Классификация усилителей. Определение, обобщённая структурная схема усилителя анало- говых сигналов. Структурные схемы однокаскадного и многокаскадного усилителей. Виды каскадов в многокаскадном усилителе.
1)Классификация усилителей по усиливаемому сигналу
А)Усилители гармонических сигналов предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов,которые можно представить суммой гармонических колебаний.
Б)Усилители импульсных сигналов предназначены для сигналов,уровень которых меняется настолько быстро,что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала.
2)Классификация по ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот.
А) Усилители постоянного тока-усиливающие как переменную,так и постоянную состовляющую
Б)Усилители переменного тока-усиливающие только переменную составляющую сигнала
В)Усилители звуковых частот-пропускающие полосу частот от 20-200 Гц до 10-20 кГц
Г)Усилители высокой частоты-значения усиливаемых частот выше диапазона звуковых частот
Д)Усилители видеочастот-работающие в полосе частот от 50 Гц до 6 МГц
Е)усилители инфранизких частот-обеспечивающие усиление колебаний с частотами доли герца
3)По типу усилительного элемента(транзисторные,ламповые и т.Д.)
4)По назначению(микрофонные,магнитофонные и т.Д.)
5)По конструктивному исполнению(дискретные и интегральные)
Усилитель предназначен для увеличения мощности,напряжения ил тока сигнала,подведенного к его входу.
Обобщённая структурная схема усилителя аналоговых сигналов
Структурная схема однокаскадного усилителя
Структурная схема многокаскадного усилителя
Виды каскадов в многокаскадном усилителе
1)Каскад предварительного усиления
2)Предоконечный каскад усиления
3)Оконечный каскад усиления
2. Основные технические показатели электронных усилителей. Входные и выходные параметры, коэффициенты усиления, коэффициенты полезного действия, площадь усиления.
Входные параметры:
Входное напряжение(Uвх),входной ток(Iвх) и входная мощность(Pвх).Входное сопротивления усилителя(Zвх)
Выходные параметры:
Выходное напряжение(Uвых),ток(Iн) либо мощность (Pн),создаваемые усилителем на заданном сопротивлении нагрузки Zн при допустимых искажениях сигнала.Выходное сопротивление(Zвых).
Коэффициенты усиления:
а)Коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх
б)Коэффициент усиления по току Ki=Iн/Iвх
в)Коэффициент усиления по мощности Kp=Pн/Pвх
г)Сквозной коэффициент усиления по напряжению,току или мощности.
Коэффициенты полезного действия:
А)КПД выходной цепи УЭ-отношение мощности сигнала,создаваемой в выходной цепи,к мощности потребляемой выходной цепью от источника питания
Б)КПД выходной цепи усилителя-отношение мощности сигнала,отдаваемой в нагрузку усилителя,к мощности,потребляемой выходной цепью от источника питания
Площадь усиления
3.Определение, причины возникновения, разновидности, способы оценки линейных искажений.
Под искажениями понимают изменение формы сигнала на выходе усилителя по сравнению с формой ЭДС источника сигнала или формой сигнала на входе усилителя.
Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя-емкостей и индуктивностей,сопротивления которых зависят от частоты.
Разновидности:
А)Гармонические состовляющие входного сигнала усиливаются в усилителе неодинаково,так как Ku зависит от частоты.Изменения формы выходного сигнала,обусловленные зависимостью от частоты только модуля комплексного коэффициента усиления,называют амплитудно-частотными искажениями.
Б)Вносимые усилителем фазовые сдвиги изменяют взаимный сдвиг во времени гармонических состовляющих входного сигнала,т.е. фазовые сдвиги в усилителе зависят от частоты.Изменения формы выходного сигнала,обусловленные зависимостью от частоты лишь аргументы комплексного коэффициента усиения,называют фазочастотными искажениями.
Способ оценки АЧИ.
АЧИ можно оценивать по АЧХ.АЧИ обусловлены неравномерностью АЧХ в диапазоне рабочих частот усилителя.
На практите для количественной оценки АЧХ используют коэффициент частотных искажений.
Способ оценки ФЧИ.
ФЧИ оценивают по фазочастотной характеристике.Фазовые искажения обусловливаются в усилителе нелинейностью ФЧХ,а определяются отличием реальной ФЧХ от идеальной прямолинейной.
4. Определение, причины возникновения, способы оценки нелинейных искажений.
Изменения формы сигнала,обусловленные нелинейностью характеристик элементов усилителя,называют нелинейными искажениями.
Нелинейные искажения в усилителях в первую очередь связаны с нелинейностью вольт-амперных характеристик УЭ.В меньшей мере сказывается нелинейность характеристик намагничивания сердечников трансформаторов и дросселей.
Способы оценки ФЧИ:
А)Нелинейность усилителя гармонических сигналов с активным сопротивлением в нагрузке оценивается в основном по коэффициенту гармоник при подаче на вход одного гармонического колебания.Под коэффициентом гармоник понимают отношение усредненной квадратичной суммы высших гармоник к первой гармонике.
Б)Коэффициент нелинейности
Кнел=(Sмакс-Sмин)/Sмакс
Sмакс-максимальное значение крутизны для полного размаха
Sмин-минимальное значение крутизны
5. Виды шумов в усилителях аналоговых сигналов. Формула Найквиста, полоса шума, номинальная мощность шума, коэффициент шума. Коэффициент шума однокаскадного и многокаскадного усилителя.
Виды шумов:
А)Дробовые шумы связаны со случайным потоком дискретных носителей зарядов
Б)Шумы токораспределения связаны со случайными перераспределением тока между электродами УЭ.
В)Мерцательные шумы связаны с неравномерным вылетом носителей зарядов с отдельных участков катода и деформацией кристаллической решетки в транзиторах
Г)Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным движением в объеме проводника свободных носителей зарядов.
Формула Найквиста:
Шумовая полоса примерно равна полосе пропускания усилителя на уровне 0.707 по напряжению:
Номинальная мощность шумов-это мощность,которая не зависит от сопротивления входной цепи усилителя.
Коэффициент шума:
6.Обратная связь (ОС) в радиотехнических устройствах. Определение, назначение, классификация ОС. Определение способов снятия и введения ОС.
Цепь обратной связи(ОС) оказывает влияние на все технические показатели усилителей.При ОС энергия сигнала передается в направлении,обратном направлению усиливаемого сигнала,т.е. от последующих цепей в предшествующие.Подобную ОС называют внешней.
Обратная связь может возникать и самопроизвольно.В этом случае она бесконтрольно может изменить технические показатели усилителя,обычно ухудшая их.Она возникает в электронных усилителях из-за физических особенностей УЭ и называется внутренней ОС.
Если ОС возникает самопроизвольно из-за непредусмотренных индуктивных,емкостных и прочих связей между цепями усилителя,её называют паразитной ОС.
Цепь
ОС совместно с цепью усилителя,которую
она охватывает,образует замкнутый
контур,называемый петлей ОС.Произведение
в усилительной технике называют петлевым
усилением.
По способу снятия энергии сигнала различают следующие виды ОС:
А) По напряжению.
Б)По току.
В)Смешанная.
По способу введения энергии сигнала различают следующие виды ОС:
А)Последовательная
Б)Параллельная
В)Комбинированная
7. Влияние обратной связи (ОС) на коэффициент усиления по напряжению. Вывод коэффициента усиления по напряжению усилителя, охваченного цепью ОС. Изменение коэффициента усиления при введении положительной и отрицательной обратной связи.
Последовательная ОС по напряжению.
Введение
в усилитель последовательной ООС по
напряжению уменьшает коэффициент
усиления по напряжению в
раз при любом значении петлевого
усиления.
При
положительной ОС коэффициент усиления
по напряжению увеличивается при
.
Ведение в усилитель отрицательной ОС уменьшает сквозной коэффициент усиления по напряжению в сквозную глубину ОС А* раз.
Введение
в усилитель параллельной ООС по напряжению
уменьшает сквозной коэффициент усиления
по напряжению в сквозную глубину ОС
раз.
При введении положительной параллельной ОС работа усилителя будет неустойчивой
8. Влияние обратной связи (ОС) на входное сопротивление. Вывод формулы входного сопротивления усилителя, охваченного цепью ОС. Изменение активной и реактивной составляющих входного сопротивления при положительной и отрицательной ОС.
Последовательная
отрицательная ОС по напряжению увеличивает
входное сопротивление усилителя в
глубину ОС
Положительная ОС уменьшает входное сопротивление.
Параллельная отрицательная ОС по напряжению увеличивает входную проводимость усилителя,то есть входное сопротивление уменьшается.
Параллельная ООС действующая через активное сопротивление Rсв,уменьшает только активную состовляющую входного сопротивления,входная емкость не меняется.Если она осуществляется через конденсатор,то она увеличивает входную емкость.
Положительная ОС уменьшает входную проводимость и может сделать ее отрицательной
9.Влияние обратной связи (ОС) на выходное сопротивление. Изменение активной и реактивной составляющих выходного сопротивления при положительной и отрицательной ОС.
Последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя.При этом активное сопротивление уменьшается,а емкость возрастает.
Параллельная ООС по напряжению
Уменьшает выходное сопротивление усилителя .При этом активное сопротивление уменьшается,а емкость возрастает.
10. Влияние частотно-зависимой и частотно-независимой обратной связи (ОС) на линейные искажения. Коэффициент частотных искажений усилителя, охваченного цепью ОС.
Частотно-независимая последовательная ООС по напряжению уменьшает амплитудно-частотные искажения.Уменьшение искажений пропорционально сквозной глубине ОС в области средних частот.
Влияние частотно-независимой ООС на фазочастотные искажения уменьшает фазочастотные искажения.
Влияние частотно-независимой ООС на переходные искажения.
Уменьшает переходные искажения.
Влияние частотно-зависимой ООС на амплитудно-частотные искажения.
Частотно-зависимая ООС изменяет амплитудно-частотную характеристику усилителя по закону,обратному закону изменения с частотой коэффициента передачи цепи ОС.
11. Влияние обратной связи (ОС) на нелинейные искажения и собственные помехи. Амплитудная характеристика усилителя с учётом ОС и без неё.
При любых видах вводимой ООС напряжения собственных помех на выходе усилителя уменьшаются в соответствующую сквозную глубину ОС.
Введение в усилитель любого вида ООС уменьшает нелинейные искажения.
Последовательная глубокая ООС по напряжению уменьшает в усилителе нелинейные искажения до очень небольших значений и существенно уменьшает собственные помехи усилителя.
Так же для улучшения характеристик,можно использовать комбинировнную и смешанную мостовую ООС.
12. Устойчивость усилителей. Необходимое и достаточное условие устойчивой работы усилителя. Устойчивый коэффициент усиления.
Устойчивым называют такой коэффициент усиления, при котором обеспечивается заданная стабильность основных параметров усилителя
При введении положительной ОС могут возникнуть условия при которых устройство самовозбуждается.Это произойдет на частотаз для которых выполняется баланс амплитуд,баланс фаз.Поэтому,необходимым условием является отсутствие самовозбуждения. Этого условия недостаточно т.к. 1)самовозбуждения может не быть,однако форма АЧХ из-за введения Ос изменилась настолько,что искажения превышают допустимые. 2)на некоторых частотах ОС может менять знак Поэтому усилитель считают устойчивым,если деформация его АЧХ находится в допустимых пределах.
13. Способы включения усилительных элементов по переменному току. Составной транзистор.
Способ включения зависит от того,какой вывод УЭ является общим для входной и выходной цепей усилителя.У УЭ имеется 3 основных электрода:
A)Эмитирующий(эмиттер,сток,катод)
Обеспечивает одновременное усиление и тока и напряжения,реализуют наибольшее усиление по мощности,имеют средние значения входного и выходного сопротивлений.Обладают наихудшими частотными свойствами и нелинейными искажениями.
Б)Управляющий(база,затвор,сетка)
Входное сопротивление минимально,выходное сопротивление максимально, обладает хорошими частотными свойствами и малыми нелинейными искажениями.
В)Управляемый(коллектор,сток,анод)
Полярность усиливаемых сигналов не меняется,усиление по напряжению меньше единицы,однако имеется усиление как тока,так и мощности,максимальное входное и минимальное выходное сопротивление,достаточно хорошие частотные свойства и малые нелинейные искажения.
В качестве усилительного элемента может быть применен не только один транзистор,но и комбинация из двух или больше транзисторов.Такая комбинация называется составной транзистор.Наиболее часто составной транзистор представляет собой комбинацию из двух транзисторо с непосредственной связью между ними.
14. Цепи питания усилительных элементов по постоянному току. Основные определения. Виды цепей питания и смещения, их достоинства и недостатки.
Состояние,в котором находится УЭ при отсутствии на его входе усиливаемого сигнала,называется состоянием покоя.Постоянные токи и напряжения в цепях УЭ,соответствующие состоянию покоя,называют токами и напряжениями покоя,они определяют на входной и выходной статических характеристиках УЭ точку покоя.Положение точки покоя характеризует режим работы УЭ по постоянному току.
Требуемый режим работы УЭ обеспечивается в усилительном каскаде с помощью специальных цепей питания.
Та часть цепей питания,которая обеспечивает подачу на УЭ напряжения или тока смещения,называется цепями смещения.
1)Нестабилизировнные цепи смещения должны обеспечивать необходимое значения и полярность напряжения смещения.
Достоинством нестабилизированных цепей смещения является их простота и экономичность.Недостаток выражается тем,что цепь не устраняет произвольных отклонений во времени режима работы транзистора от заданного.
2)Стаблизированные цепи смещения должны обеспечивать необходимое значения и полярность напряжения смещения и удерживать положение точки покоя в необходимых пределах при воздействии дестабилизирующих факторов.
Недостатки:
Увеличение мощности,потребляемой усилительным каскадом от источника питания.
15. Нестабилизированные цепи смещения. Разновидности, принципиальные схемы, принцип действия.
1) Схема усилительного каскада со смещением фиксированным током базы
Сопротивление Rб выбирается во много раз больше сопротивления по постоянному току между коллектором и базой транзистора, напряжение Uб.эо<<E. Поэтому :
Ток
базы практически не зависит от параметров
транзистора, имеет фиксированное
значение, определяемое напряжением
источника питания и сопротивлением Rб.
Для
обеспечения требуемого смещения на
транзисторе необходимо правильно
выбрать сопротивление резистора Rб,
Принцип действия: Ток эмиттера Iэо протекает по следующей цепи: общий провод, эмиттерный переход транзистора, далее он разделяется на Iбо и Iко. Ток Iбо протекает через резистор Rб и источник питания E на общий провод, а ток Iко – через коллекторный переход транзистора, резистор R, источник питания на общий провод.
2)Схема усилительного каскада со смещением фиксированным напряжением база-эмиттер.
Чем
больше I
по сравнению с I,
тем меньше напряжение смещения U
зависит от параметров транзистора. При
I>>I
получаем
т.е.
смещение является фиксированным и
зависит только от напряжения источника
питания и от сопротивлений делителя
R1,R2.
Принцип работы: Цепи протекания токов Iэо,Iбо и Iко такие же как и в предыдущей схеме(4.12). Ток делителя протекает протекает по цепи: источник питания, общий провод, резисторы R2,R1, источник питания.
Достоинством нестабилизированных цепей смещения является их простота и экономичность, однако на практике такие схемы нашли ограниченное применение потому, что они не устраняют произвольных отклонений во времени режима работы транзистора от заданного.
16. Причины нестабильности режима работы транзистора. Способы её уменьшения без применения стабилизированных цепей.
Причины нестабильности в усилительном каскаде со смещением фиксированным током базы:
Не
следует думать, что если ток Iбо
или напряжение Uб.эо
фиксированы, то точка покоя в транзисторе
постоянна. Статистические характеристики
транзисторов во времени не стабильны
из-за целого ряда факторов, основными
из которых являются технологический
разброс параметров транзисторов от
одного экземпляра к другому и сильная
зависимость их от температуры. Ток
коллектора транзистора :
Iк.н. еще иногда называют обратным током коллектора.
Ток Iко даже при фиксированном токе базы зависит от h21э и Iк.н. . Коэффициент h21э может меняться в зависимости от экземпляра транзистора в 2-3 раза. Ток Iк.н. резко зависит от температуры. Оба отмеченных фактора могут резко изменить режим работы УЭ, нарушить работу усилителя из-за искажений сигнала, а иногда могут привести к выходу транзистора из строя.
Причины нестабильности в усилительном каскаде со смещением фиксированным напряжением база-эмиттер:
Здесь разброс параметров и изменения температуры влияют значительно меньше. Однако и для этой схемы нестабильность режима работы транзистора может быть существенна. Изменения температуры и разброс параметров транзисторов приводит к изменению токов Iко и Iбо. При этом падение напряжения на резисторах R1 и R2 в усилительном каскаде будет меняться.
Способы её уменьшения без применения стабилизированных цепей:
Необходимо, чтобы Iд>>Iбо. Тогда изменение Iбо будет мало влиять на напряжение смещения Uб.эо.
17. Стабилизированные цепи смещения с температурной компенсацией. Разновидности, принципиальные схемы, принцип действия, достоинства и недостатки.
Цепи смещения с температурной компенсацией.
В схема с температурной компенсацией в цепях смещения используются термокомпенсирующие элементы : терморезисторы Rт (рис. А) или полупроводниковые диоды (рис. Б).
В качестве терморезистора могут быть использованы непроволочные резисторы с отрицательным температурным коэффициентом. С ростом температуры сопротивление терморезистора Rт уменьшается, при этом напряжение смещения Uб.эо на транзисторе снижается, что вызывает уменьшение Iко. Поскольку, с одной стороны, увеличение температуры вызвало возрастание Iко, а с другой – из-за понижения смещения Uб.эо уменьшение этого же тока, при определенных условиях температурные колебания тока Iко могу быть существенно уменьшены. Эффективность схемы можно существенно повысить, если вместо резистора R1 включить терморезистор с положительным температурным коэффициентом.
Повышение температуры вызывает уменьшение прямого сопротивления диода, что приводит к уменьшению смещения, при этом возрастание Iко компенсируется.
Преимущество схем диодной температурной компенсации в том, что можно получить полную температурную компенсацию изменения положения рабочей точки. Недостатком является то, что из-за разброса температурных коэффициентов транзисторов и терморезисторов эта компенсация не бывает точной и глубокой. При большом сигнале термоэлементы могут вызывать значительные его искажения.
18. Стабилизированные цепи смещения с отрицательной обратной связью. Разновидности, прин- ципиальные схемы, принцип действия, достоинства и недостатки.
Цепи смещения с отрицательной обратной связью.
Рис 4.18. Схема коллекторной стабилизации ( при включении транзистора с ОЭ). При таком включении вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению, снимаемая с коллектора транзистора.
Если, например, Iко стремится увеличиться, то падение напряжения на резисторе R увеличится, в результате чего при постоянном напряжении E уменьшится напряжение на резисторе R1, ток Iко также уменьшится, что препятствует возрастанию тока Iэо.
Схема коллекторной стабилизации проста и экономична, но имеет ограниченное применение из-за ряда недостатков.
Недостатки:
эффективность схемы тем больше, чем
больше R.
При увеличении R
увеличивается и требуемое напряжение
источника питания E.
(следует из формулы
).
Наличие нежелательной ООС по переменному току через резистор R1, уменьшающая входное сопротивление и усиление каскада.
Рис. 4.19 схема эмиттерной стабилизации (при включении с ОЭ). Имеет более высокую стабильность рабочей точки. Стабилизация режима осуществляется благодаря последовательной ООС по току, получаемой при включении в эмиттерный провод транзистора резистора Rэ.
Стабилизирующее действие растет с увеличением сопротивления Rэ и с уменьшением сопротивлений делителя R1, R2.
Однако с увеличением Rэ увеличивается требуемое напряжение источника питания.
19. Цепи межкаскадной связи (ЦМС). Основные требования, предъявляемые к ЦМС. Разновидности, достоинства и недостатки.
Основные требования : независимость передачи сигнала от одного усилительного каскада к другому от типа каскадов; минимальные потери, т.е. максимальные коэффициент передачи цепи; допустимые или минимальные искажения сигнала (частотные, фазовые, переходные), вносимые цепью межкаскадной связи; цепи должны удовлетворять условиям эксплуатации усилителя, служить для передачи питающих напряжений на электроды УЭ.
Виды:
Цепи с непосредственной связью.
Достоинства: отличаются простотой, поскольку при этом отсутствуют реактивные частотно-зависимые элементы, такие как ЦМС наиболее широкополосны. Такие схемы позволяют обеспечить усиление как переменных, так и постоянных напряжений.
Недостатки: Дрейф нуля (существенное медленное отклонение выходного напряжения от номинального). Некоторая сложность обеспечения требуемого режима работы УЭ по постоянному току в многокаскадном усилителе от одного источника питания.
Резистивно-емкостная цепь межкаскадной связи.
Достоинства: прост и экономичен, надежен в работе, требует меньшего напряжения источника питания по сравнению с усилителем, собранным по схеме с непосредственной связью. При правильно выбранной емкости С2 он обеспечивает хорошие частотную, фазовую и переходную характеристики.
Недостатки: Ухудшение характеристик, особенно в области нижних частот. Конденсаторы занимают значительную площадь, поэтому появляются трудности в реализации таких усилителей в интегральном исполнении. Усиление и КПД такого каскада меньше трансформаторного.
Трансформаторная цепь межкаскадной связи
Достоинства : возможность оптимизировать в рабочем диапазоне частот работу УЭ в усилительном каскаде. Можно построить трансформаторный усилитель с использованием ИМС.
Недостатки : дороговизна, большая масса и габариты, низкая надежность; необходимость защиты его от внешних магнитных полей, механических и климатических воздействий. Зависимость входного и выходного сопротивлений трансформатора от частоты и наличие распределенных емкостей обмоток, что вызывает значительные частотные и фазовые искажения. Почти невозможно изготовить по интегральной технологии.