К_u= К_u1К_u2К_u3….

Или

К_{u дБ} = К_{u1 дБ} +К_{u2 дБ} +К_{u3 дБ} +…..

Входное сопротивление усилителя представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Оно равно:

.

Выходное сопротивление (R_вых) определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки (R_н). Оно равно:

.

Входное и выходное сопротивления усилителя, как и сопротивление нагрузки, в общем случае имеют комплексный характер, но входной и выходной токи и напряжения обычно определяются в условиях, при которых эти сопротивления можно считать активными.

Номинальная выходная мощность - максимальная мощность на выходе, при которой нелинейные искажения не превысят допустимого уровня. При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна:

.

Коэффициент полезного действия выходной цепи усилителя - это отношение мощности сигнала, отдаваемой в нагрузку усилителя (Р_н) к мощности, потребляемой выходной цепью от источника питания (Р_о):

.

Номинальное входное напряжение (чувствительность) - это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе номинальную мощность. Чем меньше значение входного напряжения, обеспечивающего номинальную мощность, тем выше чувствительность.

К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая и переходная.

Амплитудная характеристика - зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от амплитудного или действующего входного напряжения при некоторой постоянной частоте:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 6.2) проходит не через начало координат, так как в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Напряжение шумов обусловлено пульсациями напряжения источника питания, а также напряжением нестационарных процессов, определяемых структурой активных и пассивных элементов схемы. Значение общих помех на выходе усилителя должно быть значительно меньше напряжения усиленного сигнала:



В противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение ограничивается появлением нелинейных искажений. При больших входных сигналах (U_вх = U_{вх max}) пропорциональность между U_вых и U_вх нарушается из-за нарушения пропорциональной зависимости между входным и выходным токами транзистора.

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала (U_{вх min} ... U_{вх max}) амплитудная характеристика имеет форму прямой линии, а угол наклона определяется коэффициентом усиления усилителя по напряжению на данной частоте. По амплитудной характеристике усилителя определяют динамический диапазон амплитуд (Д).

Динамический диапазон амплитуд - это отношение максимально допустимой амплитуды входного напряжения к его минимальному значению:

или в децибелах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.3. АЧХ усилителей: а - УНЧ; б - УПТ; в - избирательного усилителя

.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (рис. 6.3) - это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала:

k = f(f).

При построении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по вертикальной оси (см. рис. 6.3) откладывают значение k_U в относительных единицах или децибелах, а по горизонтальной оси - частоту (f), как правило, в логарифмическом масштабе.

По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя:

?f = f_в - f_н.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диапазон усиливаемых частот или полоса пропускания - это область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям. В УНЧ эти изменения не превышают 3 дБ или в относительных единицах .

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) - зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты:

ц = f(f).

Фазовые сдвиги в усилителях обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. График типичной фазочастотной характеристики усилителя переменного напряжения показан на рис. 6.4.

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) - это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 6.5). Она объединяет в себе амплитудно- и фазочастотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента K(jw).

Переходная характеристика (рис. 6.6) используется при анализе импульсных усилителей, предназначенных для усиления импульсов различной формы. Эта характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения или тока сигнала от времени при действии на входе единичного скачка напряжения или тока.

6.2 Искажения в усилителях

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением. В усилителях различают два вида искажений - линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.

Линейные искажения обусловлены зависимостью модуля коэффициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от частоты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.

Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работающего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые указанными причинами изменения формы выходного сигнала называют соответственно частотными и фазовыми искажениями.

Частотные искажения - это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов

х_C = 1 / C

по мере снижения частоты сигнала.

Снижение K_U на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей «коллектор - база», «коллектор - эмиттер» и «база - эмиттер», а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (K_ср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K):

M = K_ср/ K.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.

M_н = K_ср/ K_н и M_в = K_ср/K_в.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной частотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться достаточного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проблема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существенны, чем амплитудно-частотные.

Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.

Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол ц = р/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.

Фазочастотные искажения отсутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:

_n = n₁.

Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):

= a

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.7. Влияние фазовых искажений на форму сигнала

В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения в усилителях обусловлены наличием нелинейных элементов, в первую очередь, транзисторов, а также других элементов с нелинейными ВАХ. Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой.

При входном сигнале синусоидальной формы нелинейные искажения проявляются в том, что выходной сигнал не является синусоидальным. При разложении в ряд он оказывается состоящим из основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, и ряда высших гармоник. Величина нелинейных искажений в случае синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений

При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным усиленным сигналом. Все высшие гармоники, начиная со второй, являются следствием нелинейных искажений. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник, и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клирфактором):

,

где n - номер гармоники.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, так как более высокие гармоники выходного сигнала обычно имеют малую мощность. B многокаскадных усилителях (когда каскады вносят примерно одинаковые нелинейные искажения) общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений каждого каскада:

K_г ? K_г1 + K_г2 + … + K_гn

B общем случае нелинейные искажения отдельных каскадов могут частично компенсировать друг друга вследствие сдвига колебаний по фазе. Реальные усиливаемые сигналы в большинстве случаев отличаются от синусоидальных. При их усилении возникают новые гармоники и гармоники комбинационных частот, поэтому величина K_г не дает полной оценки уровня нелинейных искажений сигнала со сложным спектральным составом.

B многокаскадных усилителях наибольшие нелинейные искажения обычно возникают в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

При отсутствии линейных искажений (т.е. реактивных элементов в схеме усилителя) соотношение основной и высших гармоник на выходе не зависит от частоты входного сигнала, а зависит только от его амплитуды; характерно также отсутствие какого бы то ни было сдвига фаз между входным и выходным сигналами.

Сигнал сложной формы, очевидно, сам состоит из ряда гармоник. Поэтому его нелинейные искажения проявляются либо в возникновении дополнительных гармоник, либо (в случае бесконечного ряда гармоник на входе) - в изменении «спектрального состава гармоник», т.е. соотношения их амплитуд.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.8. Нелинейные искажения сигналов, вызванные: а - нелинейностью входной характеристики; б - непостоянством усиления транзистора

Следует отметить, что между линейными и нелинейными искажениями существует связь, несмотря на их различное происхождение. Пусть, например, в каком-либо промежуточном каскаде усилителя получились нелинейные искажения, т.е. появились высшие гармоники. Эти гармоники могут быть либо дополнительно подчеркнуты, либо частично подавлены, в зависимости от вида частотных характеристик последующих каскадов.

Полное отсутствие нелинейных искажений принципиально невозможно, потому что в усилителях используются такие управляющие элементы, как биполярные или полевые транзисторы. На рис.6.8 приведен пример возникновения нелинейных искажений, обусловленные нелинейностью ВАХ биполярного транзистора. Из графиков видно, что при подаче на базу транзистора напряжения синусоидальной формы входной ток базы будет отличаться от синусоиды.

6.3 Обратные связи в усилителях

6.3.1 Виды обратных связей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чтобы усилительные каскады позволили реализовать требуемые высокие технические показатели, практически во всех современных электронных усилителях вводятся специальные цепи обратной связи (ОС). При ОС энергия сигнала передается в направлении обратном направлению усиливаемого сигнала (рис. 6.9), т.е. от последующих цепей в предшествующие (из выходных цепей усилителя во входные).

Усилитель с коэффициентом усиления K_u, охвачен цепью ОС с коэффициентом передачи в. Цепь ОС совместно с цепью усилителя, которую она охватывает, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС.

Произведение в K_u в усилительной технике называют петлевым усилением или фактором ОС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.10. Многопетлевая схема усилителя с ОС

Обратная связь влияет на такие показатели усилителей (усилительных каскадов), как сквозной коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, стабильность коэффициента усиления, АЧХ, коэффициент гармоник и уровень шума и помех. Обратная связь изменяет технические показатели только той части усилителя, которая охватывается петлей ОС. Различают однопетлевую обратную связь (см. рис. 6.9) и многопетлевую (рис. 6.10).

Обратная связь, охватывающую лишь один каскад усилителя (цепи с в₁ и в₂), называют местной ОС, а ОС, охватывающую несколько каскадов (цепь с в) - общей ОС (см. рис. 6.10). В зависимости от схемной реализации усилителя ОС может быть осуществлена по постоянному току, по переменному току, а также и по постоянному и по переменному току.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.11. Обратная связь в зависимости от способа получения сигнала: а - по напряжению; б - по току; в - комбинированная

В зависимости от способа получения сигнала U_oc различают ОС по току и напряжению:

· если цепь ОС подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке (R_н), то напряжение ОС (U_ос) будет пропорционально напряжению на выходе, такую ОС называют ОС по напряжению (рис. 6.11, a);

· если же цепь ОС подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет пропорционально току в нагрузке (I_н); такую ОС называют ОС по току (рис. 6.11, б).

Возможна комбинация этих способов подключения цепи ОС к выходу, в этом случае сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи. Эта ОС называется комбинированной (рис. 6.11, в).

По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС и смешанную:

· обратную связь называют последовательной, если сигнал ОС действует во входной цепи последовательно с входным сигналом (U_вх), при этом происходит суммирование входного напряжения (U_вх)и напряжения ОС (рис. 6.12, а);

· если же цепь ОС подключается ко входу параллельно источнику сигнала, то ОС называют параллельной (рис. 6.12, б). При этой связи происходит суммирование токов I_вх и ОС;

· в смешанной схеме введения ОС с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС (рис. 6.12, б).

Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная ОС (ПОС) возникает в том случае, когда напряжение обратной связи (U_ос) совпадает по фазе с входным напряжением (U_вх). Если напряжение обратной связи (U_ос) противоположно по фазе входному напряжению (U_вх), т.е. они сдвинуты относительно друг друга на 180є, то ОС называется отрицательной (ООС). В усилительных устройствах в основном применяется ООС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

И, наконец, если коэффициент передачи обратной связи (в) в рабочем диапазоне частот усиления не зависит от частоты, то ОС называется частотно-независимой. Если же в является функцией частоты, то ОС называется частотно-зависимой.

Наиболее распространенной в усилителях является последовательная отрицательная ОС по напряжению (рис. 6.13). Рассмотрим влияние этого вида ОС на характеристики и параметры усилителя. Здесь усилитель с коэффициентом усиления

K = U_вых / U_вх

охвачен ОС с коэффициентом передачи

в = U_ос / U_вых,

где коэффициент в может принимать значения от 0 до +1 при положительной ОС и от 0 до -1 при отрицательной ОС.

В общем случае напряжение ОС определяется из выражения:

U_ос = ± вU_вых.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, равен:

K_ос = U_вых / U_вх.

Напряжение U*_вх, поступающее на вход усилителя, в общем случае является суммой напряжений U_вх и U_ос:

U*_вх = U_вх + U_ос.

Учитывая, что

U_ос = ± вU_вых,

получим:

U*_вх = U_вх + ( ± вU_вых).

Отсюда

U_вх = U*_вх - ( ± вU_вых).

Тогда коэффициент усиления усилителя с ОС равен:

K_ос = U_вых / [U*_вх - ( ± вU_вых)].

Разделим числитель и знаменатель последнего выражения на U*_вх, получим:

K_ос = [U_вых / U*_вх ] / [ 1 - ( ± вU_вых / U*_вх)],

Но

U_вых / U*_вх = K.

Таким образом, выражение для коэффициента усиления усилителя, охваченного ОС, принимает вид:

K_ос = K / [1 - ( ± вK)],

где (1 ± вK) - называют глубиной ОС. Знак перед фактором ОС вK совпадает со знаком самой ОС.

При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается:

K_ос = K / [1 - вK],

а коэффициент усиления возрастает. Значение петлевого усиления при этом ограничивается условием:

вK < 1.

При вK ? 1, называемого условием самовозбуждения, усилитель теряет устойчивость и не может рассматриваться как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного. Этот режим используется в генераторах.

При отрицательной ОС знаменатель возрастает:

K_ос = K / [1 + вK],

а коэффициент усиления падает.

Несмотря на уменьшение усиления, отрицательная ОС широко используется в усилителях, так как при ее введении удается улучшить ряд других параметров.

Особое значение для работы усилителя имеет стабильность коэффициента усиления. При работе усилителя его коэффициент усиления не остается постоянным, а изменяется вследствие различных дестабилизирующих факторов: старения усилительных и других элементов, изменения температуры окружающей среды, влажности, давления, напряжения источника питания и т.д.

Изменение коэффициента усиления оценивается относительным изменением коэффициента усиления:

или

С учетом, что

,

.

Таким образом, относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, уменьшается в (1 + вK) раз.

При вK >> 1 (при глубокой ОС)

.

То есть коэффициент усиления схемы, охваченной глубокой отрицательной ОС, практически не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС. Цепь ОС состоит из пассивных элементов, резисторов, которые можно выполнить очень стабильными. В результате удается создавать усилители с очень высокой стабильностью усилителя.

6.3.2 Влияние последовательной отрицательной ОС по напряжению на входное и выходное сопротивления усилителя

Входное сопротивление усилителя в основном зависит от способа подачи напряжения отрицательной ОС во входную цепь и не зависит от того, каким образом это напряжение снимается с выхода усилителя. Входное сопротивление усилителя с ОС (см. рис. 6.13) равно:

R_{вх ос} = U_вх / I_{вх ос}.

Напряжение на входных зажимах усилителя при отрицательной ОС:

U_вх = U*_вх + U_ос; (6.1)

U_ос = U*_вх вK; (6.2)

U*_вх = I_{вх ос} R_вх. (6.3)

Подставим выражения (6.2) и (6.3) в выражение (6.1), получим:

U_вх = I_{вх ос} R_вх (1 + вK);

R_вхос = R_вх (1 + вK). (6.4)

Из выражения (6.4) видно, что введение последовательной отрицательной ОС эквивалентно включению последовательно со входным сопротивлением усилителя дополнительного сопротивления (R_вх вK).

Таким образом, применение последовательной отрицательной ОС позволяет при больших значениях петлевого усиления (вK) получать достаточно высокое (десятки мегаом) входное сопротивление.

Выходное сопротивление усилителя в отличие от его входного зависит от того, как снимается напряжение ОС (пропорционально выходному напряжению или пропорционально выходному току), но не зависит от способа подачи напряжения ОС во входную цепь.

Выходное сопротивление усилителя с отрицательной ОС по напряжению равно:

R_{вх ос} = R_вых / (1 + вK).

То есть при введении этого вида ОС выходное сопротивление уменьшается в (1 + вK) раз, что позволяет реализовать усилитель с малым (единицы ом) выходным сопротивлением, приближая его выходную цепь к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при различных сопротивлениях нагрузки.

6.3.3 Влияние отрицательной ОС на нелинейные искажения и помехи

Вследствие нелинейных искажений в выходном сигнале каскада появляется ряд высших гармоник. Тогда при введении отрицательной ОС напряжение U_ос также содержит ряд высших гармоник. Но так как напряжение U_ос подается на вход усилителя в противофазе с входным сигналом (U_вх), то напряжение на выходе усилителя, вызванное напряжением ОС, будет также в противофазе с выходным напряжением каскада. В результате, это уменьшит амплитуды высших гармоник, т.е. нелинейные искажения уменьшатся.

Отрицательная ОС уменьшает искажения, возникающие в усилителе, во столько раз, во сколько изменяется коэффициент усиления усилителя, т.е. коэффициент гармоник

K_{г ос} = K_г / (1 + вK)

уменьшается прямо пропорционально глубине ОС. Следует заметить, что отрицательная ОС уменьшает в (1 + вK) раз помехи и шумы, возникающие в усилителе.

Наибольшую величину нелинейных искажений обычно создает выходной каскад усилителя, так как он работает при больших амплитудах входного сигнала. Поэтому отрицательную ОС наиболее часто используют в мощных выходных каскадах

6.3.4 Влияние отрицательной ОС на частотные искажения

Амплитудно-частотная характеристика усилителя свидетельствует о снижении коэффициента усиления на границах полосы пропускания f_н и f_в и появлении частотных искажений. Введем частотно-независимую отрицательную ОС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Под действием отрицательной ОС уменьшается коэффициент усиления каскада, а следовательно, и напряжение на его выходе. Это приводит к изменению напряжения ОС и результирующего напряжения на входе каскада

(U* = U_вх - U_ос),

однако изменение усиления каскада даже с частотно-независимой ОС происходит неравномерно.

На средних частотах коэффициент усиления максимален, а следовательно, и максимально напряжение ОС:

U_ос = вU_вых,

на верхних и нижних частотах, где коэффициент усиления уменьшается, уменьшается и напряжение ОС. Следовательно, на верхних и нижних частотах на вход усилителя поступает больший, чем на средних частотах сигнал. В результате характеристика становится более равномерной, и полоса пропускания усилителя (Дf), охваченного отрицательной ОС, расширяется.

При частотно-зависимой отрицательной ОС коэффициент передачи цепи ОС зависит от частоты сигнала. Частотно-зависимая отрицательная ОС изменяет АЧХ усилителя по закону, обратному закону изменения коэффициента передачи цепи ОС в зависимости от частоты: в(щ). Частотно-зависимую отрицательную ОС широко используют для формирования АЧХ заданной формы.

Мы рассмотрели влияние последовательной отрицательной ОС по напряжению на входное и выходное сопротивления. Аналогично можно проанализировать влияние параллельной ОС на входное сопротивление и ОС по току на выходное (см. табл. 6.1).

Таблица 6.1

Влияние ООС на входное и выходное сопротивления

Вид ООС	Rвх	Rвых
Последовательная по напряжению	Увеличивается	Увеличивается
Последовательная по току	Увеличивается	Увеличивается
Параллельная по напряжению	Уменьшается	Уменьшается
Параллельная по току	Уменьшается	Увеличивается

При параллельной ОС принципиально наличие сопротивления R_г (внутреннего сопротивления источника питания). Если источник входного сигнала имеет малое внутреннее сопротивление, то последовательно с ним включают дополнительный резистор. При R_г = 0 на входе усилителя будет короткое замыкание (КЗ) напряжения ОС

6.3.5 Паразитные ОС и способы их устранения

В усилителе часто возникают ОС, не создаваемые специально. Такие ОС называются паразитными. Паразитная ОС может быть отрицательной и положительной. Паразитная отрицательная ОС не приводит к заметному ухудшению показателей усилителя, а даже может их несколько улучшить, поэтому на нее обычно не обращают особого внимания. При положительной ОС существенно ухудшаются технические показатели.

Основными видами паразитной ОС являются:

1) связь через междуэлектродные емкости - этот вид наиболее опасен для усилителей высокой частоты;

2) связь, возникающая в результате индуктивного и емкостного взаимодействия между деталями и проводами усилителя. Устранение этого вида паразитной ОС достигается рациональным расположением элементов схемы, правильным монтажом, экранированием катушек индуктивности, трансформаторов и отдельных проводов;

3) связь через общие источники питания. В многокаскадных усилителях источник питания является общим для всех каскадов. Через его внутреннее сопротивление R_и протекают токи сигнала всех каскадов и на его концах появляется напряжение сигнала U_oc. Хотя это напряжение ничтожно мало по сравнению с напряжением на нагрузке, но попав по цепям питания на вход усилителя оно может, при определенных условиях, резко изменить свойства усилителя или даже превратить его в генератор паразитных колебаний.

Для защиты от паразитных ОС через источник питания применяют следующие меры:

1) уменьшение - внутреннего сопротивления источника питания (R_и);

2) включение в выходной цепи усилителя развязывающих резистивно-емкостных фильтров (наиболее употребительный способ). В некоторых случаях развязывающий фильтр включают в каждый каскад усилителя;

3) применение двухтактного усилительного каскада, работающего в режиме А, в котором переменная составляющая тока сигнала, протекающая через цепь питания и определяющая паразитную ОС, уменьшается примерно в 5 раз по сравнению с однотактным каскадом.

6.4 Усилители низкой частоты

Назначение усилителя, в конечном итоге, состоит в получении на заданном сопротивлении нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

Большинство источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Реальный усилитель составляют из нескольких последовательно включенных усилительных каскадов (рис. 6.15).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.15. Структурная схема многокаскадного усилителя

Первые каскады усилителя работают при относительно малом уровне сигнала. Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления (КПУ). Число КПУ зависит как от уровня входного сигнала, так и от уровня сигнала, необходимого для подачи на вход предоконечного каскада усиления (ПОКУ).

Поскольку при проектировании усилителя всегда стремятся уменьшить число каскадов, в каждом из них реализуют по возможности большее усиление. При самом высоком уровне сигнала в усилителе обычно работают оконечный каскад усиление (ОКУ), а иногда и предоконечный, которые должны обеспечить этот высокий уровень. Если на активной нагрузке должен быть получен требуемый уровень выходной мощности, ОКУ называется усилителем мощности. Оконечные каскады усиления часто выполняются по двухтактной схеме, тогда ПОКУ, помимо обеспечения требуемого усиления, выполняет роль согласующего звена между выходом КПУ и входом ОКУ.

6.5 Каскады предварительного усиления

6.5.1 Каскад с ОЭ

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по мощности. В простейшей схеме усилительного каскада с ОЭ с одним источником питания (рис. 6.16) коллектор транзистора подключен через резистор R_к к источнику питания Е_к, входной сигнал подается на базу транзистора относительно общей точки. Выходной сигнал снимается с коллектора, относительно той же заземленной точки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конденсаторы C_p1 и C_p2 играют роль разделительных элементов. Разделительный конденсатор C_p1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора C_p2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения U_кэ.

Для нормальной работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на транзисторе. Этот режим называют статическим или режимом покоя усилительного каскада. Постоянные токи и напряжения в цепях усилительного элемента (УЭ), соответствующие этому режиму называют токами и напряжениями покоя. Они определяют на входных и выходных статических характеристиках УЭ точку покоя (ТП). На рис. 6.17 показана работа каскада усиления при неправильно выбранной рабочей точке покоя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резистор R_б (см. рис. 6.16) в цепи базы обеспечивает выбор рабочей ТП на характеристиках транзистора (см. рис. 6.17) и определяет режим работы каскада постоянному току. Значение сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

.

Цепь протекания постоянных токов в этой схеме:

1) ток эмиттера I_эп протекает по цепи общий провод, «эмиттер - база» транзистора, затем разделяется на ток базы I_бп и ток коллектора I_kп;

2) I_бп протекает через резистор R_б и источник питания Е_к;

3) ток коллектора I_kп протекает через КП транзистора, резистор R_к и источник питания Е_к.

Приведенная схема получила название схемы с фиксированным током базы. Схема с фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, большое сопротивление R_б (десятки килоом) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Но этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры. Кроме того, большой разброс и нестабильность коэффициента передачи (в) даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма не устойчивым при замене транзистора.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 6.18). В этой схеме резисторы R₁ и R₂, подключенные параллельно источнику питания Е_к, составляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяется из соотношений:

Размещено на http://www.allbest.ru/

; .

Ток делителя (I_д) обычно выбирают в пределах:

.

При введении делителя повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения (U_бэп). Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из соображений экономичности, поскольку чем больше ток I_д тем более мощным должен быть источник питания (E_к).

Так как внутреннее сопротивление источника питания мало, можно считать, что R₁ и R₂ включены параллельно друг другу и параллельно входному сопротивлению транзистора по переменному току. Поэтому необходимо, чтобы

.

То есть делитель, образованный резисторами R₁ и R₂ должен обладать достаточно большим сопротивлением (приблизительно несколько килоом). Иначе входное сопротивление каскада окажется очень малым.

В зависимости от режима работы усилителя по постоянному току и значения входного усиливаемого сигнала различают следующие классы (или режимы) усиления: А, В, АВ, С, Д.

Режим А - это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение всего периода входного сигнала. В режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока не может превышать тока покоя в статическом режиме. Он характеризуется малыми нелинейными искажениями и низким КПД, поэтому его используют в КПУ и маломощных выходных каскадах (рис. 6.19, б).

В режиме В (рис. 6.19, в) ток через транзистор протекает в течение половины периода входного синусоидального сигнала, а при отсутствии входного сигнала он равен нулю. Обычно этот режим используют в двухтактных схемах усилителей (в однотактных большие нелинейные искажения). Для уменьшения уровня нелинейных искажений используют промежуточный режим АВ, который отличается от режима В наличием постоянной составляющей в статическом режиме (обычно 5 - 10 % от максимального тока при заданном входном сигнале). Режим АВ также используется в двухтактных схемах (рис. 6.19, в, штриховая линия).

В режиме С ток через транзистор протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала. Этот режим используется в мощных резонансных усилителях, в которых нагрузкой является колебательный контур (рис. 6.19, г).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Режим Д (или ключевой) - это режим, при котором транзистор находится в одном из двух состояний: запертом (режим отсечки) или открытом (режим насыщения).

Таким образом, при отсутствии переменного сигнала на входе усилителя в цепи коллектора протекает постоянный ток (I_кп). Для выходной цепи источника питания Е_к можно записать:

U_кэп = Е_к - I_rпR_к.

Так как напряжение источника питания постоянно, то это равенство выполняется при любых мгновенных значениях тока коллектора (i_к):

U_кэ = Е_к - i_кR_к

Последнее уравнение называют уравнением линии нагрузки по постоянному току. Линию нагрузки проводят на семействе выходных характеристики транзистор с ОЭ между точками с координатами:

U_кэ = 0; ;

I_k = 0; U_кэ = Е_к.

Точка покоя (А) определится, как пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующей базовому току покоя I_бп (рис. 6.20).

Точка покоя базовой цепи находится на входной характеристике i_б = f(u_бэ) и имеет координаты (U_бэп, I_бп) (рис. 6.20).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разрешенная область надежной работы транзистора (рис. 6.21) ограничивается максимально допустимыми током коллектора (I_{к max}), напряжением (U_{кэ max}) и рассеиваемой мощностью (P_{к max}). Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального входного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Линия нагрузки (рис. 6.21) ограничивается точками 1 и 2. За пределами участка 1 - 2 процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки 1 наступает насыщение транзистора, и он перестает управляться током базы. Ниже точки 2 транзистор оказывается в режиме отсечки, т.е. также перестает управляться.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6.5.2 Стабилизация режима покоя каскада с ОЭ

Ранее было показано, что изменение температуры вызывает изменение параметров транзистора, в результате чего изменяются его характеристики. Таким образом, при изменении температуры изменяется положение рабочей точки покоя относительно ее первоначального положения, а следовательно, изменяется режим работы транзистора.

Большие изменения тока коллектора покоя могут привести к существенным нелинейным искажениям. Поэтому в практических схемах применяются меры для стабилизации режима покоя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наиболее широко применяются ООС по постоянному току или напряжению. Схема с ООС по напряжению или схема с коллекторной температурной стабилизацией (рис. 6.22) отличается от схемы с фиксированным током базы тем, что резистор R_б подключен к коллектору транзистора с напряжением U_кэ = U_кэп, а не к источнику питания. Поэтому сопротивление R_б определяется по формуле:

R_б.

Стабилизация режима покоя происходит следующим образом: при повышении температуры увеличиваются токи I_бп и I_кп, что приводит к изменению потенциала коллектора

U_кэп = Е_к - (I_бп + I_кп) R_к,

а следовательно, и тока базы, и тока коллектора:

I_бп = ; I_кп = в I_бп.

Схема коллекторной температурной стабилизации проста, но имеет ограниченное применение из-за следующего недостатка. Наличие нежелательной ООС по переменному току через резистор R_б, уменьшает входное сопротивление и коэффициент усиления, поэтому эффективность стабилизации будет тем выше, чем больше сопротивление R_к, а это требует увеличения напряжения источника питания (Е_к).

Более эффективной является схема усилительного каскада с ООС по постоянному току (схема с эмиттерной температурной стабилизацией), которая сохраняет работоспособность при колебаниях температуры на (70...100) ^_С (рис. 6.23).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стабилизация режима по току происходит следующим образом. При увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как I_э = I_к / б, то увеличение тока I_k приведет к увеличению тока эмиттера (I_э) и падения напряжения на резисторе (R_э). В результате, напряжение U_бэ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы (I_б), а следовательно, и тока коллектора (I_к). Для устранения ООС по переменному току резистор R_э шунтирует конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть много меньше сопротивления R_э.

Сопротивление резисторов R₁, R₂ и R_э обычно рассчитывают в следующей последовательности:

1) определяют сопротивление резистора

R_э = (0,1...0,3);

2) затем, задаваясь значением тока делителя I_д = (2...5) I_бп, определяют сопротивления резисторов:

; .

Уравнение нагрузочной прямой в этом случае имеет вид:

.

При жестких требованиях к температурной стабильности каскадов усиления применяют ООС как по напряжению, так и по току (комбинированную ОС).

6.5.3 Работа каскада с ОЭ по переменному току

Рассмотрим работу каскада по переменному току в режиме холостого хода, т.е. R_н = ?. Напряжение синусоидального входного сигнала (рис. 6.23) подают на участок «база - эмиттер» транзистора, через разделительный конденсатор С_р1, что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I_бп. Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора (I_к), протекающего по сопротивлению нагрузки R_к (i_к~ = в·i_б~ ). Переменная составляющая тока коллектора (I_к~) создает на сопротивлении R_к усиленное по амплитуде напряжение, при этом появляется на выходе cхемы напряжение U_кэ~ = U_вых.

Увеличение входного напряжения вызывает увеличение тока базы (I_б), увеличение тока коллектора (I_к) и уменьшение напряжения U_кэ, т.е. каскад с ОЭ осуществляет инверсию напряжения, выходной сигнал находится в противофазе к входному. Это обусловлено подключением нагрузки R_н параллельно транзистору, на сопротивлении R_к сигнал синфазен входному. Несмотря на сдвиг фаз между выходным (U_вых) и входным (U_вх) напряжениями, в рабочем диапазоне частот не возникает фазовых искажений, так как все гармоники сдвигаются на 180є и форма выходного сигнала соответствует входному.

Процесс усиления сигнала можно пояснить графически с помощью входных и выходных статических характеристик транзистора (рис. 6.24)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.24. Графическое представление работы коллекторной (а) и базовой (б) цепей усилительного каскада

Подключим к выходу цепи усилителя сопротивление внешней нагрузки R_н (см. рис. 6.23). Переменная составляющая тока коллектора (I_к~) делится в этом случае на две составляющие: ток через сопротивление (R_к), который далее замыкается через источник питания E_к, и ток нагрузки (I_вых).

Сопротивления R_к и R_н для переменного тока включены параллельно, так как внутреннее сопротивление источника питания по переменному току можно считать равным нулю. Поэтому

U_кэ~= I_к~= I_к~· R_н.

Линия нагрузки по переменному току идет круче (см. рис. 6.24), так как сопротивление выходной цепи транзистора уменьшилось, и проходит через точку покоя под углом ш = arctg R_н.

В режиме усиления малых сигналов (в каскадах предварительного усиления) расчет основных динамических параметров можно производить аналитически. В этом случае составляют эквивалентную схему усилительного каскада по переменному току (рис. 6.25).

Размещено на http://www.allbest.ru/

По схеме замещения (рис. 6.25) определяются основные параметры каскада по переменному току:

;;

;

6.5.4 Каскад с ОК

В усилительном каскаде с ОК (рис. 6.26) входной сигнал поступает на базу транзистора по отношению к общей точке, с которым через малое сопротивление источника питания E_к по переменному току соединен коллектор. Выходной сигнал снимается с эмиттера и через разделительный конденсатор C_р2 подается в нагрузку. В схеме действует 100 %-я ООС по напряжению.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Транзистор каскада работает в активном режиме. Сопротивления R₁, R₂ и R_э задают режим покоя каскада. Кроме того, резистор R_э является сопротивлением нагрузки транзистора по постоянному току. Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется из соотношения:

R_к~ = R_э·R_н / (R_э + R_н).

В отличие от схемы с ОЭ входное и выходное напряжения каскада с ОК совпадают по фазе, при подаче входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание эмиттерного тока. Это приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении R_э и, следовательно, на сопротивлении нагрузки R_н.

Из схемы (см. рис. 6.26) видно, что

U_вх = U_бэ + U_вых,

так как R_н~ много больше сопротивления эмиттерного перехода (U_вых >> U_бэ). Поэтому K_u = U_вых / U_вх близок к единице, однако меньше ее. Таким образом, в схеме с ОК выходной сигнал повторяет входной по уровню напряжения и по фазе. Поэтому схема с ОК называется «эмиттерный повторитель». Эта схема не обеспечивает усиления по напряжению, но имеет достаточно высокий коэффициент усиления по току и, следовательно, по мощности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

С помощью схемы замещения каскада с ОК (рис. 6.27) довольно просто получить основные параметры усилителя:

;

;

;

;

.

Входное сопротивление достаточно велико (десятки килоом), что является одним из важнейших преимуществ каскада ОК. Выходное сопротивление ЭП небольшое и составляет десятки ом

Таким образом, основными особенностями эмиттерного повторителя являются следующие:

· коэффициент усиления по напряжению меньше единицы;

· усиление по току и мощности больше единицы;

· малые частотные искажения;

· входное сопротивление каскада значительно больше, чем у каскада с ОЭ;

· выходное сопротивление значительно меньше, чем у каскада с ОЭ и практически не зависит от сопротивления резистора выходной цепи каскада в достаточно широком диапазоне его изменения;

· большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений, это объясняется тем, что потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (U_бэ > 0), который может изменяться от 0 до напряжений близких к E_к.

Эмиттерный повторитель широко используется в качестве:

· входного каскада при работе от источника входного сигнала с высоким внутренним сопротивлением;

· промежуточного каскада для согласования высокого выходного сопротивления с малым входным сопротивлением последнего каскада;

· выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

6.5.5 Усилительный каскад на полевом транзисторе

Усилительный каскад на полевом транзисторе (ПТ) имеет такую же структуру, как и усилительный каскад на биполярном транзисторе (БТ). Отличительными особенностями ПТ являются:

· чрезвычайно малые токи во входной цепи, а следовательно, и малая мощность, необходимая для управления прибором;

· линейная зависимость крутизны от управляющего напряжения, возможность работы в качестве сопротивления, управляемого напряжением;

· наличие термостабильной точки у транзисторов с обратно смещенным переходом затвор-исток;

· повышенная радиационная стойкость;

· малый уровень шумов;

· простота технологии при их производстве.

По аналогии с БТ в зависимости от того, какой электрод подключается к общей шине различают три схемы включения ПТ:

1) с общим истоком (ОИ);

2) с общим стоком (ОС);

3) с общим затвором (ОЗ).

Схема с ОЗ обладает низким входным сопротивлением и потому имеет ограниченное практическое применение. Основным и наиболее распространенным является каскад с ОИ.

Схема с ОИ (рис. 6.28) соответствует схеме с ОЭ для биполярного транзистора, но поскольку входная цепь полевых транзисторов не потребляет тока от источника сигнала входное сопротивление усилителя чрезвычайно велико. В этой схеме емкости C_р1, C_р2 - играют роль разделительных элементов. Сопротивление R_с является нагрузкой ПТ по постоянному току (аналогично сопротивлению R_к в схеме с ОЭ).

В усилителе применено автоматическое смещение. Цепочка R_и C_и в цепи истока служит для получения напряжения автоматического смещения и выбора рабочей точки на стоко-затворной характеристике ПТ.

Падение напряжения на R_и от тока покоя транзистора (I_сп) создает смещение потенциала истока относительно общей точки на величину

U_ип = I_сп R_и,

а потенциал затвора равен нулю, так как падение напряжения от тока затвора на сопротивлении R_з пренебрежимо мало (I_з > 0). В итоге напряжение между затвором и истоком в режиме покоя будет равно:

U_зип = I_сп R_и.

Резистор R_и, кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет также функцию термостабилизации режима покоя. Чтобы исключить ООС по переменному току резистор R_и шунтируется конденсатором C_и. Для максимальной термостабилизации каскада ток I_cп желательно выбирать в термостабильной точке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резистор R₁, на первый взгляд, является лишним, так как делитель R₁ R_З создает смещение на переходе с полярностью, противоположной необходимой. Нужное смещение можно задать лишь с помощью R_З. Однако при замене транзистора вследствие очень большого разброса параметров транзисторов выбранная исходная рабочая точка не сохраняется.

...