Усилители электрических сигналов

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

По дисциплине «Электронные цепи»

Тема «Бестрансформаторные усилители мощности с использованием операционных усилителей»

 

Группа	ПЭ-1-14
Студент	Шакиров Р. Л
Преподаватель	Еникеева Г. Р

 

г. Казань

2017 год

 

Введение

По количеству выпускаемых промышленностью единиц, по точности технологии и чистоте производства, по количеству областей применения нет прибора, который хоть в какой-то мере мог приблизиться к транзистору. На транзисторах построены усилители электрических сигналов. На основе транзисторов созданы интегральные схемы — совершенный продукт технологического прогресса XX столетия.

ГЛАВА 1

Усилители электрических сигналов

1.1. Основные определения и характеристики усилителей

Электрическим усилителем называют устройство, в котором при изменении маломощного усиливаемого сигнала происходит усиление мощности в цепи нагрузки. Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов выделяется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя.

Усилитель можно представить в виде четырехполюсника (рис. 1.1) со своим источником питания, к входным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным – нагрузка 3. Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов (многокаскадные усилители). Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Усилители можно условно подразделить на три типа: усилители напряжения, тока и мощности. Условность такого подразделения связана с тем, что любой усилитель в конечном итоге увеличивает мощность.

По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов. По частотному диапазону различают усилители постоянного тока, переменного тока, низкой частоты (усилители звуковой частоты), высокой частоты, промежуточной частоты, широкополосные усилители. Кроме того, усилители различают в зависимости от используемых элементов.

Рис. 1.1. Усилитель в виде четырехполюсника

Обратная связь в усилителях

Обратной связью (ОС) называют передачу усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную цепь.

На рис.1.3 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом передачи, или коэффициентом обратной связи , показывающим, какая часть выходного сигнала передается на вход усилителя. На практике < 1. Обратная связь может быть внутренней (она проявляется в усилителе из-за физических свойств усилительных элементов), паразитной (из-за образования паразитных емкостных и индуктивных связей между выходной и входной цепями) и искусственной (ее создают специально). Внутренняя и паразитная ОС являются нежелательными, и их пытаются устранить. Искусственную ОС применяют с целью уменьшения нелинейных искажений и стабилизация положения рабочей точки режима работы усилителя (точки покоя). Для этого с помощью обратной связи на вход подают напряжение точно в противофазе с ЭДС источника сигнала. Такую ОС называют отрицательной.

Рис.1.3. Структурная схема усилителя с обратной связью

Если напряжение обратной связи подать точно совпадающим по фазе с ЭДС источника сигнала, то сигнал на входе увеличится. Такую ОС называют положительной. Ее используют, например, в автогенераторах для поддержания автоколебаний.

В зависимости от того, каким образом цепь ОС присоеденена к выходу и входу усилителя, различают следующие виды ОС: обратную связь по напряжению – цепь ОС соединяют с выходом схемы параллельно нагрузке так, что напряжение ОС пропорционально напряжению нагрузки усилителя (рис. 1.4 а); обратную связь по току – цепь ОС соединяют с выходом схемы последовательно с нагрузкой так, что напряжение ОС пропорционально току в нагрузке (рис. 1.4 б); обратную связь последовательную – цепь ОС подключают со стороны входа, где она соединена последовательно с источником сигнала (рис. 1.4 в); обратную связь параллельную – цепь ОС со стороны входа соединена параллельно с источником сигнала (рис. 1.4 г). Существуют также комбинированные (смешанные) обратные связи: ОС одновременно по току и напряжению, а также ОС, одновременно выполненная последовательной и параллельной.

Рис. 1.4. Обратные связи

а – по напряжению; б – по току; в – последовательная; г - параллельная

Усилители мощности

С помощью усилителя мощности на заданной нагрузке обеспечиваются нужные выходные напряжение и ток, т. е. требуемая мощность. Нагрузкой служат устройства, производящие определенную работу, например громкоговорители, ультразвуковые преобразователи, приводные механизмы, радиопередающие узлы.

Простейший усилитель мощности — так называемый эмиттерный повторитель (рис. 1.5). Резистор R э включен в цепь эмиттера биполярного транзистора VT. Состояние покоя задается делителем напряжения — резисторами R 1 и R 2. При подаче входного напряжения u вх возникают переменные составляющие напряжения база–эмиттер u БЭ, тока эмиттера i Э и напряжения эмиттера u Э. Поскольку напряжение u БЭ мало, то переменное напряжение эмиттера u Э.пер повторяет входное напряжение u вх, поэтому

u Э.пер ≈ u вх. Переменное напряжение эмиттера передается на нагрузку R н, и u вых ≈ u Э. пер. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Переменная составляющая тока эмиттера i Э.пер распределяется в параллельно соединенных резисторах R Э и R н. Коэффициенты усиления каскада по току и мощности зависят от их сопротивления. Входное сопротивление каскада большое. Управляющее напряжение

u БЭ. пер = u вх – u Э. пер = u вх – u вых.

Это означает, что в каскаде действует отрицательная обратная связь: на входную цепь база–эмиттер подается выходное напряжение с обратным знаком относительно входного.

В отсутствие входного напряжения эмиттерный повторитель потребляет энергию, и КПД каскада не превышает 0,25. Сопротивление нагрузки может быть небольшим, тем не менее выходная мощность невелика.

При большей мощности применяют трансформаторные или бестрансформаторные двухтактные усилители, в которых в состоянии покоя усилительные приборы закрыты и энергия усилителем не потребляется. При этом положительные и отрицательные части входного сигнала усиливаются данными приборами по отдельности. Использование трансформатора приводит к увеличению размеров и массы усилителя, ухудшает его частотные свойства.

Рис. 1.5. Схема эмиттерного повторителя

ГЛАВА 2

Операционные усилители

Усилители постоянного тока в виде микросхем, обладающих большим входным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления (до 106), называются операционными усилителями.

Операционные усилители применяются в генераторах и стабилизаторах, активных фильтрах, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, электронных аналоговых измерительных приборах, медицинской аппаратуре, для усиления слабых сигналов с технологических датчиков, например от термопары, преобразующей температуру в небольшую ЭДС.

У операционного усилителя два входа — неинвертирующий и инвертирующий. На них знак входного напряжения соответственно совпадает и противоположен знаку выходного напряжения.

Различают масштабирующий, суммирующий, дифференцирующий и интегрирующий усилители. Для выполнения этих операций необходимо ввести цепь обратной связи и соответствующие дополнительные элементы.

Рис. 2.1. Масштабируемый усилитель

 

В масштабирующем усилителе (рис. 2.1.) входное напряжение uвх умножается на постоянную величину k. Инвертирующий вход операционного усилителя ОУ, где входное напряжение противоположно по знаку выходному напряжению, помечают кружком ○. В данном случае операционный усилитель ОУ дополнен двумя резисторами Rвх и Rос. Через резистор Rвх входное напряжение uвх поступает на усилитель. По резистору Rос в цепи отрицательной обратной связи выходное напряжение ивых подается на вход усилителя. Поскольку входное сопротивление усилителя

очень велико, на входе ток i1 ≈ 0. Поэтому iвх ≈ –iос (рис. 2.1.). Напряжение u 1 намного меньше входного uвх и выходного uвых, так как коэффициент усиления весьма большой. Значит, iвх = uвх / Rвх, iос = uвых / Rос. Приравнивая друг к другу значения тока, можно найти, что

uвых = – (Rос / Rвх) uвх = –kuвх,

где k = Rос / Rвх. При k > 1 данный усилитель выполняет умножение, при k < 1 — деление.

На единственный вход суммирующего усилителя через несколько одинаковых резисторов Rвх поступают напряжения uвх1, uвх2,... Выходное напряжение

uвых = (Rос / Rвх)(uвх1 + uвх2 +...).

В дифференцирующем усилителе на входе включен конденсатор С вх, в цепи обратной связи — резистор Rос (рис. 1.2 а). Значения тока

iвх = Свх (duвх / dt), iос = uвых / Rос,

причем iвх = –iос. Выходное напряжение пропорционально первой производной входного:

uвых = RосCвх (duвх / dt).

Усилитель этого вида можно применять в качестве активного фильтра, не пропускающего на выход напряжение низких частот.

Интегрирующий усилитель (рис. 1.2 б), на входе которого включен резистор Rвх, а в цепи обратной связи — конденсатор Сос, производит интегрирование входного напряжения. Токи

iвх = uвх / Rвх, iос = C ос(duвых / dt),

и поскольку iвх = –iос, то выходное напряжение пропорционально интегралу от входного:

u вх = .

Такой усилитель применяется, например, в генераторе линейно изменяющегося напряжения для получения фазового сдвига на синусоидального напряжения и в качестве фильтра, не пропускающего напряжение высоких частот.

Операционные усилители — основа устройств, производящих сравнение аналоговых величин. Операционные усилители с нелинейными амплитудными характеристиками применяются также для возведения напряжения.

 

 

Рис. 2.2. Усилители:

а – дифференцирующий; б – интегрирующий

 

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

По дисциплине «Электронные цепи»

Тема «Бестрансформаторные усилители мощности с использованием операционных усилителей»

 

Группа	ПЭ-1-14
Студент	Шакиров Р. Л
Преподаватель	Еникеева Г. Р

 

г. Казань

2017 год

 

Введение

По количеству выпускаемых промышленностью единиц, по точности технологии и чистоте производства, по количеству областей применения нет прибора, который хоть в какой-то мере мог приблизиться к транзистору. На транзисторах построены усилители электрических сигналов. На основе транзисторов созданы интегральные схемы — совершенный продукт технологического прогресса XX столетия.

ГЛАВА 1

Усилители электрических сигналов

1.1. Основные определения и характеристики усилителей

Электрическим усилителем называют устройство, в котором при изменении маломощного усиливаемого сигнала происходит усиление мощности в цепи нагрузки. Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов выделяется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя.

Усилитель можно представить в виде четырехполюсника (рис. 1.1) со своим источником питания, к входным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным – нагрузка 3. Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов (многокаскадные усилители). Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Усилители можно условно подразделить на три типа: усилители напряжения, тока и мощности. Условность такого подразделения связана с тем, что любой усилитель в конечном итоге увеличивает мощность.

По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов. По частотному диапазону различают усилители постоянного тока, переменного тока, низкой частоты (усилители звуковой частоты), высокой частоты, промежуточной частоты, широкополосные усилители. Кроме того, усилители различают в зависимости от используемых элементов.

Рис. 1.1. Усилитель в виде четырехполюсника