Лекции / ЛЕКЦИЯ13_09нк

13 УСИЛИТЕЛИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ. УСИЛИТЕЛИ ПО СХЕМАМ «ОЭ» И «ОИ». ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

13.1 УСИЛИТЕЛИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Усилитель – устройство, предназначенное для увеличения значений па-

раметров электрического сигнала (напряжения, тока и мощности). УГО усили-

теля в функциональной схеме показано на рисунке 26.1.

Рисунок 26.1 – УГО усилителя

Усилитель характеризуется большим числом параметров. Осовные из них, наиболее часто используемые в практике, приведены ниже.

1) Коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления:

- по напряжению: Ku = uВЫХ/uВХ . Коэффициент усиления по напряжению

используется наиболее часто, и обычно в приведённой формуле индекс«u» от-

сутствует.

-по току: KI = IВЫХ/IВХ .

-по мощности:

Величины Кu, КI и КР могут быть различны, но значение КР всегда больше единицы. Если Кu < 1 и КI < 1, то такой функциональный узел не может называть-

ся усилителем.

Для последовательно включённых друг за другом усилителей(многокас-

кадного усилителя) общий коэффициент усиления определяется:

Усилители могут иметь коэффициент усиления, лежащий в диапазоне от не-

скольких единиц до сотен тысяч и миллионов. Поэтому в ряде случаев коэффи-

циент усиления выражают логарифмических единицах отношения– в деци-

беллах (дБ):

2) Входное и выходное сопротивления усилителя: входное сопротивление определяется из формулы для закона Ома относительно входных зажимов усилителя,

а выходное - между его выходными зажимами. При определении выходно-

го сопротивления усилителя полагают равенство нулю сопротивления внешней

нагрузки, то есть оценка происходит при режиме короткого замыкания по выходу.

3) Частотная характеристика и частотные искажения. Если на вход

усилителя подавать сигнал постоянной величины, но меняющийся в некото-

ром диапазоне частот от нижней частоты fН до верхней fВ, то

на выходе реального усилителя будет сигнал разный по величине, в зави-

симости от частоты входного сигнала.

То есть, на выходе усилителя наблюдается искажение отношения вел-и

чин сигналов различных частот по сравнению с отношением, имеющимся на входе усилителя.

Это означает, что усилитель вносит частотные искажения в усиливаемый

сигнал – происходит не одинаковое усиление сигналов различных частот, рису-

нок 26.2.

¦

¦

Рисунок 26.2 - Частотные искажения, вносимые усилителем

Оценку частотных искажений проводятпо частотной характеристике

(АЧХ), то есть зависимости К = j(¦). Типовая частотная характеристика име-

ет вид, показанный на рисунке 26.3.

К

Рисунок 26.3 - Типовая АЧХ усилителя

Диапазон рабочих частот (или полоса пропускания – это область частот от ¦н до ¦в, где изменение К не превышает требуемого значения. Обычно это

отсчитывается от величины Кср, (по уровню 0,707 = 1 ).

2

Частоту по этому уровню называютчастотой среза. Существуют такие

параметры: коэффициент частотных искажений в области нижних -час

тот: M Н = КСР ;

КН

представляет собой интервал между максимальным и минимальными значениями параметра на входе или на выходе, в пределах которого электри-

ческие свойства усилителя соответствуют заданным условиям.

Выражается обычно в дБ.

Все усилители можно разделить на две большие категории – усилители с

резко нелинейным режимом работы и линейные.

У нелинейных усилителей отсутствует пропорциональность в передаче на выход мгновенных значений входного сигнала. По достижении входным сиг-

налом некоторой величины, на выходе усилителя уровень сигнала не изменяется

(ограничивается) – это усилители-ограничители.

Они используются для нелинейных импульсных усилителей, когда важно передать на выход именно процесс переключения входного сигнала, например,

из низкого уровня в высокий уровень.

Нелинейные усилители - это функциональная основа дискретных(циф-

ровых) интегральных схем.

У линейных усилителейвыходной сигнал близок по форме к входному:

мгновенные значения входного сигнала передаются на выход пропорциональ-

но.

Классификацию линейных усилителей часто проводят по их амплитуд-

но-частотной характеристике, определяемой при достаточно малом по вели-

чине гармоническом входном сигнале.

Основные типы линейных усилителей приведены ниже.

1) Усилители постоянного тока (УПТ). Это усилители постоянного или

медленно меняющегося сигнала. Но ряд задач требует иметь у таких усилителей

полосу частот (частота fВ) до единиц мегагерц, рисунок 26.4.

Ku

1

-3 дБ

2) Усилители звуковых частот(УЗЧ) (усилители низких часот). У этих усилителей полоса усиливаемых частот ориетировочно [20 Гц; 20 кГц] - соот-

ветствует диапазону звуковых частот, слышимых человеком. Современные УЗЧ высокого качества могут иметь полосу частот от10 Гц (fН) до 40-100 кГц, рису-

нок 26.5.

Ku

1

-3 дБ

3)Усилители высокой частоты (УВЧ) (высоких частот). Обычно это уси-

лители, усиливающие некоторую полосу частот в диапазоне от3 МГц до 30

МГц. А исторически сложившаяся практика относит иногда к таким усилителям

и узлы, работающие в диапазоне, примерно, от 100 кГц до 100–150 МГц, рисунок

26.6.

4) Широкополосные усилители (ШПУ) (видеоусилители). Они характерны

полосой усиливаемых частот от десятков Герц до десятков и сотен мегагерц.

На их основе строятся линейные импульсные усилители, пропорционально уве-

личивающие значения каждой гармоники входного импульсного сигнала.

В целом, в зависимости от решаемых задач, полоса частот ШПУ может нахо-

диться в любом месте на частотной оси, рисунок 26.7.

Ku

Рисунок 26.7 – АЧХ ШПУ

5) Узкополосные усилители (УПУ). Полоса усиливаемых частот этих

усилителей может лежать в любом месте на частотной оси, а её ширина со-

ставляет примерно 0,001–1 % от центральной частоты АЧХ.

Обычно это усилители с резонансной нагрузкой, или вид их АЧХ формиру-

ется специальными фильтрами, рисунок 26.8.

Рисунок 26.8 - АЧХ УПУ

15.2 Принцип работы усилительного каскада

Суть работы усилителя отражаетсярисунком 26.9. Функцию управ-

ляемого элемента (УЭ) может выполнять транзистор, электронно-

вакуумная лампа или другой активный элемент.

Выходная цепь каскада образованасопротивлением R и запитана от

блока питания с напряжениемЕ. Выходной сигнал выделяется на сопротив-

лении R при протекании выходного тока i вследствие изменения внутреннего сопротивления УЭ.

То есть, изменение тока i в выходной цепи происходит под воздействием

входного напряжения.

E

R i

Блок питания

УЭ

Uвх

Рисунок 26.9 - Функциональное содержание усилительного каскада

Процесс усиления основан на преобразовании энергии источника посто-

янного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Рисунок 27.1 - Основная схема усилителя с ОЭ

В выходной цепи протекает, управляемый током базы.

Переменная составляющая выходного тока протекает через компонен-

ты: блок питания – управляемый элемент (транзистор) – параллельно соеди-

нённые по переменному току сопротивления Rk и RН.

На выходе каскада создается усиленное напряжение. Остальные элементы схемы играют вспомогательную роль.

Иллюстрация работы каскада с ОЭ

СР1 – разделительный конденсатор, который исключает шунтирование

входной цепи каскада источником входного сигнала по постоянному току.

СР2 – разделительный конденсатор, который пропускает в нагрузку толь-

ко переменную составляющую выходного напряжения.

Без этих конденсаторов был бы нарушенрежим БПТ транзистора по по-

стоянному току.

Сопротивления R1 и R2 необходимы для задания режима покоя. IКП - за-

дается током базы покоя IБП, который протекает через сопротивление R1.

Совместно эти два резистора обеспечивают исходное напряжение покоя на базе UБП - под его воздействием течет ток IБП.