Вопрос 18: Назначение, основные параметры и характеристики усилителей

По роду усиливаемых сигналов:

• Усилители гармонических сигналов

• Усилители импульсных сигналов

По характеру изменения входного сигнала:

• УПТ (усилители постоянного тока)

• УНЧ (низкочастотные усилители)

• УВЧ (высокочастотные усилители)

• Широкополосные усилители

• Избирательные усилители

В зависимости от характера нагрузки и назначения:

• Усилители напряжения

• Усилители тока

• Усилители мощности

Основные параметры усилителей:

• Коэффициент усиления k_u = U_вых / U_вх, k_I = I_вых / I_вх, k_P = P_вых / P_вх

20 log U_вых / U_вх = в дБ

В 10 раз ↑ → 20 дБ

В 10 раз ↓ → – 20 дБ (log 0.1)

• А ЧХ – амплитудно – частотная характеристика

k_u

f

• Ф ЧХ – фазо – частотная характеристика

φ

f

• А мплитудная характеристика

U_вых

На всех диапазонах входного сигнала один и тот же k_u, иначе форма сигнала исказится.

U_вх

• Переходная характеристика (зависимость от времени выходного напряжения усили­теля, на вход которого подан скачок напряжения)

• Рабочий диапазон частот

k _u

f_н – модулированный

f

f_ниж f_верх

• Частотное искажение (обусловлено отклонением частотных характеристик от идеаль­ных в рабочем диапазоне частот). Измеряется в нормированном усилении на границе частотного диапазона

G_н = k_н / k₀, G_в = k_в / k₀

• Коэффициент частотных искажений

М_н = 1 / G_н, М_в = 1 / G_в

Это приводит к искажению форм сигналов, имеющий широкий спектр частот.

• Фазовое искажение

• Динамический диапазон работы усилителя

D = U_{вх. max} / U_{вх. min}

Ограничена U_{вх. max} искажениями сигнала при выходе рабочей точки за пределы линейного участка характеристики.

• Нелинейное искажение – обусловлено нелинейностью амплитудной характеристики усилителя; оценивается коэффициентом нелинейных искажений.

• КПД – коэффициент полезного действия.

• Входные и выходные сопротивления усилителя. Входное сопротивление должно быть большим для управления малыми токами, а выходное сопротивление должно быть как можно меньше, чем у любой другой нагрузки.

Выходная мощность на заданной нагрузке.

Вопрос 19: ос в усилителях. Виды, способы введения, влияние ос на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление

Обратная связь в усилителях (общие сведения)

U_вх. , I_вх U, I U_вых. , I_вых

ОС

U_ос. , I_ос

Обратная связь – это связь между электрическими цепями, обеспечивающая передачу сигнала с выхода на вход.

ОС бывает отрицательна, если она уменьшает k_u, и положительна, если увеличивает k_u.

Б ывает местная и общая ОС.

Обратная связь:

• По переменному току

• По постоянному току

• Для всего сигнала в целом (и по переменному, и по постоянному току)

В зависимости от способа получения, ОС бывает:

• ОС по напряжению

• ОС по току

По способу введения ОС во входную цепь:

• Последовательная ОС (схема)

• Параллельная ОС (схема)

• Смешанная ОС (схема)

Обратная связь:

Если обратная связь по напряжению, то необходимо проследить, где U_вых.

Схемы:

ОС по напряжению ОС по току Последовательная ОС Параллельная ОС

U_вых U_вх

U_вых Z_н

Z_вых

U_вх

U_ос U_ос U_ос

Для оценки степени влияния ОС применяют коэффициент ОС γ, который показывает, ка­кая часть напряжения (тока, мощности) поступает на вход.

γ_U = U_ос / U_вых, γ_I = I_ос / I_вых, γ_P = P_ос / P_вых

Изменение параметров усилителя при введении ОС:

Допустим, ввели ОС по напряжению. Пусть взяли k = U_вых / U₁, а k_ос = U_вых / U_вх.

U₁ состоит из:

U₁ = U_вх + U_ос

U_ос = γ_U * U_вых

U_вых = k * U₁

Эти 3 выражения позволяют получить основную формулу:

k_ос = k * U₁ / (U₁ – U_ос) = k * U₁ / U₁ – γ_U * U_вых = k * U₁ / U₁ – γ_U * k * U₁ = k / 1 – γ_U * k – это коэффициент ОС усилителя.

γ_U * k – петлевое усиление

1 – γ_U * k – глубина ОС

Пример: Пусть k = 10, γ = 0.05, следовательно k_ос = 10 / 1 – 0.05*10 = 10 / 0.5 = 0.5 =20.

Т.к. U_вх и U_ос суммируются, то такая связь увеличивает коэффициент усиления.

Пока γ_U * k < 1, усилитель ещё остается усилителем. Если же γ_U * k ≥ 1, то усилитель ста­новится автогенератором, т.к. выходной сигнал уже не зависит от входного. Любой, са­мый малый входной сигнал усилится, вернется на вход. Это явление называется самовоз­буждение. Для условия самовозбуждения, кроме как γ_U * k ≥ 1, нужно, что ещё и фазовый сдвиг на частоте автоколебания был равен 0 (чтобы фазы складывались, а не вычитались). Если эти условия соблюдаются для одной частоты, то сигнал будет иметь синусоидаль­ную форму. А если в полосе частот – то не синусоидальную форму.

Если φ = 180⁰, то формула U₁ = U_вх + U_ос неверна, будет правильно написать U₁ = U_вх – U_ос – это отрицательная ОС (ООС). Следовательно, k_ос = k / 1 + γ_U * k – ООС.

ООС уменьшает коэффициент усиления, но стабилизирует режим работы каскада.

Пример: k = 10, γ = 0.1, следовательно, k_ос = 10 / 1 +1 = 5 – коэффициент усиления умень­шился.

Если γ_U * k >> 1, то k_ос = 1 / γ.

Вывод: рациональным подбором ОС можно обеспечить необходимый коэффициент уси­ления, требуемую его стабильность, нулевой или требуемый фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного.

Влияние ОС на выходное сопротивление:

R_вых = ∆U_вых / ∆I_вых – зависит от нагрузки.

Если R → 0, то напряжение можно стабилизировать. Если R → ∞, то можно стабилизиро­вать ток.

В зависимости от ОС, можно увеличить или уменьшить R_вых. R_вых зависит от того, каким образом вводится ОС. Если ОС по напряжению, то R_вых уменьшается, и можно построить почти идеальный источник напряжения. Если же ОС по току, то R_вых увеличивается, и можно построить идеальный источник тока.

Доказательство:

Для усилителя без ОС ∆U_вых = Z_вых * ∆I_вых. При введении ОС U_вых начнет изменяться не только под влиянием тока нагрузки, то и вследствие изменения сигнала ОС на входе. Если ООС введена по напряжению, то ∆U_вых = Z_вых * ∆I_вых – ∆U_вых * γ * k

Z_{вых. ОС} = ∆U_{вых. ОС} / ∆I_вых = Z_вых / 1 + γ * k

Z_вых. уменьшается в 1 + γ * k раз.

ООС по напряжению уменьшает R_вых, а ООС по току увеличивает R_вых.

Z_{вых. ОС по I} = Z_вых + Z_ОС (1 + γ * k).

Вывод: Вводя целенаправленно ОС, можно получить усилитель с очень малым (доли Ом) или очень большим (сотни Мом) R_вых. ОС по напряжению позволяет получить почти иде­альный источник напряжения U_вых, которое мало меняется при различных нагрузках, а ОС по току стабилизирует ток нагрузки, делая усилитель почти идеальным источником тока.

Входное сопротивление при ОС:

Входное сопротивление зависит от способа введения ОС в цепь.

При отсутствии ОС (γ = 0), Z_вх = U₁ / I₁. При последовательной ОС Z_{вх. ОС} = U_вх / I₁ = (U₁ + U_ос )/ I₁.

U_ос = γ * k * U₁.

Z_{вх. ОС} = U₁ * [(1 + γ * k) / I₁] = Z_вх * (1 + γ * k).

Увеличивается в (1 + γ * k) раз. Это при ООС.

А если положительная обратная связь (ПОС), то Z_{вх. ОС} = Z_вх * (1 – γ * k).

Т.е. уменьшается в (1 – γ * k) раз.

Если параллельная ОС:

Z_{вх. ОС} = U_вх / (I₁ + I_ОС).

Если ООС: U_ос = γ * k * U_вх.

1 / Z_{вх. ОС} = I₁ / U_вх + I_ОС / U_вх

I_ОС = (U_вх + γ * k * U_вх) / Z_ОС = (1 + γ * k) * U_вх / Z_ОС = 1 / Z_вх. + (1 + γ * k) / Z_ОС.

Введение параллельной ОС эквивалентно включению параллельно входному сопротивле­нию дополнительного сопротивления Z_ОС / (1 + γ * k). Т.е. R_вх уменьшается как при ООС, так и при ПОС.

При больших γ * k и малых Z_ОС, Z_вх можно получить до тысячных долей Ом. Но огромные R_вх получить нельзя. Понадобится повторительный каскад эммитерного повторителя.

Если цепь ОС выполнить частотно-зависимой, тогда можно получить частотно-зависимую ОС. Для исследования автоматического регулирования специальный раздел.

Вводя ПОС, мы рискуем получить не те сигналы. С помощью ООС можно существенно уменьшить шумы и помехи, а так же нелинейные искажения.