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
УСИЛИТЕЛИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель (рис. 2.1) имеет входную цепь, к которой под ключается усиливаемый сигнал, и выход ную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.
Рис. 2.1. К определению параметров усилителя
Основными параметрами усилителя яв ляются коэффициент усиления по напряжению КU = Uвых/ Uвх, коэффициент усиления по току КI = Iвых/ Iвх и коэффициент усиления по мощности КP = Pвых /Pвх = Uвых Iвых /UвхIвх= КU КI
Для усилителя возможны различные значения коэффициентов усиления КU, КI, КP, но принципиально то, что коэффициент усиле ния по мощности КP больше (обычно существенно больше) единицы. Из этого следует обязательное условие, согласно которому больше единицы будет также один из двух других коэффициентов усиления (КU или КI) или все три коэффициента, что часто и имеет место на практике. При КU < 1 и КI < 1 устройство потеряло бы смысл как усилитель.
Коэффициенты усиления КU, КI, КP являются взаимосвязанными параметрами. Вместе с тем при расчете или выборе усилителя для кон кретного случая применения предпочтение может отдаваться одному из указанных параметров. Это зависит от того, какой параметр сигна ла на выходе усилителя (напряжение, ток или мощность) является определяющим. Наиболее часто им служит напряжение выходного сигнала. По этой причине в справочниках по усилителям, как прави ло, указывается параметр КU.
Коэффициенты усиления КU, КI, КP следует считать основными из большого числа параметров, характеризующих усилитель и зави сящих от его назначения. Другие параметры рассматриваются далее по ходу изложения материала.
Форма и характеристики сложных сигналов
Известно, что любой периодический сигнал сложной формы X(t) можно разложить в ряд Фурье, т.е. представить в виде суммы синусоидальных составляющих
где
Совокупность амплитуд гармонических составляющих Ak носит название спектра амплитуд, φk — спектра фаз.
График амплитудного спектра периодического сигнала (например, знакопеременного прямоугольного напряжения, рис. 2.2, а) дискретен и гармоничен — спектральные составляющие (гармоники) находятся в кратных отношениях: 1, 3, . 5... (рис. 2.2,6).
Рис. 2.2. Периодически изменяющееся напряжение прямоугольной формы (а) и график его амплитудного спектра (б)
В спектре периодического сигнала не может быть гармоники с частотой ниже, чем основная (кроме постоянной составляющей, имеющей нулевую частоту).
Гармонические составляющие периодического процесса взаимонезависимы (ортогональны), что позволяет изменять и даже совсем удалять из спектра любые из них, при этом амплитуды и фазы оставшихся не поменяются. Это очень важно, ибо бесконечно широкий спектр, начинающийся от постоянного тока и кончающийся бесконечно высокими частотами, не может быть преобразован полностью, так как| полоса пропускаемых частот у реальных электронных систем ограничена. При этом под шириной спектра обычно понимается область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Во многихслучаях большая часть энергии сигнала сосредоточена в области первых.10 -20 гармоник.
В отдельные моменты времени гармоники сложного периодического сигнала могут складываться в одной фазе или быть в противофазе - возникают максимумы и минимумы.
Отношение максимального уровня сигнала к минимальному называется динамическим диапазоном сигнала и выражается в децибелах (дБ):
Примеры некоторых сложных сигналов
Рис. 3.6. Основная гармоника + 3-я гармоника (аппроксимация прямоугольного сигнала).
Рис. 3.7. Основная гармоника + 2-я гармоника (аппроксимация пилообразного сигнала).
Классификация усилителей
Все усилители можно подразделить на два класса — с линейным и нелинейным режимами работы.
К усилителям с линейным режимом р а б о-т ы (или усилителям мгновенных значений) предъявляется требова ние получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть ми нимальными. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения (тока), составляющих во времени входной сигнал. Коэффициенты усиления здесь рассчиты вают по амплитудным или действующим значениям (в случае синусо идального сигнала) напряжения и тока.
Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитудно-частотная характеристик а (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления Ки, определенного для синусоидального входного сигнала, от частоты. В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют (рис. 2.2) на усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока — УПТ), усилители звуковых частот (УЗЧ), усилители высокой частоты (УВЧ), широкополосные усилители (ШПУ) и узкополосные усилители (УПУ).
Характерная особенность УПТ — способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к нулю (fн → 0).
Рис. 2.2. Классификация усилителей
Верхняя граница частоты fв в УПТ может составлять в зависимости от назначения 103—-108 Гц. УЗЧ характеризуется частотным диапазоном от десятков герц (fн ) до 15—20 кГц (fв ). УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ имеют ниж нюю границу частоты примерно такую же, как УЗЧ, и верхнюю — как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители. УПУ характеризуются пропусканием узкой полосы частот.
В усилителях с нелинейным режимом ра боты пропорциональность в передаче мгновенных значений вход ного сигнала отсутствует. После достижения некоторой величины на пряжения входного сигнала при его увеличении сигнал на выходе усилителя остается без изменения (ограничивается па некотором уровне) Такие усилители нашли применение для преобразования вход ного сигнала, например синусоидального, в импульсный сигнал (усилители-ограничители). Они используются также для усиления импульсов (нелинейные импульсные усилители).
Принцип построения усилительных каскадов
Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляю щих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами. Число каскадов в таких многокаскадных усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления КU, КI, КP . В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительно го усиления и выходные каскады. Каскады пред варительного усиления предназначены для повышения уровня сигна ла по напряжению, а выходные каскады — для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке.
МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
С КОНДЕНСАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ
При усилении малых входных сигналов может оказаться, что одного усилительного каскада недостаточно для получения нужного ко эффициента усиления. В этом случае задачу решают с помощью много каскадных усилителей, получаемых путем последовательного соеди нения отдельных каскадов (рис. 2.14). В многокаскадных усилителях выходной сигнал первого и любого промежуточного каскада служит входным сигналом последующего каскада. Нагрузкой указанных каскадов является входное сопротивление последующего каскада. Входное и выходное сопротивления усилителя определяются соот ветственно входным и выходным каскадами.
Рис. 2.14. Структурная схема многокаскадного усилителя
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произ ведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов
Связь каскадов в многокаскадном усилителе может осуществлять ся с помощью конденсатора, трансформатора или непосредственно. В соответствии с этим различают усилители с конденсатор ной, трансформаторной и непосредственной связью. В настоящее время усилители применяются преимущественно в интегральном исполнении с непосредственной связью между каскадами. Исключение составляют узкополосные усилители радиотехнических устройств высокой частоты, где связь усилительных каскадов интегрального исполнения, а также связь источника вход ного сигнала с входом усилителя и выхода усилителя с нагрузкой могут осуществляться через трансформатор (одна из обмоток которого образует с дополнительно вводимым конденсатором параллельный колебательный контур). Конденсаторы в усилителях интегрального исполнения могут применяться как навесные элементы для связи источника входного сигнала с входом усилителя, выхода усилителя с нагрузкой, а также для связи отдельных усилителей между собой. В качестве элемента связи конденсатор используется в усилителях звуковых частот, усилителях высокой частоты и широкополосных усилителях.
Обратные связи в усилителях
Под обратной связью в усилителях понимают воздействие электрической цепи усилителя, при котором часть выходного сигнала подается на вход усилителя.
На рис. 7.8 изображена структурная схема усилителя с обратной связью.
Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают за счет паразитных емкостей, внутренних со противлений источников питания и т. д. Такие обратные связи назы вают паразитными.
Если при наличии обратной связи входной сигнал uвх складывает ся с сигналом обратной связи uос, в результате чего в усилитель по ступает увеличенный сигнал u1, то такую обратную связь называют положительной.
Если после введения обратной связи сигналы u1 на входе и uвых на выходе усилителя уменьшаются, что обусловлено вычитанием сиг нала обратной связи из входного сигнала uвх, то такую обратную связь называют отрицательной.
Обратные связи подразделяют на обратные связи по напряжению" и по току. При обратной связи по напряжению uос = βuвых, где β — коэффициент передачи четырехполюс
ника обратной связи.
Рис. 7.8. Структурная схема уси лителя с обратной связью'
При обратной связи по току uос = Rосiвых, где Rос — взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи. Наконец, различают последовательные обрат ные связи, когда цепи обратной связи включают последовательно с входны ми цепями усилителя, и параллель ные обратные связи, когда цепи об ратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.
На рис. 7.9 приведены структурная и электрическая схемы уси лителей с отрицательной последовательной обратной связью по напря жению. Цепью обратной связи здесь cлужит четырехполюсник обратной связи (R1 R2 ), коэффициент передачи которого
β = R2 /(R1 + R2)..
Рис. 7.9. Структурная (а) и принципиальные (б, в] схемы
усилителей с последовательной отрицательной обратной
связью по напряжению
Отрицательный характер обратной связи обеспечивается подачей напряжения обратной связи uос на инвертирующий вход усилителя (вход 9 интегральной микросхемы—вход однокаскадного усилителя с общим эмиттером). Последовательный характер обратной связи оче виден из рис. 7.9, б. В случае применения интегральной микросхемы (рис. 7,9, в) последовательный характер обратной связи обеспечивается подачей входного напряжения на неинвертирующий вход 10 и напряжения обратной связи на инвертирующий вход 9.
Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи по напря жению на коэффициент усиления усилителя, При отрицательной об ратной связи по напряжению для входной цепи усилителя (рис. 7.9, а) можно составить уравнение
которое с учетом равенства
можно переписать в виде
(7.14)
Для усилителя без обратной связи uвх == u1, поэтому коэффициент усиления такого усилителя
(7.15)
Коэффициент усиления усилителя е отрицательной обратной связью
С учетом выражений (7.14) и (7.15) получим
(7.16)
Из этой формулы следует, что отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления усилителя в (1 + βК) раз.
Аналогично можно определить коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью:
Как видно из этого выражения, положительная обратная связь повышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительную обратную связь в электронных усилителях практически не применяют, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффи циента усиления значительно ухудшается.
Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь широко используют в усилителях. В результате вве дения отрицательной, обратной связи существенно улучшаются свой ства усилителя, а именно:
а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов;
б) снижается уровень нелинейных искажений;
в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя.
Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью следует определить его абсолютное и относительное изменения.
Абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью
где К – абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя без обратной связи
Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью
Отсюда видно, что всякое изменение коэффициента усиления уси лителя ослабляется действием отрицательной обратной связи в (1 + βК ) раз.
Если принять βК »1, что соответствует глубокой-отрицательной обратной связи, то
Это выражение свидетельствует о том, что при глубокой отрица тельной обратной связи коэффициент усиления усилителя Кос почти не зависит от коэффициента усиления К и его значение определяется только коэффициентом передачи четырехполюсника обратной связи β.
Аналогично можно показать, что в случае положительной обрат ной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается:
Отрицательная обратная связь всегда уменьшает возникающие с усилителе нелинейные искажения. Это можно объяснить следующим образом. В усилителе без обратной связи при высоком входном напря жении за счет нелинейных искажений в выходном напряжении помимо основной появляются высшие гармоники, искажающие форму выходного напряжения. При введении отрицательной обратной связи напря жения этих гармоник через цепь обратной связи подаются на вход усилителя и вычитаются из выходного напряжения усилителя, так как благодаря отрицательной обратной связи они будут поступать и противофазе с напряжением гармоник, появляющихся вследствие нелинейных искажений усилителя. Таким образом, величина гармо ник при том же значении выходного напряжения уменьшится, а сле довательно, искажения усиливаемого напряжения в усилителе с от рицательной обратной связью будут меньше.
Как отмечалось, введение последовательной отрицательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление. Вход-ное сопротивление усилителя с отрицательной обратной связью можно определить, составив уравнение с учетом выражения (7.14) и равенств u1 =Rвхiвх, uвх = Rвх.осiвх. Принимая во внимание также, что uвых = Кu1 = Косuвх, уравнение (7.14) можно записать в виде
где Rвх.ос, Rвх — соответственно входные сопротивления усилителя с обратной связью и без обратной связи; iвх — входной ток усили теля .
Таким образом, входное сопротивление усилителя за счет отри цательной обратной связи увеличивается в (1 + βК ) раз:
....
Нетрудно получить выражение для выходного сопротивления уси лителя с отрицательной обратной связью по напряжению:
из которого видно, что отрицательная обратная связь уменьшает выходное сопротивление усилителя в (1 + βК ) раз.
На рис. 7.10, а, б приведены схемы усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по току.
Рис. 7.10. Структурная (а) и прин ципиальная (б) схемы усилителей с последовательной отрицательной обратной связью по току
Как видно из рисунка, взаимное сопротивление Rос = R1, так что uос= R1iвых = Rос iвых.
Такая обратная связь возникает только при наличии выходного тока, т. е. при работе усилителя с подключенным нагрузочным резистором.
Рис. 7.11. С-хема усилителя с парал лельной обратной связью по напря жению
Отрицательная обратная связь по току увеличивает входное и вы ходное сопротивления усилителя и не изменяет его коэффициента - усиления по напряжению в режиме холостого хода KU хх, но за счет возрастания выходного сопротивления снижает выходной ток.
На рис. 7.11 приведена схема усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Такой усилитель при R1 « Rвх и R2 » Rвых имеет:
. коэффициент_передачи_β ≈ R1/R2;
входное сопротивление
выходное сопротивление
коэффициент усиления
который при глубокой отрицательной обратной связи равен
Вывод выражений (7.26) — (7.28) проводят так же, как для усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению.