книги / Основы радиоэлектроники
..pdfнапряжения на сопротивлении нагрузки uRJ i) и напряжение на транзисторе uTp(t) = E„ — i(t) + R„. Одновременное изменение /(/) и мтр(г) можно рассматривать как изменение под действием входного сигнала иш сопротивления трайзистора /?тр = мтр (/)//(/). Транзистор как бы является управляемым сопротивлением. (Именно так переводится его название.) Поскольку под действи ем малого входного сигнала ток через транзистор меняется силь но, и это приводит к большим изменениям напряжения на нагруз ке, то амплитуда переменной составляющей напряжения на на грузке иЛ>_ может быть много больше амплитуды входного сиг нала. Так происходит усиление сигнала по напряжению. Для усиления сигнала нужен источник энергии — в данном случае источник питания — источник постоянной ЭДС Еп и управля емый элемент— транзистор, обеспечивающий преобразование энергии постоянного тока от источника питания в энергию пере менного тока — усиленного сигнала— в нагрузке.
§ 5.2. Параметры усилителей
Ко входным клеммам усилителя (рис. 5.1) подключается гене ратор гармонического сигнала, который характеризуется источ ником ЭДС ес с комплексной амплитудой Есм и сопротивлением Лг. В результате на входе усилителя появляется входное напряже ние uBXC(t) с комплексной амплитудой й вхм и через зажимы усилителя протекает ток iBX(t) с комплексной амплитудой /вхм. Отношение й вх„/1рхм есть входное сопротивление ZBXусилителя. В общем случае Z BX= RBX+jXBX— комплексная величина, однако в некоторой полосе частот ZBXможет быть действительной вели
чиной и определяет входную мощность сигнала |
PBX= I BXMRBX. |
Если ZBX— активная величина (ZBX= RBX), то |
Рвх = [Е^ы/ |
(RBX+ Rr)2]ЛВХ и максимальная мощность Рвхтзх= E^M 4Rr на входном сопротивлении RBXполучается при выполнении условия согласования RBX= Rr■ Это легко доказать, приравняв к нулю
дРвх г г |
|
производную ——. Под действием входного сигнала через сопро- |
|
дКт |
усилителя протекает ток i(t) |
тивление нагрузки R„ на выходе |
|
с переменной со ставл яю щ ей (t). |
Комплексная амплитуда гар |
монической составляющей (t) на частоте входного сигнала равна /выхм. Под действием этой составляющей на сопротивле нии RHвозникает выходное напряжение с комплексной амплиту-
дой 0 ВЫХМ. Выходная мощность равна PBblx = UBblx 2R„= ".
Предположим, что ток /выхм через сопротивление' RHсоздается генератором ЭДС е (() с внутренним сопротивлением ZBblx. Тогда усилитель для переменных составляющих токов может быть
Усилитель |
представлен в виде, изобра |
|
женном на рис. 5.3. (Цепь |
|
питания на рис. 5.3 не изоб |
|
ражена.) Величина e(t) рав |
|
на напряжению холостого |
|
хода Uxx на выходе усилите |
|
ля при /?„->оо. При /?„ = 0 (в |
|
режиме короткого замыка |
|
ния) через замкнутые выход |
ные зажимы протекает ток с комплексной амплитудой /„„ = ем/
2вых = ~ ^ 1- Здесь 8М— комплексная амплитуда е(/). Таким об-
^■ых |
. |
. |
. . . |
разом, если рассчитать |
UXXM и |
1К2М, то |
ZBbII = С/1ХМ//ЮМ. Пусть |
необходимо передать с выхода первого усилителя максимальную мощность на вход второго усилителя, включенного на выходе первого (рис. 5.4), т. е. согласовать по мощности выход первого и второго усилителя. Для этого при Z Bblxl=RBMXl, Z bx2= Rbx2 надо обеспечить выполнение условия RBXl = к выхi . Такое соедине ние усилителей называется каскадным.
Пусть необходимо обеспечить на входе второго усилителя максимальное напряжение UBx2H = EMZ Bx2/(ZBblx+ Z Bx2). Для это
го при |
ZBbIX! |
= Лвых!, ZBX2 = Rbx2 надо выполнить условие |
Лвых1 ^ ^ |
3x2 , т. |
е- желательно максимально уменьшить выходное |
сопротивление /?вых j . Такой режим называется режимом согласо вания по напряжению.
К важнейшим техническим параметрам усилителей относится коэффициент усиления (коэффициент передачи). Как правило, коэффициент усиления определяют в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале.
Коэффициент усиления по напряжению Кн представляет собой отношение комплексной амплитуды напряжения сигнала на вы ходе усилителя к комплексной амплитуде напряжения сигнала на входе усилителя:
Усилитель 1 |
Усилитель 2 |
Рис. 5.4
Коэффициент усиления по току— отношение комплексной ам плитуды тока сигнала в нагрузке усилителя к комплексной ам плитуде тока сигнала на входе усилителя, т. е.
жу- |
4 м |
|
*'“ |
7 |
* |
|
1ВХ м |
|
В общем случае Кн и К{— комплексные величины, зависящие от частоты сигнала, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных элементов.
Коэффициент усиления по мощности — отношение мощности Рн, отдаваемой усилителем в заданную нагрузку, к мощности Рвх, подводимой ко входу усилителя:
р
1 вх
Модули коэффициентов усиления К„, Кь Кр, определенных выше, иногда выражают в децибелах
К„(дБ) = 20 lg К„
Ki (дБ) = 20 lg Ki
Kp{js£)=\0\gKp.
Усилитель потребляет от источников питания (одного или не скольких) некоторую мощность Р0\ для оценки степени полез ного использования в усилителе этой мощности вводят коэф фициент полезного действия (КПД), меньший единицы:
"О
где Рн— мощность сигнала, отдаваемая в нагрузку усилителя. Модуль коэффициента усиления по напряжению Кнзависит от
частоты усиливаемого сигнала; изменения амплитуды выходного сигнала, обусловленные зависимостью от частоты модуля ком плексного коэффициента усиления, называют амплитудно-частот ными искажениями или просто — частотными искажениями; эти искажения называются линейными. Амплитудно-частотные ис кажения можно оценивать по амплитудно-частотной характерис тике (АЧХ). Она представляет собой зависимость модуля коэф фициента усиления (коэффициента передачи) от частоты. При построении АЧХ по вертикальной оси откладывают значение Кн в линейном или логарифмическом масштабе, а по горизон тали— частоту (или круговую частоту со = 2л/), в линейном или логарифмическом масштабе (см. рис. 5.5).
Полосой пропускания усилителя называют диапазон частот, внутри и на границах которого модуль коэффициента усиления
уменьшается не более чем в у/2 раз по сравнению с максимальным
значением коэффициента усиле ния. На рис. 5.5 полосой пропуска ния усилителя является диапазон частот о т/гр i д о /гр 2. Под коэффи циентом частотных искажений М на частоте/ понимают отношение максимального | К | к модулю ко эффициента усиления на частоте/. Чем ближе М к единице, тем мень ше линейных искажений испыты вает сигнал на данной частоте в усилителе.
При прохождении через усилители сигналы, кроме линейных, испытывают еще нелинейные искажения, которые выражаются в том, что спектр сигнала на выходе обогащается из-за нелиней ности характеристик транзистора, что приводит к искажению формы сигнала. Нелинейность усилителя гармонических сигна лов оценивается по коэффициенту нелинейных искажений или коэффициенту гармоник при подаче на вход одного гармониче ского колебания. Под коэффициентом гармоник Ктпонимают выраженное в процентах отношение действующего значения всех высших гармоник напряжения (или тока) на выходе усилителя к действующему значению первой гармоники напряжения (или тока) на выходе усилителя:
f ' |
0 а—У^м2+^мЗ+^ми+-- . ^QQO/(| _ \/Ц*2 +£/мЗ+ ^»н+ - . 100%, |
||
г |
/„1 |
0 |
и». |
где IMk, UMk— действующие значения тока (напряжения), к — той гармоники на выходе усилителя.
В усилителях звуковых частот нелинейные искажения на слух незаметны, если ЛГг< 0,2 ч-0,5%; поэтому для усилителей высшего качества по ГОСТу АГГ< 0,5%.
Амплитудной характеристикой усилителя UBblxM(UBXM) называ ется зависимость действующего (или амплитудного) значения выходного напряжения на какой-либо частоте от действую щего (или амплитудного) значения входного напряжения при
воздействии на |
вход усилителя гармонического сигнала на |
той же частоте. |
Амплитудная характеристика имеет вид, изоб |
раженный на рис. 5.6. Изгиб амплитудной характеристики при малых напряжениях связан с наличием в усилителе собствен ных помех (включая шумы), которые обеспечивают на выходе шумовое напряжение ишвых и при отсутствии входного сиг нала.
Шумы в любой схеме делятся на три вида:
1. Все резисторы обладают тепловыми шумами. На зажимах каждого резистора из-за хаотического характера движений элек-
тронов и соударений электронов с узлами кристаллической ре шетки появляются малые случайные отклонения токов и напря жений от среднего значения. Среднеквадратичное значение шумо вого напряжения мш (корень из среднего квадрата шумового напряжения) на зажимах сопротивления R равно:
um = y/4kTRAf,
где к= 1,23 • 10 ~2 1 |
Вт |
Т— абсо- |
--------------постоянная Больцмана, |
Град. Гц
лютная температура резистора, Д /— полоса измерения шума. При R = 500 кОм, А /= 20 кГц, Т = 290 К (комнатная температура /=17° С) йш= 1,2 • 10 “7 В.
2.Прохождение тока через р-п переход в диоде или транзис торе сопровождается появлением дробовых шумов — малыми случайными отклонениями тока от среднего значения, вызванны ми случайным характером преодоления отдельными носителями заряда потенциального барьера в р-п переходе.
3.Во всех элементах схем наблюдаются шумы мерцания
(фликер-шумы), связанные с медленными изменениями парамет ров резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов и др. эле ментов.
При увеличении амплитуды входного сигнала £/вхм на блюдается нелинейная зависимость амплитуды выходного сигнала £/выхм от С/вхм и уменьшение величины модуля ко
эффициента усиления \К\ = ^ ^ - . Это связано с нелинейностью
^ в х м
характеристик транзистора и ограниченной мощностью ис точника питания, что не позволяет получить на выходе усилителя сигнал слишком большой мощности. Одновременно
с ростом амплитуды входного сигнала растет коэффициент нелинейных искажений К т. При номинальном входном на пряжении UBXном на выходе появляется номинальное выходное напряжение С/выхн0м. т. е- такое напряжение, при котором получается допустимый коэффициент гармоник К г.
Динамическим диапазоном усилителя называют
D Y = 7 T |
: Ду(Д Б ) = 201ё - — . |
'-'вхмнн |
'-'вхмин |
где С/вхмин— минимальное |
напряжение на входе, при котором |
усиливаемый сигнал различим на фоне помех. Хорошие усили тели имеют Dy^ 120 дБ.
§ 5.3. Классификация усилителей
По характеру усиливаемых величин усилители делятся на усилители напряжения (Ки» 1 ), усилители тока (А",» 1) и усили тели мощности, в которых выходная мощность усиленного сиг нала сравнима с мощностью, подводимой к усилителю от источ ника питания. Наибольшее распространение получили усилители напряжения и усилители мощности.
К выходу усилителя напряжения подключается высокоомный вход (с большим RBX) следующего каскада обработки сигнала (усиления, детектирования, преобразования частоты и т. д.). Для нормальной работы усилителя напряжения сопротивление на грузки RHтранзистора включается внутри усилителя (рис. 5.7).
Усилитель мощности создает усиленный сигнал большой мощности на сопротивлении нагрузки, подключаемой извне к вы ходу усилителя. Например, сопротивление современной акустиче ской колонки равно 4 Ом. Чтобы выделить на этом сопротивле нии мощность 1ч-100 Вт, необходимую для озвучивания закры тых помещений, следует согласовать это сопротивление с выходным сопротивлением усилителя /?вых (см. § 5.2). Для этой цели часто используются понижающие согласующие трансфор маторы (рис. 5.8) или специальные бестрансформаторные схемы.
Усилитель СлеЭ. каск.
% | |
f ^ |
i V |
— + © - — — |
|
|
|
|
Рис. 5.7
|
По диапазону усиливаемых |
|
||
частот различают: усилители |
|
|||
постоянного тока (УПТ), уси |
|
|||
лители звуковой частоты (УЗЧ) |
|
|||
и |
усилители |
радиочастоты |
|
|
(УРЧ). |
постоянного то |
|
||
ка |
Усилители |
|
||
способны усиливать сигна |
Рис. 5.8 |
|||
лы |
в диапазоне от / гр i = 0 до |
|||
|
||||
/ г Р2 = /ш а « - А Ч Х |
этих усилителей приведены на рис. 5 .9 . Эти усили |
|||
тели используются для усиления сигналов, содержащих не только гармонические составляющие, но и постоянную составляющую, например, импульсные сиг налы. Усилители звуковой частоты усиливают низкоча стотные сигналы в диапазо
не частот от / гр 1 ~ 2 0 |
Гц до |
|
/ г р 2 ~ 2 0 кГц. |
А Ч Х |
такого |
усилителя |
приведена на |
|
рис. 5 .1 0 . Специальными ме-
рами частоту |
/ ггр 2 |
МОЖНО |
увеличить до |
/~ 6 ,5 |
МГц. |
Такие усилители напряжения называются видеоусилите лями и используются в теле
визионных |
передатчиках |
и приемниках |
для усиления |
управляющих |
телевизион |
ных сигналов |
(видеосигна |
лов). В усилителях радиоча стоты в качестве нагрузки используется параллельный колебательный контур или
система связанных контуров. Такие усилители усиливают колеба ния в полосе частот Д /в окрестности резонансной частоты / pe3 (рис. 5.11). Эти усилители используются для усиления AM
иЧМ колебаний, а полосы пропускания усилителей включают несущую частоту/нсс, рав ную / рез, и боковые со ставляющие, расположен ные по оси частот выше
иниже частоты / нсс.
Взависимости от типа
активного прибора все уси лители делятся на транзис торные усилители (соот ветственно на биполярных
Рис. 5.12
транзисторах и на полевых транзисторах) и усилители на электрова куумных приборах — электронных лампах. Усилители на электрон ных лампах используются лишь в старой аппаратуре. В современ ной аппаратуре широкого применения (радиовещательных и теле визионных приемниках, школьном оборудовании и т. д.) применение электронных ламп запрещено.
Для нормальной работы транзисторов между эмиттером
иколлектором биполярного транзистора, включенного по схеме
собщим эмиттером или с общим коллектором, и между истоком
истоком полевого транзистора должно быть приложено посто янное напряжение икз0 или мси0, заданное в паспорте транзистора,
ачерез транзистор будет протекать постоянный ток /к0 или /с0. При этом переход затвор-исток полевого транзистора должен быть закрыт, а переход база-эмиттер биполярного — открыт. Чтобы выбрать рабочую точку на управляющей характеристике транзистора /с(мзи) (рис. 3.14), подается соответствующее запира
ющее напряжение на затвор транзистора мзн0, в цепь истока включают сопротивление R„, на котором (при протекании тока /с0) появляется напряжение um0 = ic0RH(рис. 5.12), заданное в па спорте транзистора. Выбор этого сопротивления описан в прило жении П. 3. Через сопротивление R3запирающий, отрицательный потенциал подается на затвор транзистора. Через это сопротив ление не протекает постоянный ток. Оно служит для выравнива ния потенциалов общего провода— земли и затвора. Чтобы сопротивление R„ не уменьшило коэффициента усиления усили теля, его шунтируют конденсатором с емкостью Си, модуль сопротивления которой на самой низкой частоте диапазона уси ливаемых частот югр много меньше R„ т. е.
%
след.каск.
Чтобы выбрать рабочую точку на входной характеристике би полярного транзистора /б (мбэ) (рис. 3.24), надо подать напря жение, отпирающее переход база-эмиттер этого транзистора. Для этого используют делитель напряжения R I R2, включенный между зажимами источника питания (рис. 5.13). (Один зажим источника питания обычно заземлен). Выбор сопротивлений R I R2 описан в приложении П. 3. Для уменьшения зависимости тока коллектора от температуры окружающей среды и разброса параметров транзисторов при их замене в цепь эмиттера вклю чают резистор R3.
Принцип термостабилизации тока через транзистор состоит в следующем. При нагреве транзистора постоянная составляю щая тока эмиттера /э0 возрастает, увеличивается и падение напря жения на сопротивлении R3: u30= i30R3, рабочая точка на вход ной характеристике транзистора двигается влево, так как ибэ = 'дел' R2 —<эо-^э уменьшается. Это приводит к уменьшению изменения тока через транзистор, т. е. к стабилизации этого тока. икз0 в биполярном транзисторе и мсн0 в полевом транзисторе определяются по выходным характеристикам транзистора (рис. 3.25 и 3.15) для получения требуемых /к0 или /си0. При выбранном сопротивлении нагрузки RH(рис. 5.2) источник пита ния с нулевым внутренним сопротивлением должен обладать ЭДС: для биполярного транзистора E=uK30 + iK0RH+ R3i30, а для полевого транзистора Е=ис„0 + /с 0 RH+ R«Uо ■ По переменному току практически нулевое внутреннее сопротивление источника питания обеспечивается использованием конденсаторов большой емкости в сглаживающих фильтрах выпрямителя источника пи тания. Так задается режим работы транзистора по постоянному току— режим питания транзистора.
Чтобы подать на вход усилителя периодический сигнал, снять с выхода усилителя усиленный сигнал и не изменить режим работы транзистора по постоянному току, часто используют Разделительные емкости на входе Ср1 и на выходе Ср2. Таким образом получают простейшие резисторные усилители напряже
ния звуковой частоты (иногда они называются Л-усилителями) соответственно на полевом транзисторе (рис. 5.12) и на биполяр ном транзисторе (рис. 5.13). Усиленный сигнал в этих усилителях снимается не с сопротивления нагрузки, а со стока полевого транзистора и с коллектора биполярного транзистора. Однако переменное напряжение uRu~ на сопротивлении нагрузки равно по величине и противофазно (отличается знаком) переменному напряжению на стоке иси~ или напряжению на коллекторе мкэ~. Это доказывается следующим образом: пусть иси = иси0 + иси~;
URH~ URHO+ URH~~I URHо= 4 о Лн. Запишем второй закон Кирхгофа Е= иси+ иКн= исио + иси „ + URHо+ иКн „. Это соотношение выполня ется и при отсутствии усиливаемого сигнала Е=иси0+ иКн0. От сюда следует:
исн~ + URH~ 0, т . е. ивых~ иси~ URH~?
аналогично для биполярного транзистора можно получить ^вых = ^кэ~ = URH~•
§ 5.4. Резисторный УЗЧ
Для расчета коэффициента усиления усилителя и определения его АЧХ надо составить эквивалентную схему усилителя по переменному току. Для этого необходимо воспользоваться экви валентной схемой транзистора, описывающей малые изменения токов и напряжений на зажимах транзистора при подаче на его вход малого сигнала. Эквивалентная схема полевого транзистора была рассмотрена в § 3.3 (рис. 3.17), а биполярного — в § 3.4 (рис. 3.30). Легко видеть, что эти эквивалентные схемы очень похожи. Отличие состоит в том, что в эквивалентной схеме биполярного транзистора присутствует Свых— емкость коллек тор-эмиттер, а в эквивалентной схеме полевого транзистора ем кость сток-исток очень мала и обычно не учитывается. Кроме ем кости Свых, на выходе транзистора должна быть учтена емкость монтажа См (емкость монтажных проводов относительно земли).
Сопротивления RC цепочек — ЯЭСЭ в случае биполярного транзистора (рис. 5.13) и /?„С„ в случае полевого транзистора очень малы на всех частотах усиливаемых колебаний, поэтому этими сопротивлениями пренебрегаем и RC цепочки в эквива лентной схеме усилителя не рассматриваем.
Сопротивления /?ь /?2, определяющие подачу постоянного напряжения мбэ0 на базу биполярного транзистора, выбираются достаточно большой величины, много большей входного сопро тивления /?вх биполярного транзистора. Поэтому ими также мож но пренебречь.
Как уже отмечалось, сопротивление источника питания Е по переменному току равно нулю. Все вышесказанное позволяет