС, чтобы получить кГц.

- частота единичного усиления, при которой коэф. собственного усиления равен 1.

МГц- общего назначения

МГц- широкополосный ОУ

7. Максимальное сопротивление нагрузки определяет максимальный выходной ток, отдаваемый в нагрузку при максимальном выходном напряжении:

.

Обычно кОм.

 

Типовые применения ОУ

Считают:

1.

2.

3.

1) Повторитель Сигнала,

I ()	II ()
1. Имеет место ООС с 2. 3. 4.

 

2) Неинвертирующий усилитель,

- образуют цепь ООС.

- для уменьшения разностного тока; .

I	II
1. 2. 3. 4.

 

3) Инвертирующий Усилитель ,

 

II

1. - поэтому т.А называют точкой «виртуальной земли»

2.

3. По 1 закону Кирхгофа из-за большого , сл-но, .

Следовательно, ,

 

4) Инвертирующий Сумматор,

Т.А имеет нулевой потенциал, следовательно, все входы независимы.

;

;

;

, при

 

5) Дифференциальный усилитель,

 

;

=

;

6) Дифференцирующий усилитель,

 

( ); ; ;

 

7) Интегрирующий усилитель, .

 

; ;

8) Компаратор Сигналов,

КС выполняет операцию сравнения по модулю двух входных сигналов, при этом знак выходного напряжения определяется наибольшим из входных сигналов.

Обычно одно из входных напряжений является опорным.

Чувствительность – минимальная разность входных напряжений, при которой компаратор вырабатывает выходной сигнал. Быстродействие определяется интервалом времени между подачей входного сигнала и моментом достижения входным сигналом установившегося напряжения.

 

RC - фильтры.

-ФНЧ. .

 

 

 

, где , .

-ФВЧ. .

 

 

, где

Активные RC - фильтры.

Содержит один или несколько активных четырехполюсников с обратной связью, за счет которой формируется АЧХ фильтра.

Данные фильтры принципиально содержат RC-элементы. При построении RC-фильтров используют три способа.

1. Использование с/н верширующего ОУ, для которого коэффициент передачи: .

-ФНЧ.

, , .
-ФВЧ.

, , .
-ПФ.

, .
Квазирезонансная частота: .

.

2. Основывается на включении в цепь обратной связи произвольного усилителя подходящего фильтра. При этом, если в ОС стоит:

- ФНЧ, то активный фильтр будет ФВЧ;

- ПФ, то активный фильтр будет ФНЧ;

- Рст. Ф, то активный фильтр будет ПФ.

 

Т-образный мост

 

3. Основывается в конструировании специальных схем с заданными свойствами. Эти фильтры или результат синтеза по заданным характеристикам или результат целенаправленного инженерного поиска (т.е. предмет изобретения).

Используются произвольные усилители с многопетлевой обратной связью. Содержит два конденсатора, следовательно, являются фильтрами второго порядка. Для получения фильтров более высокого порядка используют каскадное соединение.

.

Для ФНЧ:

Для ФВЧ:

Для ПФ:

Режекторный фильтр не реализуется при двухтактной ОС.

ФНЧ. .
ФВЧ. .
ПФ. .
Недостаток: невозможно независимо друг от друга менять коэффициенты и передаточной функции.

 

 

RC – автогенераторы

Схемы, с помощью которых энергия источника преобразуется в энергию переменных электрических колебаний при отсутствии внешнего сигнала, называются генераторами.

Колебания можно получить, охватив обычный усилитель положительной ОС.

 

- баланс амплитуд;

- баланс фаз;

и - комплексные коэф. усиления и передачи усилителя и цепи ОС соответственно.

 

Генератор с мостом Вина

для компенсации потерь в мосте Вина.

Если R1=R2=R, C1=C2=C: ;

 

Усилительный каскад должен иметь коэффициент усиления и нулевой фазовый сдвиг. Т. к. у ОУ линейная ОС, то вводят нелинейную ОС, которая при больших (в области установившихся амплитуд) .

 

Избирательные усилители

 

Это усилители, обладающие способностью выделять полезный сигнал, соответствующий заданной частоте или полосе частот, из всей (?) сигналов, поступающих на вход усилителя.

В зависимости от назначения различают:

 

- узкополосные RC-усилители, предназначенные для работы в области звуковых и дозвуковых частот.

- резонансные LC-усилители, которые делятся на усилители напряжений (режим А) и усилители мощности (режим В).

 

Узкополосные RC-усилители

Строятся на основе обычного усилителя с частотно-зависимой ОС. Часто используется двойной Т-образный мост:

при ,

Если , , то .

 

На НЧ и ВЧ диапазоне велико, следовательно, эквивалентное мало и тоже мал. На мало, следовательно, велико и возрастает. Фаза меняется из-за ООС.

 

АЦП.

Аналого-цифровой преоб