Радиоэлектроника
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)

Электронные усилители

1 Определение, класс и параметры электронных усилителей

Электронный усилитель – устройство, которое служит для усиления напряжения, тока электрических сигналов и мощности сигналов, происходящее за счет мощности источника питания.

Электронные усилители классифицируются:

– по роду усиливающего сигнала:

усилители напряжения;

усилители тока;

усилители мощности.

– по роду используемых усилительных элементов:

ламповые;

транзисторные;

на операционных усилителях и др.

– по количеству используемых усилительных каскадов:

однокаскадные;

двухкаскадные;

многокаскадные.

– по диапазону усиливаемых сигналов

УНЧ – усилители низкой частоты (20-100 кГц);

УПТ – усилители постоянного тока (меньше 1 Гц);

Избирательные усилители – усиливают сигналы в узкой полосе частот.

Широкополосные – усиливают сигналы от 10 Гц до 100 МГц.

2. Характеристики усилителя

Коэффициент усиления, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики.

1) К – коэффициент усиления отношения выходной величины к входной. Различают коэффициенты усиления по напряжению: ,

коэффициенты усиления по току: ,

коэффициенты усиления по мощности: ,

Может использовать единицы измерения

Если усилитель состоит из нескольких каскадов, соединенных последовательно, то общий коэффициент усиления будет: .

2) АЧХ – зависимость коэффициента усиления (K) от частоты усиливающего сигнала.

или , где

Типичный вид АЧХ усилителей:

Типичный вид АЧХ усилителей

 

 

 

 

 

По АЧХ можно определить полосу пропускания усилителя. Полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого сигнал усиливается без искажения его частот.

Искажение сигнала вне полосы пропускания связано с наличием в схеме усилителя в емкости.

3) ФЧХ – зависимость сдвига фаз между входным и выходным сигналом от частот.

Амплитудная динамическая характеристика

4) Амплитудная динамическая характеристика – зависимость выходного напряжения от входного.

 

 

С ростом входного напряжения пропорционально растет и выходное. При достижении некоторого значения входного напряжения, пропорциональность нарушается, рост выходного напряжения замедляется, а затем выходное практически не усиливается. Нелинейность участка характеристики связана с тем, что характеристики усилительных элементов выходят за линейный участок. По амплитудной характеристике можно определить диапазон допускаемого напряжения, т. е. диапазон, в пределах которого усиление происходит с заданным сопротивлением.

3 Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Усилительный каскад – усилительный элемент с нагрузочным сопротивлением и с элементами, обеспечивающими требуемое напряжение питания и связь данного каскада с другими.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Рассмотрим схему усилительного каскада.

3.1. Схема усилительного каскада

- биполярный транзистор p-n-p-типа, являющийся усилительным элементом.

– источник питания. Знак зависит от типа транзистора.

– делитель напряжения. Обеспечивает подачу напряжения на эмиттерный и коллекторный переходы транзистора для установки режима транзистора.

- резистор коллекторный.

- нагрузочный резистор.

- может сниматься как с нагрузочного, так и с и с усилительного элемента.

и - разделительные конденсаторы. Они задерживают постоянную составляющую сигнала на входном и выходном сигналах.

и - сопротивление и емкость эмиттерной стабилизации. Образуют отрицательную обратную связь.

- сопротивление по постоянному току.

- емкость по переменному току.

За счет этой отрицательной связи компенсируются изменения характеристик транзистора при изменении температуры.

3.2. Режим усиления сигнала

Для анализа используем входную и выходную характеристики транзистора. Рассмотрим режим усиления синусоидального сигнала. Такой режим еще называется динамическим или режимом по переменному току.

Выберем точку 0 на линейном участке входной характеристики. Подадим на вход транзистора , чтобы это напряжение не выходило за линейный участок выходной характеристики, Тогда ток базы будет синусоидальным с амплитудой .

Изобразим на семействе выходных характеристик и . Построим линию нагрузки исходя из:

Если точки А и В расположены на линейных участках выходных характеристик, то выходной сигнал не искажается (усиливается()) и инвертируется, т. е. меняет свой знак.

3.3. Выбор рабочей точки усилительного каскада

Из приведенных графических построений видно, что режим усиления переменного сигнала без существенного искажения его формы зависит от правильного выбора точки 0, которая называется рабочей точкой, точкой покоя. Перед тем, как отдать на вход каскада переменный усиливаемый сигнал требуется обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим покоя, режим по постоянному току).

Режим покоя характеризуется постоянным током на выводах транзистора и постоянными напряжениями между ними. Обеспечивается этот режим в схеме с общим эмиттером положением точки покоя. Для стабильной работы усилителя стремятся не изменять положение этой точки в процессе работы усилителя. Для этого первоначально подается напряжение - напряжение смещения. Оно подается от источника через делитель напряжения и сохраняется постоянно. Переменное усиливаемое напряжение подается на участок базы эмиттера и создает пульсации тока базы . В режиме покоя напряжение покоя отсутствует и режим характеризуется постоянными значениями.

Таким образом полезный входной сигнал вызывает изменение , а следовательно и , .

Изменения тока коллектора значительно больше тока базы и на большом сопротивлении вызывает значительно увеличение амплитуды выходного напряжения.

4. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором

Выход усилительного каскада, т. е. коллектор, подключен к источнику, а значит по переменной составляющей он соединен с входом, т. к. заземлен (поскольку внутреннее сопротивление источника по переменному сигналу близко к 0).

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллекторомНагрузочный резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. Назначение остальных элементов схемы такое же как в усилительном каскаде с общим эмиттером. Особенностью этой схемы является то, что входной сигнал не усиливается по напряжению. Происходит усиление сигнала току и по мощности. Т. к. по напряжению усиление не происходит, то данный каскад называется эмиттерным повторителем. В отличие от схемы с общим эмиттером этот каскад имеет большое входное и малое выходное сопротивление. Поэтому усилительный каскад с общим коллектором используется для согласования источников сигнала с нагрузкой и усилительных каскадов между собой.

 

 

 

 5. Температурная (эмиттерная) стабилизация в усилительных каскадах с общим эмиттером

Основным недостатком биполярного транзистора является зависимость их характеристик от температуры. Эта зависимость в основном отражается на выходных характеристиках, т. к. они соответствуют обратной ветви ВАХ коллекторного перехода.

При увеличении температуры выходные характеристики смещаются вверх. Это может привести к выходу точек А и В с линейных участков характеристик. В результате форма линейных участков может отличаться от синусоидальной. Для уменьшения влияния температуры в схеме предусматривается эмиттерная стабилизация на элементах и . Предположим что температура растет:

Растет ,

Т. к. , то растет ,

Т. к. или , следовательно, уменьшается.

Таким образом, напряжение, подаваемое на вход транзистора, уменьшается, что приводит к уменьшению тока эмиттера, а следовательно и . Таким образом, увеличение , вызванное повышением температуры компенсируется за счет обратной связи.

Известно, что отрицательная обратная связь приводит к уменьшению коэффициента передачи, т. е. коэффициент усиления. Чтобы снизить уменьшение коэффициента усиления за счет обратной связи по переменному току параллельно сопротивлению включается . Емкостное сопротивление которого .