Материал: Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие. 2000
режим по постоянному току, т.е. определяется Ug0, Iвх0, U20. Затем на оси U берутся две точки Uвх min=3B и Uвх max=7B и проводятся две параллельные линии. Места пересечения характеристик В и С дают Ug max, Ug min, Iвх max, Iвх min.
3.2. Аналоговые усилители. Классификация. Основные
характеристики и параметры усилителей
Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом Uвх, источник питания Uп и нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.
I1 |
|
2 |
Входной сигнал Uвх |
|
Y |
I |
управляет параметрами |
|
|
||
|
|
нелинейного элемента. В качестве |
|
U |
Zн |
нелинейного элемента |
|
вх |
используются электровакуумные |
||
Uвх |
|
||
Zc |
|
приборы, транзисторы и другие |
|
|
|
элементы. |
|
|
|
|
Усилитель может иметь один или |
Рис. 47. Структурная схема усилительного |
два входа и один или два выхода. |
||
|
устройства. |
|
Один из входов обычно является |
|
|
|
прямым, а второй – инверсным. |
Классификация усилителей производится по многим признакам:
по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;
по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;
по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в
зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители. Последние обеспечивают усиление в узком диапазоне частот; по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.
Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.
В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей:
усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.
Основными характеристиками любого усилителя являются:
46
амплитудная характеристика, которая представляет |
собой зависимость: |
||
Uвых = ϕ(Uвх ). Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало |
|||
координат; |
|
|
Uвых = ϕ(f ) отражает |
амплитудно-частотная |
характеристика |
(АЧХ): |
|
зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;
фазово-частотная характеристика Uвых = λ(f ) отражает зависимость угла
сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала; переходная характеристика – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее
изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1) либо аппериодичным (кривая 2).
Uвых |
Линейный усилитель |
Uвых |
Широкополосный |
||
усилитель |
|||||
|
|
||||
|
|
|
|
||
|
|
Нелинейный |
|
Избирательный |
|
|
|
|
усилитель |
||
|
|
усилитель |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
Uвх |
|
f |
|
ϕ |
|
а) |
Uвых |
б) |
|
|
|
|
|||
90° |
|
|
|
|
|
45° |
f0 |
f |
|
|
|
0° |
|
|
|||
|
|
|
1 |
||
45° |
|
|
Uвх |
||
|
|
2 |
|||
90° |
|
|
|
f |
|
в) г)
Рис. 48. Характеристики усилителя: амплитудная(а), амплитудно-частотная(б), фазово- частотная (в) и переходная (г).
Важнейшими параметрами усилителя являются:
коэффициенты усиления по току KI , напряжению KU и мощности
KI = |
Iвых ; |
KU = |
Uвых ; |
KP = |
|
Iвх |
|
Uвх |
|
KP :
Pвых ;
Pвх
где Iвх, Iвых, Uвх, Uвых, Pвх, Pвых – действующие значения токов напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя.
47
полоса |
пропускания |
усилителя |
2 f - |
характеризует |
частотные |
свойства |
||||||||
усилителя. (Измеряется на уровне 0,707 от Kmax |
2 |
f = fB − fН . |
|
|
|
|||||||||
Для наглядности в ряде случаев АЧХ строится в относительных единицах |
||||||||||||||
усиления. |
|
|
N(f ) = K(f ) |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Kmax |
|
|
|
|
|
|
|
|
где К(f) - коэффициент усиления на частоте f, Kmax – максимальный |
||||||||||||||
коэффициент усиления.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с |
||||||||||||||
источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение |
||||||||||||||
входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются |
||||||||||||||
функцией от частоты: |
Zвх (f ) = Uвх |
(f ) |
|
; |
|
Zвых (f ) = Uвых (f ) |
вых (f ) |
. |
||||||
|
|
|
|
|
Iвх (f ) |
|
|
|
|
I |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Выходная мощность усилителя – это |
||||||||
Кv |
|
|
|
|
|
мощность, которая выделяется на |
||||||||
Кmax |
|
|
|
|
|
нагрузке. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Искажения сигналов в усилителе – это |
||||||||
0.707Kmax |
|
|
|
|
отклонение формы выходного сигнала |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
от формы входного сигнала. Различают |
||||||||
|
|
|
|
|
|
два |
|
вида |
искажений: |
статические |
||||
|
|
|
|
|
|
(нелинейные) |
и |
динамические |
||||||
|
|
|
|
f |
|
(линейные). |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Нелинейные |
искажения |
||||||
|
fн |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
f0 |
|
fв |
|
возникают |
в |
умножителе |
за |
счет |
|||||
|
|
2 f |
|
|
|
работы его |
на |
нелинейном |
участке |
|||||
|
|
|
|
|
ВАХ. |
Количественно |
нелинейные |
|||||||
|
Рис. 49. АЧХ усилителя |
|
||||||||||||
|
|
искажения |
|
|
оцениваются |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
коэффициентом |
|
нелинейных |
||||||
искажений Kн = |
( А2 + А2 |
+ ... + А2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
3 |
n А , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Аn – амплитуда n-й гармоники;
А1 – амплитуда основной гармоники выходного сигнала.
Линейные искажения определяются амплитудно-частотной
характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.
Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом как правило является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный
48
усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.
При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных с ОЭ
(OU) или с ОК (OC).
3.3. Обратная связь в усилителях
Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя.
Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена
|
Uвх0 |
|
|
Uвх сум |
|
|
|
Uвых |
ниже. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
Кv0 |
|
|
|
|
|
В |
общем |
|
случае |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
обратная связь в усилителе |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Вос |
|
|
|
|
может быть положительной |
||||||
|
|
ВосUвых |
|
|
|
|
и |
отрицательной. |
Если |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнал |
обратной |
связи по |
|||
|
Рис. 50. Структурная схема усилителя с обратной |
фазе совпадает с входным, |
||||||||||||||
|
то |
связь |
называется |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
связью |
|
|
|
положительной. |
В |
этом |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
случае: Uвых = KU0Uвх.сум.; Uвх.сумм. = Uвх0 − вocUвых; |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
KU.полож = |
Uвых |
= KU.0 |
(1 |
− вocKU.0) |
; |
|
|
|
||||
|
|
Uвх0 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где KU0 – коэффициент усиления усилителя без обратной связи; |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
КU.полож – коэффициент |
усиления |
усилителя |
с |
положительной |
|||||||||
|
|
Iн |
|
Iвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кu0 |
R1 |
|
Uвх0 |
Кuo |
Iн |
Rн |
|
|
|||||
Uвх0 |
|
Uвых |
Rн |
Iос |
|
|
Uос |
R2 |
|
Ri |
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Zос |
|
|
Uвх усил=Uвхо±Uос |
Iвх=Iвх± Iос |
а) |
б) |
Рис. 51. Обратная связь по напряжению (а) и по току (б).
обратной связью;
49
вос – коэффициент передачи в цепи обратной связи.
|
|
Полученное выражение показывает, что введение в усилитель |
||||||||
положительной |
обратной связи |
увеличивает коэффициент усиления. При |
||||||||
в |
oc |
= 1 |
, усиление равно ∞ . |
|
|
|
|
|||
|
|
KU0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отрицательная обратная связь возникает, если фазовый сдвиг выходного |
||||||||
сигнала относительно входного составляет 1800. Uвых = KU0Uвх.сум.; |
||||||||||
Uвх.сумм. = U |
вх0 |
− вocUвых ; |
K |
U.отр |
= KU.0 |
(1 + вocKU.0). |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя.
По способу получения сигнала обратной связи принято различать обратную связь по напряжению и по току.(рис. 51)
Обратная связь может быть частотозависимой и частотонезависимой. В обратной связи могут использоваться как линейные элементы, так и нелинейные.
В электронных усилителях, как правило, применяется отрицательная обратная связь. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления,
отрицательная обратная связь позволяет улучшить стабильность работы схемы при изменении параметров усилителя и напряжения питания; снижает уровень нелинейных искажений и собственных помех, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление; расширяет полосу пропускания усилителя.
Положительная обратная связь применяется в автогенераторах.
В некоторых усилителях для получения требуемой АЧХ используется одновременно и положительная и отрицательная обратные связи.
3.4. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером
Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор в цели коллектора Rk. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения Uсм на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Конденсаторы Cg разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов.
При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное напряжение постоянны: Ik = Ik0 и Uвывх = Uвых.0 .
50