Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция №6
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Лектор Кузнецов Э.В.( KuznetsovEV@mpei.ru)
Многокаскадный усилитель.
Во многих случаях усиление, получаемое от одного транзистора, оказывается недостаточным. Для увеличения коэффициента усиления применяют каскадное включение отдельных усилителей как на рис.6.1, при котором выход последующего каскада подключается к входу предыдущего.
Рис. 6.1. Многокаскадный усилитель (МУ).
Результирующий коэффициент усиления МУ в линейном режиме равен произведению коэффициентов усиления отдельных усилительных каскадов. Последние определяются при учете входных и выходных сопротивлений каскадов в качестве соответствующих внутренних сопротивлений источников и сопротивлений нагрузки. Например, для трехкаскадного усилителя коэффициент усиления равен:
K= Uвых3 / Uвх1=
=Uвх3 K3/ Uвх1 = Uвых2 K3/ Uвх1=
=Uвх2 K2 K3/ Uвх1 =Uвых1 K2 K3/ Uвх1 =
=Uвх1 K1K2 K3/ Uвх1 = K1K2 K3 (6.1)
Линейность МУ достигается согласованием динамических диапазонов амплитудных характеристик отдельных каскадов. При этом каждый последующий каскад имеет больший диапазон допустимых амплитуд входного напряжения и меньший коэффициент усиления. Наибольший коэффициент усиления часто бывает у первого каскада, где наименьшая амплитуда входного напряжения.
На рис. 6.2 представлена схема двухкаскадного МУ и осциллограммы входного (красная) и выходного (черная) напряжений. На рис. 6.3 приведены осциллограммы входного и выходного напряжений в первом каскаде.
Рис.6.2 Многокаскадный усилитель.
Рис.6.3. Осциллограммы напряжений для первого каскада.
Из осциллограмм следует, что:
- в каждом каскаде на средней частоте полосы пропускания сигнал получает сдвиг фазы на 180˚, поэтому при четном числе каскадов сдвиг фаз равен нулю;
- коэффициент усиления МУ составляет около 2700, на первый каскад приходится примерно 50.
Максимальное значение коэффициента усиления ограничивается тепловыми шумами сигнала главным образом в первом каскаде.
В соответствие с (6.1) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) МУ определяется произведением АЧХ всех каскадов. Поэтому полоса пропускания МУ будет уже, чем полосы пропускания каждого усилителя.
На рис.6.4 приведена схема измерения АЧХ МУ.
Результаты измерений приведены на рис.6.5.
Рис.6.4. АЧХ МУ.
По уровню 0.707* Kmax (т.е. (68.7-3)=65.7 дцБ) нижняя частота fн=7.3 Гц, верхняя fв=2.5 МГц.
Преобразования электрической энергии в усилителе.
В рационально построенном усилителе активная мощность сигнала на выходе больше мощности сигнала на входе за счет дополнительной энергии источника.
На лекции №5 было показано, что усилитель представляет собой регулятор потока энергии от источника к нагрузке с заданной характеристикой управления.
При этом часть энергии расходуется на нагревание транзистора и резистивных элементов усилителя. Это прямые потери электрической энергии. В ряде случаев возникает проблема усиления отвода этого тепла специальными мерами (радиаторы, вентиляторы, жидкостные теплообменники).
Если усилитель большой мощности или источник энергии автономный, то важным является вопрос экономии электроэнергии, что достигается выбором соответствующей схемы усилителя и оптимизацией параметров его элементов.
Выражения для активных мощностей различных элементов усилительного каскада на биполярном транзисторе, рассмотренного ранее и их ранжированные по возрастанию значения (Вт) для конкретного каскада приведены на рис.6.5.
Рис.6.5. Мощности элементов усилительного каскада.
Из рисунка видно, что существенными являются позиции с 6 по 9, связанные с цепью коллектора транзистора. Мощность источника Ek составляет в этом случае по постоянному току
PEk0 = Pb0 + PRb0 + Prk0 + Pk0 ≈ Prk0 + Pk0 = 2.042 Вт
и по переменному току
PEk = Pb + Prk + Pk – Ps ≈ Prk + Pk= 0.57 Вт.
Качество преобразовании энергии источника в энергию сигналов можно оценить коэффициентом полезного действия
KPD = PEk / (PEk + PEk0) = 0.28.
Коэффициент усиления рассмотренного усилительного каскада по мощности равен
Kp=Pn/Ps=3.6E-4/3.5E-5≈10.
Вопрос студентам - Трансформатор – усилитель ?
Типы усилителей.
По отношению сопротивления нагрузки RН к выходному сопротивлению Zвых различают:
1. Усилитель напряжения Zвых << RН
2. Усилитель тока Zвых >> RН
3. Усилитель мощности Zвых ≈ RН
Заметим, что эти критерии аналогичны критериям классификации источников электрической энергии.
По значению средней частоты и ширине полосы пропускания различают усилители низких, средних и высоких частот, узко- и широкополосные усилители.
По назначению различают:
-предварительные усилители (усилители напряжения), включаемые непосредственно к первичным преобразователям (сенсорам, датчикам);
-согласующие усилители (мощности) для согласования сопротивлений источников сигналов, длинных линий связи и приемников сигналов;
-выходные усилители (мощности), подключаемые к исполнительным электрическим механизмам;
-избирательные усилители (напряжения)– активные фильтры для селекции полезных сигналов из других сигналов и помех;
-усилители – формирователи сигналов.
Усилительный каскад, рассмотренный на лекции №5 можно использовать (при некоторых дополнениях) в качестве предварительного усилителя напряжения. Примеры некоторых других усилителей будут рассмотрены позже.
Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель) .
В качестве согласующего усилителя часто используется эмиттерный повторитель – каскад, в котором транзистор включен по схеме с общим коллектором рис. 6.6. В этой схеме нет коллекторного резистора, но для создания выходного напряжения включен резистор RЭ в цепь эмиттера.
Рис. 6.6. Схема усилителя с общим коллектором
Особенностью схемы является способ формирования рабочей точки покоя транзистора. Постоянные ток и напряжение между базой и эмиттером транзистора формируются источником EК и резисторами R''Б , R'Б RЭ:
UБЭ0= EК R'Б/( R’’Б +R'Б)- RЭ IЭ0.
Здесь учтено, что постоянный ток базы транзистора сравнительно небольшой.
Управляющее переменное напряжение uБЭ(t) создается двумя источниками
- источником, подключенным на вход усилителя, - uВХ,
- резистором RЭ переменной составляющей тока эмиттера iЭ:
uБЭ(t)= uВХ(t) - RЭ iЭ (t).
Выходное напряжение равно:
uВыХ(t) = RЭ iЭ (t).
Таким образом в схеме сформирована отрицательная обратная связь, которая позволяет получить эффект температурной стабилизации тока, широкий диапазон амплитудной характеристики, коэффициент усиления по напряжению около 1 и другие положительные свойства.
Схема замещения усилителя в линейном режиме, который можно получить, если амплитуда входного напряжения не превышает половины напряжения источника EК, приведена на рис.6.7.
Рис. 6.7. Схема замещения усилителя с общим коллектором в линейном режиме
Здесь RБ,ЭК -эквивалентное сопротивление
.
Из схемы замещения можно получить выражения для основных параметров эмиттерного повторителя.
Коэффициент усиления эмиттерного повторителя.
В полосе пропускания усилителя обычно можно пренебречь реактивными сопротивлениями конденсаторов. Тогда с учетом соотношений между отдельными параметрами транзистора и схемы следует (без вывода):
учитывая, что h21 >> 1 и значения h11 и RЭ одного порядка получим KU =0.9 …0.99.
Выходное напряжение практически совпадает по фазе с выходным напряжение.
Таким образом, выходное напряжение эмиттерного повторителя практически равно входному напряжению.
Возникает вопрос,- «Зачем применяют такое устройство?».
Все дело в других свойствах этого усилителя.
Входное сопротивление эмиттерного повторителя.
Если RБ,ЭК>>h11 , то
Здесь видно, что входное сопротивление может быть значительно больше, чем входное сопротивление усилителя с общим эмиттером, для которого:
Zвх, ОЭ =1/(1/RБ+1/ h11) ≈ h11
Если RБ,ЭК и h11 одного порядка, то с учетом RБ,ЭК
Соответствующая формула в усилителе с общим эмиттером имеет вид
Очевидно, что
ZВХ, ОК >> ZВХ, ОЭ
Таким образом, каскад с общим коллектором имеет повышенное входное сопротивление.
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя.
Учитывая, что h11 ≈ 100…1000 Ом и h21 ≈ 10…150 получим, что выходное сопротивление может быть в интервале от единиц до сотен Ом, т.е. может достигать весьма малых значений.
Для сравнения, в каскаде с общим эмиттером выходное сопротивление не может быть меньше сопротивления коллекторного резистора, т.е. оно больше.
Zвых =1/(1/RК+h22).
Вывод: эмиттерный повторитель имеет большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.
Отмеченные свойства эмиттерного повторителя связаны с использование в нем отрицательной обратной связи по напряжению, которая будет рассмотрена в общем виде на следующих лекциях. Демонстрация осциллограмм (demo6_1.ewb) приведена на рис. 6.8.
Рис.6.8. demo6_2.
Избирательный усилитель с общим эмиттером.
В избирательном усилителе применяются элементы, сопротивления которых зависит от частоты. На рис.6.5. приведен пример избирательного усилителя с общим эмиттером. В цепи коллектора вместо резистора включен параллельный колебательный контур (Lk, Ck, Rk).
Рис. 6.9. Схема избирательного усилителя с параллельным колебательным контуром.
В примере сопротивление параллельного колебательного контура максимальное на частоте резонанса токов (877Гц). Поэтому АЧХ имеет максимум на этой частоте KМАКС = 426. (рис.6.10)
Рис. 6.10. demo6_2. АЧХ и ФЧХ избирательного усилителя с параллельным колебательным контуром.
Нижняя граничная частота по уровню 0.707 Kмакс равна 828Гц, а верхняя -926 Гц. В этой полосе частот коэффициент усиления достигает значительных значений.
Рассмотрим использование такого усилителя для подавления сетевой помехи с частотой 50Гц. Положим, что от первичного преобразователя поступает сигнал с составляющими в пределах обозначенной полосы пропускания с амплитудой 10мВ и частотой 870Гц и помеха с амплитудой и частотой 10мВ 50гц (рис. 6.11).
Рис.6.11. demo6_3.
На рис.6.11 видно, что кривая входного напряжения в этом усилителе имеет две синусоидальные составляющие равной амплитуды, а кривая выходного напряжения составляющую на частоте 50Гц значительно меньшей амплитуды, чем составляющая 870Гц.
Рис. 6.12. Осциллограммы входного (синяя кривая) и выходного (красная кривая) избирательного усилителя с параллельным колебательным контуром.
Усилитель постоянного тока (УПТ).
Во многих случаях частота аналогового сигнала первичного преобразователя весьма мала (сотые доли герца). АЧХ усилителей для таких сигналов должна иметь нижнюю граничную частоту, равную нулю. В этом случае нельзя использовать усилители с конденсаторами связи, включенными между источником сигнала, транзисторами и нагрузкой.
Исключение конденсаторов приводит к проблеме задания и стабилизации состояния нелинейных элементов по постоянному току.
На рис.6.13 приведен пример простой схемы, в которой частично решены эти проблемы. В цепь базы транзистора VT2 включен источник ЭДС (–E2), который позволяет уменьшить постоянный ток базы, создаваемый коллекторной цепью транзистора VT1 через резистор связи R1. Нагрузка Rн подключена к коллектору VT2 и к средней точке делителя напряжения из резисторов R3 и R4. Сопротивления последних резисторов подобраны таким образом, чтобы при отсутствии тока iВХ напряжение uВЫХ =0.
Рис. 6.13. Схема усилителя постоянного тока.
Основной недостаток схемы, приведенной на рис.6.9, заключается в том, с течением времени проявляется «дрейф нуля». Это явление состоит в изменении напряжения uВЫХ при постоянном входном сигнале и вызывается изменениями параметров элементов схемы - сопротивлений резисторов и свойств транзисторов.
Для борьбы с «дрейфом нуля» в схемы встраивают средства температурной стабилизации, стабилизации напряжений и токов источников.
Принципиально другой способ усиления медленно-изменяющихся сигналов- метод модуляции-демодуляции. В этом методе усилению подвергается переменный сигнал, который формируется из исходного сигнала модуляцией. Усиленный переменный сигнал преобразуется в медленно изменяющийся путем демодуляции.
Кардинально проблема «дрейф нуля» решается в дифференциальных усилительных каскадах (рис.6.14)
Рис. 6.14. Схема дифференциального усилителя постоянного тока.
Этот усилитель имеет два входа. Напряжение на выходе равно
uВЫХ=KU(uВХ1- uВХ2)
Симметричные элементы схемы выбираются идентичными. Особенно это удается в микросхемах, в которых элементы создаются в едином технологическом цикле. Поэтому одинаковые температурные изменения их параметров приводят к одинаковым изменениям напряжений на коллекторах транзисторов и не сказываются на изменении выходного напряжения uН.
Дифференциальные усилители стали основой для конструирования интегральных операционных усилителей. На рис.6.15а приведена схема дифференциального усилителя (demo6_4.ewb).
Рис.6.15а. demo6_4. Схема опыта для получения передаточной характеристики Uвых(Uвх) дифференциального усилителя на биполярном транзисторе.
На рис.6.15б приведена передаточная характеристика дифференциального усилительного каскада на биполярном транзисторе . Линейный участок ее выделен вертикальными визирными линиями. На этом участке коэффициент усиления по напряжению составляет |dy/dx|=16.27В/67мВ≈243. За пределами линейного участка коэффициент усиления уменьшается.
Рис.6.15б. demo6_4. Передаточная характеристика Uвых(Uвх) дифференциального усилителя на биполярном транзисторе.
Задание студенту: Изобразить АЧХ УПТ.
Uвх1
вых1 =Uвх2
Uвых2 = Uвх3
Uвых3
K1
K2
K3