Электротехника и электроника
..pdfХарактеристики усилителей
1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимостьK отчастоты, K = Ф(f).
АЧХ для усилителей низкой частоты, постоянного тока и избирательногоприведенысоответственнонарис. 4.40, 4.41, 4.42.
Рис. 4.40. АЧХУНЧ |
Рис. 4.41. АЧХУПТ Рис. 4.42. АЧХИУ |
По АЧХ определяется полоса пропускания частот усилителя ∆ f :
Kн = Kверх |
= |
КO |
= Ко 0, 707. |
|
|||
|
2 |
|
2.Фазо-частотная характеристика (ФЧХ).
ϕ= Ф (f),
где ϕ – угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами. Поскольку усилитель содержит реактивные элементы, фаза сигнала на входе не совпадает с фазой сигнала на выходе,
причем на разных частотах угол сдвига фаз будет разным.
3. Амплитуднаяхарактеристика(АХ)
UВЫХ = f (UВХ) f = const. |
|
АХ – это зависимость величины вы- |
Рис. 4.43. Амплитудная |
ходного напряжения от входного напряже- |
|
ния при f = const (рис. 4.43). |
характеристика (АХ) |
161
Классификация усилителей по частотному диапазону:
1.Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ), ∆ f = десятки Гц … десятки кГц.
2.Усилитель высокой частоты (УВЧ), ∆ f = десятки кГц… десятки МГц.
3.Широкополосный усилитель (ШУ), ∆ f = десятки Гц… десятки МГц.
4.Усилитель постоянного тока (УПТ), ∆ f = 0…Мгц.
5.Избирательный (резонансный) усилитель (ИУ) – это усилитель, усиливающий сигнал в очень узком диапазоне частот (в идеале одну частоту).
Видыискажениясигналовприпрохождениичерезусилитель.
При прохождении через усилитель форма сигнала может искажаться. Существуют нелинейные и линейные искажения.
Нелинейные (рис. 4.44) связаны с нелинейными характеристиками транзисторов (область линейной работы сравнительно невелика).
Линейные искажения – это искажения сигнала, связанные
сразными K на различных частотах. Проявляются при усилении сигналов сложной формы, к примеру прямоугольной (рис. 4.45).
Чем шире полоса пропускания частот усилителя, тем меньше он вносит линейных искажений. Усилитель, обладающий иде-
альной АЧХ (∆ f = 0 …∞), невносит линейных искажений.
Рис. 4.44. Нелинейные |
Рис. 4.45. Линейные |
искажения |
искажения |
162
Понятие о входном и выходном сопротивлении усилителя. По отношению кисточнику входного сигнала (ИС) усилитель является нагрузкой и как любая нагрузка обладает сопротивлением. Это и будет входным сопротивлением усилителя Rвх
(рис. 4.46).
Рис. 4.46. К понятию
о Rвх и Rвых
По отношению к нагрузке усилитель является источником электрического сигнала и как всякий источник обладает ЭДС и внутренним сопротивлением, последнее является выходным сопротивлением Rвых. ЭДС холостого хода Exx = K·Uвх.
Усилительный каскад на биполярном транзисторе – это часть элементов схемы, включающая главную усилительную цепь каскада и элементы, обеспечивающие ее работу. Главная
усилительная цепь состоит из |
|
транзистора и последователь- |
|
но включенного с ним рези- |
|
стора Rк (рис. 4.47). |
|
Определим коэффици- |
|
ент усиления в режиме холо- |
|
стого хода KUxx. |
|
По закону Ома |
Uвх = |
= Iвх Rвх = IБ Rвх, где Rвх – вход- |
|
ное сопротивление |
главной |
усилительной цепи, т.е. сопро- |
тивлениеp-n-переходаЭ– Б. |
|
Рис. 4.47. Главная |
|||||
|
|
|
|
|
|
усилительная цепь каскада |
|
По второму закону Кирхгофа имеем |
|||||||
Uвых |
= Eк − Iвых Rк = Eк − Iк Rк ; |
||||||
K |
= |
∆ Uвых |
= |
Uвых1− Uвых2 |
= |
(Eк − Iк1Rк ) − (Eк − Iк2 Rк ) |
= |
Uхх |
|
∆ Uвх Uвх1− Uвх2 |
|
(IБ1Rвх ) − (IБ2 Rвх ) |
|||
|
|
|
163
= |
Rк (−Iк1 + Iк2 ) |
= −Rк (Iк1 − Iк2 ) = −Rк |
∆ Iк |
= −β |
Rк |
. |
||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||
|
R |
(I |
Б1 |
− I |
Б2 |
) |
R |
(I |
Б1 |
− I |
Б2 |
) |
R |
∆ I |
Б |
|
R |
|
|
вх |
|
|
|
вх |
|
|
|
вх |
|
|
вх |
Знак минус означает, что ∆ Uвх и ∆ Uвых разного знака, т.е. при прохождении через главную усилительную цепь сигнал инвертируется (фаза сдвигается на 180о);
β >>1; Rк = тысячи Ом, Rвх = сотни Ом, поэтому |КUхх| >>1.
Передаточная характеристика главной усилительной цепи по напря-
жению есть зависимость Uвых = f (Uвх). На данной характеристике можно выделить три области работы транзистора (рис. 4.48): 1) область отсечки; 2) область линейнойработы; 3) областьнасыщения.
Прохождение синусоидального сигнала через главную усилительную цепь. Режимы усиления. Используя передаточную характеристику, можно посмотреть, как изменяется форма sin сигнала при прохождении через главную усилительную цепь (рис. 4.49).
Рассмотрим три варианта:
1)входной сигнал изменяется относительно нулевого уровня и попадает частично в области отсечки и частично в область линейной работы;
2)входной сигнал целиком укладывается вобластьлинейной работы;
3)входной сигнал большой ам-
плитуды занимает все три области. На рис. 4.49. заштрихована та
часть сигнала, которая укладывается в область линейной работы. Сигнал на выходе будет совпадать по
форме с этой частью входного сигнала. Рассмотренным вариантам соответствуют трирежима (класса) усиления.
164
Режим B – характеризуется отсутствием напряжения смещения (сигнал изменяется вокруг нулевого уровня), большими нелинейными искажениями (усиливается чуть меньше половины сигнала). Применяется в усилителях мощности.
Режим A характеризуется отпирающим смещением (транзистор приоткрывается), практическим отсутствием нелинейных искажений. Применяется в линейных усилителях напряжения.
Режим D характеризуется большой амплитудой входного сигнала. Входной сигнал занимает все три области (отсечки, линейной и насыщения). Сигнал на выходе получается в виде перепада напряжения от максимального до 0 (практически прямоугольный сигнал).
Применяется в вычислительной технике (такой режим называется ключевым режимом работы.)
Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе
приведена на рис. 4.50, где VT, Rк – главная усилительная цепь; R1, R2 – цепь подачи смещения, задает режим А; CР1, CР2 – разделительные конденсаторы, препятствующие протеканию постоянного тока. На сигнал рабочей частоты они не влияют; RЭ, CЭ – цепь термостабилизации. Она препятствует влиянию температурных изменений параметров транзистора, a следовательно, и усилителя. Создаетотрицательнуюобратнуюсвязьпопостоянному току,
Рис. 4.50. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе
165
за счет чего стабилизируются параметры. Коэффициент усиления каскада равен коэффициенту усиления главной усилительной цепи:
KU |
хх |
|
= β |
Rк |
. |
|
|
||||||
|
||||||
|
|
|
|
Rвх |
На рис 4.51 представлена форма сигнала в различных точках усилительного каскада:
U1 |
= Uсм + Uвх; Uсм = const; |
Рис. 4.51. Временныедиаграммы U2 |
= KU1 = K (Uсм + Uвх) = |
= KUсм + КUвх = U0 + U~ .
Общие сведения о многокаскадных усилителях. Коэффи-
циент усиления многокаскадного усилителя K = K1K2K3…Kn =
n
= ∏ Ki . Блок-схема многокаскадного усилителя представлена
i =1
на рис. 4.52. Согласующий каскад должен иметь большое входное сопротивление. Усилитель мощности усиливает сигнал по мощности до величины, необходимой для нагрузки.
В многокаскадном усилителе различают следующие типы межкаскадных связей:
емкостная связь
трансформаторная связь
гальваническая связь (связь через источники питания)
потенциометрическая связь
166
Рис. 4.52. Блок-схемамногокаскадногоусилителя
Емкостная и трансформаторная связь применяется в усилителях переменного напряжения, а гальваническая и потенциометрическая – в усилителе постоянного тока (УПТ).
Усилитель с емкостной связью имеет АЧХ, представленную на рис. 4.53.
Влияние ёмкостной связи определяется зависимостью сопротивления Хс от частоты.
1
Хс = 2πƒ C Рис. 4.53. К вопросу о влиянии элементов связи на АЧХ
при ↓ f → Хс ↑ → Uвых ↓ → K↓ .
Чем меньше f, тем больше сопротивление Хс и тем меньшее напряжение передается на вход последующего каскада. За счёт этого уменьшается Uвых, а следовательно, и K.
Влияние трансформаторной связи связано с зависимостью ЭДС трансформатора Е2 от частоты:
E2 = 4,44W2 f Ф при ↓ f→ E2 ↓ → Uвых ↓ → K ↓ .
Наличие емкостной и трансформаторной связи обусловливает уменьшение коэффициента усиления в области низких частот. Если f = 0, то K = 0. В области высоких частот коэффициент усиления падает за счёт влияния ёмкости p-n-пере- хода СЭБ.
167
Усилитель постоянного тока (УПТ) – это усилитель, кото-
рый должен усиливать сигнал, начиная с частоты, равной 0. По этойпричине нельзя использовать ёмкости и трансформаторы:
АЧХ УПТ приведена на рис. 4.54. Отказ от ёмкостей и трансформаторовприводиткпоявлениюдрейфануляувсехУПТ.
Дрейф нуля – это самопроизвольное изменение сигнала на выходе при отсутствии сигнала на входе (присутствует только в УПТ и появляется вследствие отказа от емкости и трансформаторав качестве межкаскадных связей).
Основные причины возникновения дрейфа нуля:
♦изменение параметров тран-
зистора под действием температуры; ♦ изменение напряжения источ-
никапитания.
Поскольку указанные изменения происходят очень медленно, через усилители переменного напряжения с емкостной или трансформаторной связью эти помехи не проходят. Там нет дрейфа нуля. В УПТ же любые изменения напряжения на выходе предыдущего каскада усиливаются последующими каскадами, что и приводит к дрейфу нуля.
Меры борьбы с дрейфом нуля:
♦стабилизация температурного режима;
♦использование стабилизированных источников питания;
♦усиление сигнала по схеме модуляция – демодуляция
(М-ДМ);
♦использование специальных балансных схем.
168
Принципусилениясигналапосхемемодуляция– демодуляция.
Медленно изменяющийся сигнал, подлежащий усилению, накладывается на сигнал высокой частоты (амплитудная модуляция рис. 4.55). Блок-схема усиления сигнала представлена на рис. 4.56. Модулированный сигнал усиливается в усилителе переменного напряжения, после чего производят демодуляцию– выделение усиленного медленно изменяющегося сигнала. Поскольку усиление сигнала происходит в усилителе переменного напряжения, дрейфа нулянет. Вцеломсхемасущественноусложняется.
Рис. 4.55. Амплитудная |
Рис. 4.56. Блок-схема |
модуляция |
усиления М – ДМ |
Для уменьшения дрейфа нуля наиболее часто используются специальные балансные схемы.
В балансных схемах используются свойства 4-плечного балансного моста (рис. 4.57). Если
|
R1 |
= |
R3 |
(условие балансировки |
|
|
|
|
|
||
|
R2 |
R4 |
|
|
|
моста), то мост сбалансирован. Из |
|
||||
условия балансировки (ϕ 3 = ϕ 4) |
|
||||
(UН = ϕ 3 – ϕ 4 = 0). |
Рис. 4.57. Схема |
||||
|
|
|
Свойствабалансногомоста: |
||
|
|
|
1) независимо от изменения |
четырёхплечного моста |
|
Uпит, |
если мост сбалансирован, |
|
UН = 0;
169
2)изменение параметров R1…R4, не приводящее к нарушению балансировки моста, не приводит к появлению напряжения на выходе;
3)UH возникает только при разбалансировке моста.
Схема дифференциального каскада УПТ содержит две оди-
наковых главных усилительных цепи VT1 – RK1 и VT2 – RK2. Эти четыре элемента составляют схему 4-плечного моста (рис. 4.58).
Рис. 4.58. Схема дифференциального каскада УПТ
Транзисторы выбираются одинаковыми, поэтому β1 = β2 , Rвх1 = Rвх2. RК1 = RК2. Одинаковые главные усилительные цепи обладаютодинаковымикоэффициентами KU1 и KU2 . ( KU1 = KU2 = K ).
Схема питается от двух источников Е1 и Е2, Е1 = Е2, Епит =
= ∑ Е = Е1 + Е2 = 2Е.
UН = Uвых1 – Uвых2, RБ – сопротивление для начальной балансировки схемы, Rэ – для стабилизации общего тока.
Возможные три способа подачи входных сигналов: а) подача двух разных сигналов на два входа; б) подача одного сигнала на оба входа (рис. 4.59, а);
в) подача одного сигнала на один из входов (рис. 4.59, б). Рассмотрим принцип действия усилителя для первого способа подачи входных сигналов. При подаче разных входных
170