Усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

УСИЛИТЕЛИ

При решении многих технических задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности.

Простейшим усилителем является усилительный каскад (рис. 3.1), содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии Е. Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение uвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения uвых (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии Е. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента УЭ, а, следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение снимается с управляемого элемента УЭ или резистора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС Е в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Усилительные свойства усилителя зависят от степени влияния входного сигнала на ток управляемого элемента: чем больше это влияние, тем больше будет паление напряжения от тока УЭ на резисторе, а значит, и выходное напряжение, которое зависит от сопротивления резистора R.

Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению , коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по мощности:

.

Обычно в усилительных каскадах все три коэффициента усиления значительно больше единицы. Однако в некоторых усилительных каскадах один из двух коэффициентов усиления может быть меньше единицы, но в любом случае коэффициент усиления по мощности больше единицы.

Рис. 1. Структурная схема усилительного каскада

В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (напряжение, ток или мощность) требуется увеличить, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности. Усилительный каскад напряжения имеет коэффициент усиления , как правило, равный нескольким десяткам. В некоторых случаях необходимо получить значительно больший коэффициент усиления по напряжению, достигающий многих тысяч. Для решения такой задачи используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего.

Усилители тока применяют в тех случаях, когда в нагрузочном устройстве, обладающим, как правило, малым сопротивлением (реле, индикатор тока), требуется получить значительный ток.

Усилителями мощности обычно являются выходные каскады многокаскадных усилителей. Они работают в режимах, обеспечивающих получение максимально возможной мощности нагрузочного устройства.

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Усилительный каскад обладает величиной коэффициента усиления (по току, по напряжению, по мощности). Для получения больших значений коэффициентов усиления используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подключен к выходу предыдущего.

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадом на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор Rк (рис. 2), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. Напряжение источника усилительных каскадов на биполярных транзисторах составляет 10-30 В.

Рис. 2. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния: , т.е. сумма падений напряжения на резисторе Rк и коллекторного напряжения Uк транзистора всегда равна постоянной величине - ЭДС источника питания.

Анализ работы усилительного каскада удобно проводить с помощью переходной характеристики Iк=f(Iб), которую строят по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками (рис. 3).

Рис. 3. Входная и коллекторные характеристики транзистора, а также переходная характеристика усилительного каскада при Ек=20 В и Rк=1 кОм

На рис. 3.3 помимо выходных характеристик приведена входная характеристика, повернутая на 90о, и дано построение переходной характеристики. Видно, что переходная характеристика имеет практически линейный участок ab при изменении тока базы от нуля до некоторого значения, зависящего от типа транзистора и сопротивления Rк. Проецируя этот участок на линию нагрузки и входную характеристику, отметим на них соответствующие участки a'b' и a''b''. Сопротивление резистора Rк выбирают, исходя из требуемого усиления входных сигналов, но при этом надо иметь в виду, чтобы линия нагрузки обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики. При выполнении этих условий транзистор работает в области допустимых значений напряжения, тока и мощности и может усиливать без искажений сигналы в необходимом диапазоне изменения значений их параметров. Сопротивление Rк обычно имеют значения порядка нескольких килоом.

Резистор Rб, включенный в цепь базы, обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря этому резистору можно получить оптимальные значения тока базы Iбп и напряжения между базой и эмиттером Uбп, соответствующие середине линейного участка входной характеристики.

Конденсатор С (рис. 3.2) служит для включения источника переменной входной ЭДС Евх с внутренним сопротивлением Rвн в цепь базы. В отсутствие этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор связи Сс на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей, которая может подаваться на нагрузочный резистор Rн или нагрузочное устройство с сопротивлением Rн.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за пределы линейных участков входной и переходной характеристик, в результате чего форма кривой выходного напряжения претерпевают значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называют нелинейными.

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (УПТ)

Для усиления медленно изменяющихся сигналов используют усилители постоянного тока (УПТ).

В УПТ возникают специфические трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимых для работы транзисторов, используемых в усилителях.

УПТ имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Поскольку УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения Uк0, Uб0 из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т.д. принципиально не отличается от полезного сигнала.

Дрейф нуля легко можно наблюдать в следующем опыте. Вход УПТ замыкают накоротко (рис. 3.4, а), а на выходе усилителя включают милливольтметр. С течением времени в отсутствие входного напряжения из-за нестабильности величин Uк0, Uб0 и неточной их компенсации появляется выходное напряжение, примерная зависимость которого показана на рис. 3.4, б. Это напряжение, деленное на коэффициент усиления усилителя, называют дрейфом нуля, приведенным ко входу усилителя:

(при uвх=0).

Рис. 4. Схема измерения дрейфа УПТ (а); дрейф УПТ (б)

УПТ может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т.е. .

Как видно из рис. 3.4, б, выходное напряжение состоит как бы из двух составляющих: монотонно изменяющегося напряжения (штриховая линия) и переменно составляющей. Первое называется медленным дрейфом и обусловлено в основном изменением характеристик транзисторов, второе называется быстрым дрейфом и определяется колебаниями напряжений источников питания, температуры окружающей среды и другими внешними факторами.

Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:

1. стабилизацию напряжения источника питания, стабилизацию температурного режима;

2. использование дифференциальных (балансных) схем УПТ;

3. преобразование усиливаемого напряжения.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ УПТ

Такие УПТ построены по принципу четырехплечевого моста (рис. 3.5).

Действительно, если мост сбалансирован, т.е.

,

Рис. 5. Схема четырехплечевого моста

то при изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн ток равен нулю. При пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста не нарушается. Если заменить резисторы R2, R3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ.

В дифференциальном усилителе (рис. 3.6) сопротивления резисторов R2, R3 в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками.

Рис. 6. Схема симметричного дифференциального усилительного каскада

На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R1, который стабилизирует ток транзисторов. Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R1, увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е2?Е1.

Переменный резистор Rп служит для балансировки каскада (для установки нуля). Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениями R2, R3. При изменении положения движка потенциометра Rп изменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометра Rп добиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе Rн в отсутствие входного сигнала.

При изменении ЭДС источника коллекторного питания Е1 или смещения Е2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R2, R3 в точности равны, то тока в резисторе Rн за счет изменения ЭДС Е1, Е2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном усилителе.

Дифференциальный каскад усиливает разность сигналов, поэтому при подаче на оба входа дифференциального каскада одинаковых сигналов . При этом усилитель работает в режиме синфазных сигналов.

Недостатком дифференциального каскада является отсутствие общей точки между источниками сигнала и нагрузкой. Этого недостатка лишен несимметричный дифференциальный каскад (рис. 7), у которого сигнал снимается с коллектора транзистора Т2.

Рис. 7. Схема несимметричного дифференциального усилительного каскада

В многокаскадных усилителях первые каскады выполняются в виде симметричного дифференциального каскада и обеспечивают предварительное усиление сигнала практически без дрейфа, дополнительное усиление может быть осуществлено в несимметричном дифференциальном каскаде.

ТИПОВЫЕ RLC-СХЕМЫ

В электронных устройствах наряду с непрерывным часто применяется импульсный режим работы, при котором кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой. При создании импульсных устройств, генерирующих или преобразующих различные импульсные сигналы, необходимо формирование временных интервалов, определяющих длительности импульсов, пауз между ними, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью времязадающих цепей, содержащие линейные реактивные элементы (L, C). В данной лекции разберем два характерных способа включения RC-цепей: дифференцирующий (укорачивающий) и интегрирующий.

Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие цепи - линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной входного напряжения по времени:

,

k - коэффициент пропорциональности.

На рис. 8 приведены схемы простейших дифференцирующих цепей и диаграммы, поясняющие ее работу при воздействии прямоугольного импульса напряжения. На вход схемы подключен источник прямоугольных импульсов.

Рис. 8. Схемы и диаграммы работы дифференцирующих цепей

Дифференцирующие цепи находят широкое применение в импульсных устройствах при необходимости фиксации моментов фронта и среза, а также для укорочения импульсов.

Интегрирующие цепи - четырехполюсники, у которых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения. На рис. 9 приведены схемы простейших интегрирующих цепей и диаграммы, поясняющие ее работу при воздействии прямоугольного импульса напряжения.

Рис. 9. Схемы и диаграммы работы интегрирующих цепей

Схемы интегрирующих цепей отличаются от схемы дифференцирующих цепей тем, что конденсатор С, катушка индуктивности L и резистор R меняются местами.

Изменение напряжения UC определяется следующей зависимостью:

.

Изменение тока IL определяется следующей зависимостью:

.

Важной параметром переходных процессов является время релаксации. Время релаксации - это время, в течение которого характеристика цепи (IL, UC) уменьшается в е раз.

Для RL-цепи время релаксации определяется отношением индуктивности катушки к сопротивлению резистора: . Для RС-цепи время релаксации определяется произведением емкости конденсатора к сопротивлению резистора: .

Данные цепи также выполняют функции электрических частотных фильтров. В зависимости от диапазона пропускаемых частот фильтры подразделяются на четыре типа: фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр высоких частот (ФВЧ), заграждающие фильтры (ЗФ), полосовые фильтры (ПФ).

Основными элементами пассивных электрических фильтров являются катушка индуктивности L, конденсатор С. Принцип работы фильтров основан на том, что индуктивное XL и емкостное XC сопротивления зависят от частоты входного сигнала: . Как видно из формул, индуктивное XL сопротивление возрастает с увеличением частоты, емкостное сопротивление XC с увеличением частоты уменьшается. Различным подключением данных элементов можно организовать схему фильтров определенных частот.

Рис. 10. Схемы простейших ФНЧ

Рис. 11. Схемы простейших ФВЧ

усиление электрический сигнал транзистор

Данные фильтры характеризуются таким параметром как частота среза fср, т.е. частота при которой амплитуда сигнала на выходе фильтра равна по величине 0,707 от максимального значения амплитуды сигнала.

Определим расчетную частоту среза fср фильтров. Фильтровые свойства данных схем основаны на явлении резонанса, т.е. равенстве реактивного сопротивление активному сопротивлению.

Частота среза fср при наличии катушки индуктивности и сопротивления определяется из условия равенства индуктивного и активного сопротивлений, т.е. XL=R:

.

Частота среза fср при наличии конденсатора и сопротивления определяется из условия равенства емкостного и активного сопротивлений, т.е. XС=R:

.

Собирая последовательный и параллельный колебательные контура, можно реализовать полосовой или заграждающий фильтр. Фильтровые свойства данных схем основаны на явлении резонанса индуктивного и емкостного сопротивлений, т.е. XL=XС.

Рис. 12. Схема простейшего заграждающего фильтра

Рис. 13. Схема простейшего полосового фильтра

Полосовой фильтр характеризуется нижней fн и верхней fв граничной частотой полосы пропускания. Эти частоты определяются также как и частота среза fср для ФНЧ и ФВЧ.

Заграждающий фильтр характеризуется нижней fзн и верхней fзв граничной частотой полосы заграждения. Эти частоты, при которой амплитуда сигнала на выходе фильтра равна по величине (1 - 0,707) от максимального значения амплитуды сигнала.

Размещено на Allbest.ru