Раздел 2. Электронные аналоговые устройства

2.1. Электронные усилители электрических сигналов, классификация и основные параметры усилителей.

Усилители - устройства, предназначенные для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

У силитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

УПТ – усилитель постоянного тока

УЗЧ – усилитель звуковых частот

УНЧ – усилитель низких частот

УВЧ – усилитель высоких частот

ШПУ – широкополосные усилители

УПУ - узкополосные усилители

Δf = f_в-f_н - полоса пропускания или полоса усиливаемых частот.

Амплитудно-частотная характеристика отражает зависимость модуля коэффициента усиления , определяемого для синусоидального входного сигнала от частоты. Однако очень редко один усилительный каскад обеспечивает требуемый коэффициент усиления. Поэтому применяют много каскадные усилители с конденсаторной связью между каскадами, общий коэффициент усиления которых определяется как произведение коэффициентов усиления всех каскадов

.

Каскады рассчитываются последовательно от оконечного к первому. Оконечный каскад обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке . По коэффициенту усиления оконечного каскада определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада и.т.д. Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров усилителя от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.

Поэтому второй характеристикой усилителей является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость угла фазового сдвига от частоты.

Усилительный каскад задерживает сигнал на какое-то время. Каждые гармонические составляющие задерживаются на разное время.

Амплитудная характеристика усилителя (реальная):

П о амплитудной характеристике можно выделить следующие основные параметры усилителя:

1. Коэффициент усиления по току ;

2. Коэффициент усиления по напряжению

3. Коэффициент усиления по мощности ;

4. Чувствительность усилителя— минимальное значение входного сигнала, при котором полезный сигнал на выходе уже различим на уровне помех (при отношении сигнал - шум)

5. Динамический диапазон - отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому, при которых не возникает искажение .

2.2. Принцип построения усилительного каскада: выбор рабочего режима, назначение и расчет основных элементов.

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n. Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I кпImнUm вых/Rн

Напряжение покоя обычно выбирается Uкэп=Eк/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

Л инию нагрузки можно построить в координатах Iк, Uкэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять Iк=0, то Uкэ=Eк. Построение статической линии нагрузки показано на рисунке справа (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины Rк и RБ:

;

При работе каскада в режиме холостого хода и рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше Eк/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно Rк включается Rн. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - i_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением i_к и подсчитав изменение напряжения U_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рисунке (c-d). Очевидно, что угол между осью Uкэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при Rн=0 он составит 90). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением Rн становится меньше Eк/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

;

;

.

Расчёт каскада с общим эмиттером по постоянному и переменному току.

Расчёт может осуществляться либо слева направо, либо справа налево. Слева направо.

Дано: R_g = 1кОм

U = 20В

h₂₁ = 100

k_U = 20

f_н = 200

δ_н = 6дБ

Найти: R1, R2, R_к, R_э1, R_э2, R_н,C1,2, C3.

По постоянному току:

1.

Шина питания по постоянному току эквипотенциальна земле (через Сф)

2. R_вх = R_э1h₂₁ = 10R_д = 100k => R_э1 = 1кОм

3. R_э/R_к = 0,1 – 0,3 => R_к = 5.1кОм

4. R_H=l0R_вых = 51кОм

(R_вых = R_кб||R_к)

5. U_к = U_п/2=>I_к = U_п/2·1/R_к = 2мА

6. U_э = I_эR_э1 = 2В

7. U_б =U_э+ 0,6 = 2,6В

8. R1/R2 = 17,4/2,6 = 6,7

9. => R2 = 77/6.7 = 11кОм = 12кОм

R1 = 75кОм = 82кОм 10. r_э0 = φ_Т/I_к = 25/2 = 12,5Ом

По переменному току:

11. k_U = R_к/(R_э+r_э0) => R_э+r_э0 = 255Ом => R_э = 242,5Ом

R_э1·R_э2/(R_э1+ R_э2) = 242,5Ом

R_э1 = 1кОм => R_э2 = 330Ом

12. δ_э = 0,5 δ = 3дБ

При понижении частоты, ёмкостное сопротивление Сэ возрастает, увеличивается эквивалентное сопротивление в эмиттерной цепи и уменьшается коэффициент усиления.

Z/R = √2 => R = X_c = R_э2+r_э0 = 342,5Ом

13. δ1 = δ2 = 1,5дБ

14. =>X_C = 6,44кОм

C1 = 120нФ

15. δ1 = δ2 = 1,5дБ

R_н/R_д = 5 => X_C2/X_C1 = 5 => C1/C2 = 5 =>C2 =33нФ