- •1. АЭУ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
- •1.1. Назначение, область применения, классификация аналоговых
- •1.2. Усилитель как основной элемент АЭУ
- •1.3. Классификация усилителей
- •1.4. Параметры усилителей
- •1.4.1. Выходные и входные данные
- •1.4.2. Коэффициенты усиления
- •1.4.3. Частотная и фазовая характеристики
- •1.4.4. Переходная характеристика
- •1.4.5. Линейные искажения
- •1.4.7. Помехи и собственные шумы в АЭУ
- •1.4.8. Амплитудная характеристика
- •1.4.9. Нелинейные искажения
- •1.4.10. Потребляемая мощность и коэффициент полезного действия
- •2. УСИЛИТЕЛЬ (АЭУ) КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК
- •2.1. Основные определения
- •2.1.1. Четырехполюсники, их параметры и эквивалентные схемы
- •2.1.2. Определение показателей усилителя через параметры
- •2.2. Использование обратной связи в АЭУ
- •2.2.1. Виды обратной связи
- •2.2.2. Использование параметров четырехполюсника для описания
- •2.2.3. Коэффициент петлевого усиления и глубина обратной связи
- •2.2.4. Влияние обратной связи на коэффициент сквозного усиления
- •2.2.6. Влияние обратной связи на стабильность усилителя
- •3. РАБОТА АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА В УСИЛИТЕЛЬНОЙ СХЕМЕ
- •3.1. Схемы включения биполярных транзисторов
- •3.1.2. Включение биполярного транзистора по схеме с общей базой
- •3.2. Схемы включения полевых транзисторов
- •3.2.1. Общие сведения
- •3.2.2. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком
- •3.2.3. Включение полевого транзистора по схеме с общим затвором
- •3.2.4. Включение полевого транзистора по схеме с общим стоком
- •3.3. Режимы работы активных элементов
- •3.3.1. Общие положения
- •3.3.2. Режим А
- •3.3.3. Режим В
- •3.3.4. Режим С
- •3.3.5.Режим D
- •3.4. Цепи питания активных элементов
- •3.4.1. Общие положения
- •3.4.2. Подача смещения фиксированным током базы
- •3.4.3. Подача смещения фиксированным напряжением базы
- •3.4.4. Эмиттерная стабилизация
- •3.4.5. Коллекторная стабилизация
- •3.4.7. Цепи питания полевых транзисторов
- •4. КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Транзисторный резисторный каскад
- •4.2.1. Частотная характеристика. Область средних частот
- •4.2.2. Частотная характеристика. Область нижних частот
- •4.2.3. Частотная характеристика. Область верхних частот
- •4.3. Резисторный каскад на полевом транзисторе
- •4.3.1. Принципиальная и общая эквивалентные схемы
- •4.3.2. Частотная характеристика. Область средних частот
- •4.3.3. Частотная характеристика. Область нижних частот
- •4.3.4. Частотная характеристика. Область верхних частот
- •4.4. Широкополосные каскады и коррекция частотных характеристик
- •4.4.1. Общие положения
- •4.4.2. Влияние цепи RЭ,CЭ (RИ,CИ) на работу резисторного каскада
- •4.4.3. Высокочастотная индуктивная коррекция
- •4.4.4. Низкочастотная коррекция
- •4.5. Трансформаторный каскад
- •4.5.1. Эквивалентная схема трансформатора
- •4.5.3. Поведение трансформаторного каскада в области низких частот
- •4.5.4. Поведение трансформаторного каскада в области высоких частот
- •4.6. Специальные схемы каскадов предварительного усиления
- •4.6.1. Каскодный усилитель
- •4.6.2. Усилитель с распределенным усилением
- •4.6.3. Повторители напряжения с улучшенными характеристиками
- •4.6.4. Дифференциальный каскад
- •4.6.5. Усилитель с динамической нагрузкой
- •5. КАСКАДЫ МОЩНОГО УСИЛЕНИЯ
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Однотактные усилители мощности
- •5.3. Двухтактные усилители мощности. Общие сведения
- •5.4. Двухтактная схема усилителя мощности
- •5.5. Бестрансформаторные усилители мощности
- •6. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
- •6.1. Основные свойства усилителей постоянного тока
- •6.2. Усилители постоянного тока прямого действия
- •6.3. Усилители постоянного тока с преобразованием
- •6.4. Реактивные усилители
- •7. УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
- •7.1. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •7.2. Критерий устойчивости Найквиста
- •7.3. Многокаскадные усилители с обратной связью
- •7.5. Паразитные обратные связи и борьба с ними
- •8.1. Общие положения
- •8.2. Основные параметры ОУ
- •8.3. Основные схемы включения ОУ с ООС
- •8.3.1. Инвертирующий усилитель
- •8.3.2. Неинвертирующее включение ОУ
- •8.3.3. Инвертирующий сумматор сигналов
- •8.3.4. Интегрирующий усилитель
- •8.3.5. Активные фильтры на базе ОУ
- •8.3.6. Логарифмирующий и антилогарифмирующий усилители
- •9. РЕГУЛИРОВКИ В УСИЛИТЕЛЯХ
- •9.1. Общие положения
- •9.2. Регулировка усиления
- •9.3. Регулировка тембра
- •9.3.1. Общие положения
- •9.3.2. Пассивные регуляторы тембра
- •9.3.3. Активные регуляторы тембра
Кирхгофа, равно падению напряжения на стабилитроне, переходе база-эмиттер транзистора VT2 и сопротивлении R6. Падение напряжения на R6 определяется постоянным током коллектора VT2. Следовательно, для того чтобы падение на переходе база-эмиттер VT2 находилось вблизи нуля, необходимо выбирать стабилитрон VD1 с напряжением стабилизации примерно равным разности между напряжением на коллекторе VT1 U0K1 и напряжением на резисторе R5. Сопротивление стабилитрона в рабочей точке по переменному току очень мало, поэтому потерь сигнала на нем практически не происходит. Однако ток стабилитрона в момент лавинного пробоя обладает заметной шумовой составляющей, что сильно повышает дрейф нуля усилителя.
Наименьший уровень дрейфа в УПТ прямого действия достигается в усилителях с непосредственной связью, выполненных на дифференциальных каскадах с питанием от стабилизированных источников. Дрейф нуля таких усилителей может опускаться до десятых долей милливольт в час.
6.3. Усилители постоянного тока с преобразованием
Для получения более высокой чувствительности усилители постоянного тока строят по принципу преобразования частоты. УПТ с преобразованием позволяют снизить дрейф нуля по сравнению с усилителями прямого действия еще на 2 - 3 порядка. С помощью таких усилителей усиливают сигналы с напряжением в единицы и даже десятые доли микровольт. Блок-схема такого усилителя приведена на рис. 6.5, а. Усиливаемый сигнал UВХ с постоянной составляющей (рис. 6.5, б) поступает на вход балансного модулятора БМ. В балансном модуляторе входной сигнал перемножается с сигналом гетеродина Г. С выхода БМ модулированный сигнал U1 подается на вход избирательного усилителя переменного тока и усиливается до необходимой величины. После усиления высокочастотный модулированный сигнал U2 детектируется в балансном демодуляторе. Благодаря использованию балансного модулятора и балансного детектора, управляемых одним и тем же напряжением гетеродина, удается сохранить на выходе фазу входного сигнала. Усиленный и продетектированный сигнал U3 поступает на фильтр низких частот, где устраняется высокочастотная составляющая, а затем в нагрузку.
220
|
|
|
|
|
|
|
|
|
БМ |
|
|
БД |
|
|
Все |
усиление |
в |
UВХ |
|
U1 |
U2 |
U3 |
RH |
||||
этой схеме осуществляет- |
|
|
|
Г |
|
а |
|||||||
ся на частоте гетеродина, |
|
|
|
|
|||||||||
UВХ |
|
|
|
|
|||||||||
поэтому дрейф нуля здесь |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
определяется |
|
только |
|
|
|
|
|
б |
|||||
дрейфом |
балансного |
мо- |
|
|
|
|
t |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
дулятора. |
Самым низким |
U1 |
|
|
|
|
|
||||||
уровнем дрейфа обладает |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
t |
в |
||||||||
механический |
модулятор, |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
в качестве |
которого |
мо- |
U2 |
|
|
|
|
|
|||||
жет использоваться |
виб- |
|
|
|
|
|
|
||||||
рационный |
переключа- |
|
|
|
|
t |
г |
||||||
тель ВП (рис. 6.6.). Для |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
качественно выполненно- |
|
|
|
|
|
|
|||||||
го вибрационного |
моду- |
U3 |
|
|
|
|
|
||||||
лятора дрейф нуля может |
|
|
|
|
|
|
|||||||
быть |
снижен |
до |
единиц |
|
|
|
|
t |
д |
||||
нановольт в минуту [2]. В |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
качестве |
|
контактной |
|
|
|
|
|
|
|||||
группы |
|
вибрационного |
|
|
|
|
|
|
|||||
преобразователя |
могут |
|
|
|
Рис. 6.5 |
|
|||||||
использоваться |
контакты |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
поляризованного |
реле. |
Аналогичную |
|
|
|
|
|||||||
схему |
и |
|
конструкцию |
имеет демо- |
|
ВП |
Тр |
|
|||||
дулятор. |
|
В |
качестве |
|
напряжения |
|
|
|
|||||
гетеродина |
используется |
напряжение, |
|
|
U1 |
|
|||||||
питающее |
реле (довольно |
часто |
это - |
|
|
|
|||||||
|
UВХ |
|
|
||||||||||
напряжение питающей сети). Частота |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
питания реле выбирается в 5 - 10 раз |
|
|
|
|
|||||||||
больше |
|
наивысшей |
частоты |
|
|
Рис. 6.6 |
|
||||||
усиливаемого сигнала. Из-за меха- |
|
|
|
|
|||||||||
нической |
|
инерционности |
якоря |
эта |
|
|
|
|
частота не превышает нескольких сотен герц (100 - 300 Гц). Кроме того, с ростом частоты растет потребляемая переключателем мощность, уменьшаются
221
срок его службы и надежность. Поэтому полоса пропускания усилителя с механическим преобразователем частоты ограничена частотами в 20 - 50 Гц.
Широко используемые кольцевые диодные и транзисторные модуляторы могут работать на значительно более высоких частотах. Соответственно полоса пропускания усилителей с преобразованием, использующих такие модуляторы, может превышать сотни килогерц. Однако при этом заметно возрастает дрейф нуля.
6.4.Реактивные усилители
Креактивным усилителям относят усилители, которые в качестве активного элемента используют переменную индуктивность или емкость, изменяющиеся под воздействием усиливаемого сигнала. По своему принципу действия реактивные усилители приближаются к усилителям постоянного тока с преобразованием. Изменяющаяся в соответствии с усиливаемым сигналом индуктивность или емкость включается в цепь мощного генератора высокой частоты и управляет величиной его тока. Таким образом, в цепи этого генератора начинает протекать переменный ток высокой частоты, амплитуда которого изменяется по закону усиливаемого сигнала. Теперь остается продетектировать этот мощный ток, отфильтровать высокочастотную составляющую и подать усиленный сигнал на нагрузку.
Примером реактивного усилителя может служить магнитный усилитель (рис. 6.7, а). Магнитный усилитель строится на броневом сердечнике из магнитного материала и имеет три обмотки. Две из них намотаны на центральном стержне и одна, состоящая из двух частей, на боковых стержнях сердечника. На центральном стержне расположены управляющая обмотка, на которую подается усиливаемый сигнал UВХ, и обмотка смещения, запитываемая напряжением Е0. В цепь третьей обмотки включены мощный высокочастотный генератор UГ
инагрузка, состоящая, как уже говорилось, из детектора, фильтра нижних частот и собственно нагрузки. Частота генератора, как и в случае балансного модулятора, выбирается в 5 - 10 раз выше верхней частоты усиливаемого сигнала.
222
На рис. 6.7, б приведен график зависимости индукции В в сердечнике от напряженности магнитного поля Н, позволяющий облегчить понимание принципа работы магнитного усилителя. Под воздействием тока, задаваемого напряжением Е0, рабочая точка выводится на середину нелинейного участка кривой намагничивания. Входной сигнал возбуждает ток в управляющей обмотке, под влиянием которого изменяется напряженность магнитного поля и соответственно изменяется магнитная индукция в сердечнике. Магнитная проницаемость сердечника µ пропорциональна скорости изменения магнитной индукции и определяется в каждой точке кривой производной dB/dH. Индуктивность катушки с магнитным сердечником непосредственно зависит от его магнитной проницаемости. Индуктивность и соответственно сопротивление для высоко-
|
|
|
частотного тока третьей об- |
||||
|
|
Н |
мотки будут меняться по за- |
||||
|
|
кону |
изменения |
магнитной |
|||
|
|
|
|||||
|
|
|
проницаемости. Таким обра- |
||||
UВХ |
|
Е0 |
зом, величина тока, возбуж- |
||||
|
даемого в третьей обмотке и |
||||||
а |
|
UГ |
|||||
|
в нагрузке напряжением ге- |
||||||
|
|
|
нератора UГ, будет меняться |
||||
|
B |
dB/dH |
по закону изменения магнит- |
||||
|
ной |
проницаемости |
сердеч- |
||||
|
dB/dH |
|
|||||
|
|
|
ника, т.е. по закону измене- |
||||
|
|
|
ния |
усиливаемого |
сигнала. |
||
|
|
|
Части третьей обмотки со- |
||||
|
|
|
единяются между собой та- |
||||
|
|
|
ким образом, чтобы их маг- |
||||
|
|
|
нитные потоки были направ- |
||||
|
H |
H |
лены друг за другом и рас- |
||||
|
|
пространялись |
по |
внешнему |
|||
б |
t |
|
контуру магнитного |
сердеч- |
|||
|
ника (на рис. 6.7 обозначены |
||||||
|
Рис. 6.7 |
|
|||||
|
|
пунктирными |
стрелками). |
Такое включение обмоток исключает попадание высокочастотных магнитных потоков в средний стержень сердечника (они в нем будут направлены навстречу друг другу). В результате исключается попадание высокочастотной состав-
223
ляющей во входную цепь усилителя. Расположение управляющей обмотки на центральном стержне позволяет устранить проникновение входного сигнала напрямую в выходную цепь. Магнитные потоки, возбуждаемые управляющей обмоткой в половинках выходной, направлены навстречу друг другу, и ЭДС, наводимые ими, компенсируются. Коэффициент усиления по мощности магнитного усилителя пропорционален отношению числа витков входной обмотки к числу витков выходной. Поэтому, увеличивая число витков управляющей обмотки, можно получить значительный коэффициент усиления (в 103 - 104 раз). С ростом числа витков растет индуктивность управляющей обмотки и соответственно сужается полоса усиливаемых частот.
Благодаря высокому коэффициенту усиления, высокой надежности при практически не ограниченном сроке службы, малому уровню собственных шумов, нечувствительности к ударам и вибрациям магнитные усилители находят широкое применение в различных регулирующих и управляющих системах, стабилизаторах тока и напряжения, устройствах автоматического регулирования. Магнитные усилители, собранные по двухтактной схеме, используются в качестве балансных модуляторов в схемах УПТ с преобразованием.
Принцип действия емкостного (диэлектрического) усилителя мало отли-
чается от принципа действия магнит- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного. Простейшая схема такого уси- |
|
LР |
|
CР |
|||||
лителя представлена на рис. 6.8. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Входной сигнал UВХ через раздели- UВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VD |
|
|
|
|
H |
|||
тельную индуктивность LР поступает |
|
|
|
UГ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
на варикап VD и своим напряжением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.8 |
||||||||
меняет величину его емкости. Ток |
|
||||||||
высокочастотного источника пита- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния, включенного через разделительный конденсатор СР последовательно с варикапом и нагрузкой, изменяется в соответствии с изменением емкостного сопротивления VD, т.е. с изменением усиливаемого сигнала. Разделительная индуктивность не пропускает ток высокочастотного генератора в источник сигнала. Разделительная емкость препятствует прямому прохождению входного сигнала в нагрузку. Как и в предыдущем усилителе, нагрузкой здесь являются детектор, фильтр нижних частот и потребитель усиленного сигнала. Область применения диэлектрических усилителей та же, что и у магнитных.
224