Электронные усилители

Лекция №

Устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов с помощью электронных приборов, называются электронными усилителями.

Основным классификационным признаком является диапазон частот

сигналов.

По этому признаку различают следующие типы усилителей:

1. УНЧ – частотный спектр от десятков герц до десятков килогерц.

2. УПТ - (усилители медленно меняющихся сигналов). Частотный диапазон от до кГц. Усиливают как постоянную составляющую, так и переменную составляющую.

3. Избирательные (селективные) усилители – усиливающие сигнал в очень полосе частот. Это резонансные или узко частотные усилители.

4. Широкополосные (импульсные) усилители, усиливающие широкую полосу частот (от нескольких килогерц и ниже до нескольких мегагерц и выше). Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи (радиолокации и телевидения). Часто эти усилители называются видеоусилителями.

Основные технические показатели усилителей

Важнейшим техническими показателями усилителей является:

1.Коэфициенты усиления (по напряжению, току и мощности).

2. Входное и выходное сопротивление.

3. Входная мощность.

4. Коэффициент полезного действия.

5. Номинальное входное напряжение (чувствительность).

6. Диапазон усиливающих частот.

7. Динамический диапазон амплитуд.

8. Уровень собственных помех.

9. Показатели, характеризующие уровень: - нелинейных, частотных, фазовых искажений усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления

Коэффициентами усиления по напряжению называется величина, показывающая во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше чем на входе:

Для многокаскадных усилителей отсутствует коэффициент усиления, равен произведению коэффициентов отдельных каскадных.

= =

= * * или =

Здесь - безразмерная величина, причём довольно большая. В электронике получил распространение способ записи в логарифмических единицах - децибелах

Обратный переход: =

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя в логарифмических единицах:

=

Коэффициент усиления по току:

= ; = =

Коэффициент усиления по мощности:

;

Входное и выходное сопротивление

Усилитель можно рассматривать как четырёхполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным сопротивление нагрузки.

Входное сопротивление усилителя – это сопротивление между входными зажимами усилителя:

Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя, при отключенном сопротивлении нагрузки .

Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении.

При активном сопротивлении нагрузки:
где - действующее - амплитудное значение выходного напряжения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

где - мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания

Номинальное входное напряжение (чувствительность)

Это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающая заданную мощность, тем выше чувствительность усилителя.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя).

Называется область частот, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется не более, чем в раз.

Уровень собственных помех.

Собственные помехи делятся:

1. Тепловые шумы
2. Шумы усилительных элементов
3. Шумы из-за пульсаций напряжения питания и наводок, со стороны внешних и магнитных полей.

1. Тепловой шум вызван случайным явлением электронов в веществе под влиянием тепловой энергии, получаемой от окружающей среды.

Действующее значение теплового шума:

где - постоянная Больцмана

- температура в К

- полоса пропускания усилителя

R – величина сопротивления

Мощность теплового шума, имеет равномерную частотную характеристику. Такой шум называют белым (шум Джонсона).

Напряжение шумов, также может возникнуть из-за неравномерности движения носителей электрических зарядов через усилитель. Это изменение вызывает шумовой ток. Это - дробовой шум.

Действующее значение шумового тока:

кг – заряд электрона

- среднее значение постоянного тока

- полоса пропускания усилителя

Это также белый шум- т.е. частотнонезависимый.

Фликкер шум – вызван изменением скоростей электронов, обусловленных дефектами полупроводникового элемента. Этот шум называют также шумом, т.е. он увеличивается с уменьшением частоты.

Помехи, из-за пульсации напряжения питания, а также наводки со стороны внешних и магнитных полей.

Для уменьшения этих помех используют:

1. Дополнительные сглаживающие фильтры на выходе источников питания
2. Тщательную экранировку наиболее ответственных цепей усилителя (в основном входных)

Динамический диапазон амплитуд –это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя.

Графическая зависимость усилителя, на некоторой не изменой частоте называется амплитудной характеристикой.

При - расходится с идеальной (прямая линия), обусловленная перегрузкой усилителя со стороны элементов входа.

Реальный усилитель усиливает без заметных искажений напряжения в диапазоне:

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют динамическим диапазоном амплитуд. Его обычно выражают в децибелах:

Искажения в усилителях

Нелинейные искажения- изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которою эти колебания проходят.

Основная причина – нелинейность характеристик усилительных элементов.

Появление нелинейных искажений сигнала из-за нелинейности входной характеристики транзистора.

В результате нелинейности характеристики транзистора, форма входного тока отличается от синусоидальной. Это приводит к искажению формы выходного тока и выходного напряжения.

В результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений(коэффициент гармоник).

- мощности гармоник

Р₁- мощность первой (основной) гармоники.

При

где - действующие (амплитудные) значения соответствующих гармоник входного напряжения.

обычно выражают в процентах.

Общая величина нелинейных искажений на выходе усилителя, созданных отдельными его каскадами, определяется по формуле:

Частотные искажения – искажения обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.

Причина – наличие в схеме усилителя реактивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных ёмкостей, ёмкости монтажа и т.д.).

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно - частотной характеристике – зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.

Степень искажений на отдельных частотах выражают коэффициентом частотных искажений: М

где коэффициенты усиления на средней частоте

коэффициент усиления на данной частоте

Обычно определяют коэффициенты искажения на границах диапазона:

где коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона

Из определения М следует:

если М>1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал;

если М<1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет подъём

Идеальной частотной характеристикой УНЧ является прямая линия.

Коэффициент М многокаскадного усилителя:

или в децибелах:

Фазовые искажения – обусловлены фазовыми сдвигами вносимыми реактивными элементами с изменением частоты – это искажения возникающие в следствии сдвига фаз составляющих выходного напряжения относительного входного.

Если

где - время задержки сигнала в усилителе

- фазовый угол, соответствующий времени .

Фазовые искажения отсутствуют при:

1. =0 2.

Последнее выражение возможно только в случае линейной фазовой характеристики.

Фазочастотная характеристика области НЧ – выходное напряжение опережает по фазе входное.

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии.

б – выброс фронта импульса

- спад вершины импульса

Частотная, фазовая и переходная характеристика усилителя однозначно связана друг с другом.

Назначение усилителя в общем итоге – получение на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

Наибольшее распространение получили резистивные каскады предварительного усиления, сопротивлением нагрузки которых, служит резистор.

Существует три основных способа связи между каскадами:

1. емкостная связь (через разделительные конденсаторы)
2. гальваническая связь (непосредственная)
3. трансформаторная

Наибольшее распространение в схемах усилителей переменного напряжения получила ёмкостная межкаскадная связь. Она пропускает в последующие каскады только переменную составляющую сигнала, и в отличие от трансформаторной имеет малые габариты и массу.

Рассмотрим амплитудно – частотную характеристику двух каскадного усилителя с ёмкостной межкаскадной связью.

Полная эквивалентная схема усилителя с ёмкостной межкаскадной связью имеет вид:

Здесь - сопротивление делителя напряжения переменному току.

- ёмкости разделительных конденсаторов, включены последовательно по отношению ко входу и выходу каждого каскада.

, , - параллельно тому или иному элементу схемы.( )

- входная ёмкость следующего каскада - ёмкость монтажа.

На низких частотах сопротивление разделительных конденсаторов увеличивается и падение напряжения на них возрастает. Поэтому на низких частотах наблюдается спад АЧХ. Влияние малых ёмкостей и на этих частотах не существенно.

На средних частотах ёмкостные сопротивления уменьшаются на столько, что падением напряжения на них можно пренебречь. Сопротивления и достаточно ещё велики.

Амплитудно – частотная характеристика АЧХ с ёмкостной межкаскадной связью.

Выходные каскады усилителей.

Выходной каскад усилителя предназначен для отдачи требуемой величины мощности сигнала, с заданным сопротивлением нагрузки. Данный каскад обычно называют усилителем мощности.

В настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные УМ.

Преимущества:

1. небольшие габариты
2. возможность использования интегральных микросхем
3. малые частотные искажения

Простейшим безтрансформаторным УМ, работающем в режиме А, может служить эмиттерный повторитель с двух полярным источником питания( - симметричным)

Максимальный размах напряжения на нагрузке:

При этом мощность в нагрузке:

Максимальное значение мощности будет достигаться пери условии:

Мощность, потребляемая от источника питания:

Коэффициент полезного действия:

Мощность рассеиваемая на транзисторе максимальна в режиме покоя ((т.е. при ) ) ;

Данная схема обладает двумя особенностями, характерными для режима А.

1. Ток через транзистор никогда не равен нулю.
2. Мощность, потребляемая от источника питания постоянна

Существенно большей мощности в нагрузке и более высокого КПД можно достичь в двух тактом усилителе мощности.

Схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположного

типа проводимости, образующих так называемую комплементарную пару имеет вид:

При положительных входных сигналах работает VT1, а VT2 закрыт. При отрицательных входных сигналах работает VT2, а VT1 закрыт, т.е. транзисторы работают попеременно, каждый в течении одного полупериода входного напряжения.

При оба транзистора закрыты, т.е. схема имеет малый ток покоя, что характерно для режима В.

При симметричном питании максимальный размах напряжения на нагрузке:

Мощность в нагрузке:

Мощность, потребляемая от источников питания обоими транзисторами:

где - максимальная амплитуда тока в нагрузке.

Коэффициент полезного действия:

Для уменьшения нелинейных искажений, возникающих из-за большой кривизны, начального участка входных характеристик двухтактный эмиттерный повторитель часто используется в режиме АВ. Для этого через транзисторы VT1, VT2 задаётся ток покоя:

Если напряжение , то выходной потенциал покоя равен входному потенциалу покоя, т.е.:

Эмиттерные резисторы и обеспечивают стабилизацию ока покоя в широком диапазоне температур. Но так как они включены последовательно с нагрузкой , то снижают мощность отдаваемую в нагрузку (выбирают min значение ) .

Напряжение должно отсекать нелинейную часть выходных характеристик в области малых выходных коллекторных напряжений. Напряжение источника питания должно удовлетворять неравенству: