- •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
лителя;
U2,f – напряжение первой гармоники на выходе усилителя.
1.4.10. Потребляемая мощность и коэффициент полезного действия
Обычно для питания усилителя могут использоваться несколько источников. Так, например, в мощных усилителях (от нескольких ват и выше) каскады предварительного усиления и каскады усиления мощности, как правило, питаются от разных источников. При определении потребляемой усилителем мощности учитывают мощность, потребляемую от всех источников питания. Величина полезной мощности в нагрузке существенно влияет на величину потребляемой мощности, поэтому последняя измеряется в режиме, когда усилитель отдает в нагрузку выходную мощность, равную расчетной.
Коэффициент полезного действия показывает, какая часть потребляе-
мой от источника питания мощности превращается в полезную мощность на выходе усилителя. Он определяется как отношение полезной мощности в нагрузке к мощности, потребляемой от источника питания:
|
η= Р2 , |
(1.46) |
|
Р0 |
|
где |
P2 – полезная мощность в нагрузке; |
|
|
P0 – мощность, потребляемая от источника питания. |
|
2.УСИЛИТЕЛЬ (АЭУ) КАК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК
2.1.Основные определения
2.1.1.Четырехполюсники, их параметры и эквивалентные схемы
АЭУ, используемые в технике передачи и обработки информации, всегда выступают в роли функционального звена, связывающего источник сигнала (генератор) и нагрузку. Подобные устройства получили названия четырехполюсников в связи с тем, что они характеризуются наличием двух пар зажимов (рис. 2.1), одна из которых предназначена для связи с источником сигнала, вторая - для связи с нагрузкой.
37
Различают линейные и нелинейные четырехполюсники, четырехполюсники пассивные и активные. Согласно определению, данному в первом разделе, усилители могут представляться как активные четырехполюсники с управляемыми источниками. При этом, смотря по тому, в каком режиме работает усилительный элемент, усилитель может рассматриваться как линейный или как не-
линейный четырехполюсник. |
&I1 |
&I2 |
Свойства четырехполюсника как |
||
устройства для передачи сигнала полно- |
|
|
стью определяются соотношениями ме- |
& |
& |
U1 |
U2 |
|
жду напряжениями на его внешних за- |
|
|
жимах и токами, которые проходят через эти зажимы. Соотношения, связывающие
комплексные амплитуды напряжений и токов на двух парах зажимов четырех-
полюсника, называются уравнениями передачи четырехполюсника.
& |
& |
& |
& |
& |
|
& |
I1 |
= Y11U1 |
+ Y12U2 |
U1 |
= H11I1 |
+ H12U2 |
|
& |
& |
& |
& |
& |
|
& |
I2 |
= Y21U1 |
+ Y22U2 |
I2 |
= H21I1 |
+ H22U2 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.1) |
& |
& |
& |
& |
& |
|
& |
U1 = Z11I1 |
+ Z12I2 |
I1 |
= K11U1 |
+ K12I2 |
||
& |
& |
& |
& |
& |
|
& |
U2 = Z21I1 |
+ Z22I2 |
U2 |
= K21U1 |
+ K22I2 |
В усилительной технике наибольшее распространение получили системы уравнений (2.1), называемые соответственно Y-, Z-, H- и К-системами параметров четырехполюсника. Коэффициенты уравнений (2.1) называются параметрами четырехполюсника и определяются исключительно его схемой и значениями элементов и не зависят от внешних цепей, включенных на входе и выходе четырехполюсника.
Каждый из параметров можно определить, создавая на входе или на выходе четырехполюсника такой режим, при котором один из членов в правой части уравнений (2.1) превращается в ноль. Так, если в четырехполюснике, описываемом системой Y-параметров, обеспечить режим короткого замыкания на его выходе, при котором U2 равно нулю, то
Y11 = &I&1 - входная проводимость четырехполюсника, измеренная в ре- U1
38
жиме короткого замыкания на его выходе (U2 = 0);
|
|
& |
|
|
Y |
= |
I2 |
- проводимость прямой передачи, измеренная в режиме корот- |
|
& |
||||
21 |
|
|
||
|
|
U1 |
|
кого замыкания на его выходе (U2 = 0).
Для определения параметров Y12 и Y22 необходимо обеспечить режим короткого замыкания на входе четырехполюсника:
|
|
& |
|
|
|
Y |
= |
I1 |
|
- проводимость обратной передачи, измеренная в режиме ко- |
|
& |
|||||
12 |
|
|
|
||
|
|
U2 |
|
|
|
роткого замыкания на его входе (U1 = 0); |
|||||
|
|
& |
|
|
|
Y |
= |
I2 |
|
- выходная проводимость четырехполюсника, измеренная в |
|
& |
|
||||
22 |
|
|
|
||
|
|
U2 |
|
|
режиме короткого замыкания на его входе (U1 = 0).
Для системы H-параметров таким же образом получим
H11 = U&&1 - входное сопротивление, измеренное в режиме короткого за- I1
мыкания на выходе (U2 = 0);
H12 = U&& 1 - коэффициент обратной передачи, измеренный в режиме хо-
U2
лостого хода на входе (I1 = 0);
H21 = &I2 - коэффициент прямой передачи по току, измеренный в режиме
&I1
короткого замыкания на выходе (U2 = 0);
|
& |
|
H22 = |
I2 |
- выходная проводимость четырехполюсника, измеренная в |
& |
||
|
U2 |
|
режиме холостого хода на его входе (I1 = 0).
При желании таким же образом могут быть определены параметры для Z- и K-систем.
39
& |
|
& |
|
& |
& |
I1 |
|
I2 |
|
I1 |
I2 |
& |
Y22 |
|
|
H11 |
& |
Y12U2 |
|
|
H21I1 |
||
& |
|
& |
& |
& |
& |
U1 |
& |
U2 |
U1 |
Н12U2 |
U2 |
Y11 |
|
|
|
H22 |
|
Y21U1 |
|
|
|
||
а |
|
|
|
|
б |
Рис. 2.2
Каждой системе уравнений (2.1) соответствует своя эквивалентная схема. Так, например, эквивалентные схемы для У- и Н-систем представлены на рис. 2.2, а, б.
Как видно из рисунков, входная часть каждой схемы определяется первым уравнением соответствующей системы, а выходная - вторым.
2.1.2. Определение показателей усилителя через параметры
|
четырехполюсника |
|
|
|
|
|
|
||||
Показатели |
усилителей |
|
& |
|
& |
|
|
||||
(входные и выходные сопротив- |
|
|
|
I1 |
|
|
|
I2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ления, коэффициенты усиления и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т.д.) зависят не только от пара- |
|
|
|
Y1 |
Y11 |
|
|
Y22 Y2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
метров четырехполюсника, но и |
& |
|
|
& |
& |
|
|
& |
|
|
|
от сопротивления источника сиг- |
J1 |
|
|
U1 |
Y21U1 |
|
|
U2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нала и сопротивления нагрузки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для определения |
показателей |
|
|
|
|
Рис. 2.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
усилительного каскада восполь-
зуемся схемой (см. рис. 2.3), описываемой системой уравнений в Y- параментрах [1]. В этой схеме на входе четырехполюсника включен генератор тока J&1 с его внутренней проводимостью Y1, а на выходе - нагрузка Y2.
Определим ток I2, протекающий через нагрузку Y2: |
|
|
& |
& |
(2.2) |
I2 |
= −Y2U2 |
Знак минус в выражении (2.2) объясняется тем, что направление тока на
40
рис. 2.3 не соответствует выбранному направлению напряжения U2. Подставим (2.2) во второе уравнение системы Y-параметров:
|
& |
|
|
& |
& |
|
(2.3) |
|
−Y2U2 |
= Y21U1 +Y22U2 . |
|
||||
Уравнение (2.3) с помощью Y-параметров и проводимости нагрузки Y2 |
|||||||
& |
& |
что дает возможность определить коэффици- |
|||||
связывает напряжения U1 |
и U2 , |
||||||
ент усиления по напряжению: |
|
|
|
|
|
|
|
|
& |
& |
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
|
Y21 |
. |
(2.4) |
|
|
K = |
= − |
|||||
|
& |
Y2 +Y22 |
|||||
|
|
|
U1 |
|
|
|
Найдем из выражения (2.4) напряжение U2 и подставим его в первое уравнение системы:
& |
& |
|
|
& |
|
|
|
|
Y12Y21U1 |
. |
(2.5) |
||||
I1 |
= Y11U1 |
− |
|||||
Y2 |
+ Y22 |
||||||
|
|
|
|
|
Уравнение (2.5) связывает входной ток и входное напряжение, что дает возможность определить входную проводимость усилителя:
|
&I |
|
Y Y |
|
||
Y = |
1 |
= Y − |
|
12 21 |
. |
(2.6) |
& |
|
|
||||
ВХ |
11 |
Y2 |
+ Y22 |
|
||
|
U1 |
|
|
Учитывая, что система Y-параметров является симметричной относительно входа и выхода, можно записать выражение для выходной проводимости усилителя:
Y |
= Y − |
Y12Y21 |
. |
(2.7) |
|
|
|||||
ВЫХ |
22 |
Y1 |
+ Y11 |
|
|
|
|
|
Используя (2.2, 2.4, 2.6) найдем коэффициент усиления по току
|
|
|
& |
|
& |
|
Y21 |
|
|
|
Y2 |
|
|
|
|
K |
i |
= |
I2 |
= −Y2U2 |
= |
|
|
|
|
|
= |
||||
& |
|
|
|
|
Y21Y12 |
|
|
||||||||
|
|
Y |
& |
|
Y |
+Y |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
I |
U |
|
|
Y |
− |
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
ВХ |
1 |
|
2 |
22 |
|
|
Y2 |
+ Y22 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
41
= |
|
|
Y21Y2 |
|
. |
(2.8) |
|
Y (Y +Y |
) −Y Y |
||||||
|
11 |
2 |
22 |
21 |
12 |
|
|
Определим сквозной коэффициент усиления по току
|
|
|
&I |
2 |
|
−Y U |
2 |
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
K |
J |
= |
|
= |
2 |
|
|
= |
21 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
= |
|||
|
|
|
|
|
& |
|
|
|
|
|
|
|
Y21Y12 |
|
|
||||||
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
(Y + Y )U Y + Y |
|
(Y + Y ) − |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
1 ВХ 1 |
|
2 |
22 |
|
|
(Y2 |
+ Y22 ) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
11 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
Y21Y2 |
|
|
|
. |
|
|
(2.9) |
||
|
|
|
|
|
|
(Y + Y )(Y +Y |
) −Y Y |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
11 |
2 |
22 |
21 |
12 |
|
|
|
|
|
Найдем сквозной коэффициент усиления по напряжению:
|
& |
|
|
&I2 |
Y2 |
& |
|
Y1 |
|
|
Y21Y1 |
|
|
|
||||
& |
U2 |
|
|
|
|
−I2 |
|
|
|
|
|
|
||||||
KE = |
& |
|
= − |
& |
|
|
= |
& |
|
|
Y |
= − |
(Y |
+ Y )(Y |
+ Y |
) −Y Y |
. |
(2.10) |
|
E |
|
J |
|
|
J |
|
|
|
|
||||||||
|
|
1 |
|
|
1 Y |
|
|
1 |
2 |
|
1 |
11 2 |
22 |
21 12 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Все полученные выше показатели усилителя могут быть определены путем использования любой другой системы параметров четырехполюсника. Так, используя свойство дуальности электрической цепи, можно записать выражения для входного и выходного сопротивления усилителя в системе Z-параметров:
Z |
ВХ |
= Z |
− |
Z12Z21 |
(2.11) |
||
|
|
||||||
|
11 |
|
Z2 + Z22 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
ZВЫХ = Z22 − |
|
Z12Z21 |
. |
(2.12) |
|||
|
|
||||||
|
|
|
|
Z1 + Z11 |
|
Коэффициент сквозного усиления для четырехполюсника, описываемого системой Н-параметров, имеет вид
& |
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
|
|
|
H21 |
|
|
|
|
|
|||
KE = |
= − |
|
|
|
|
|
. |
(2.13) |
||||
& |
|
(H |
+ Z )(H |
|
+ Y ) −H |
|
H |
|
||||
|
E |
|
22 |
21 |
12 |
|
|
|||||
|
|
1 |
|
11 |
1 |
2 |
|
|
|
Следует отметить, что все эти выражения можно было получить, ис-
42