Радиоэлектроника
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 1.25 (2 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: image001_28 Электронные усилители,

коэффициенты усиления по току: image002_31 Электронные усилители,

коэффициенты усиления по мощности: image003_32 Электронные усилители,

Может использовать единицы измерения image004_25 Электронные усилители

image005_24 Электронные усилители

Если усилитель состоит из нескольких каскадов, соединенных последовательно, то общий коэффициент усиления будет: image006_24 Электронные усилители.

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

image007_24 Электронные усилители или image008_25 Электронные усилители, где image009_21 Электронные усилители

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.

image011_19 Электронные усилители

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.

image013_19 Электронные усилители

 

 

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

image014_21 Электронные усилители - биполярный транзистор p-n-p-типа, являющийся усилительным элементом.

image015_20 Электронные усилители – источник питания. Знак зависит от типа транзистора.

image016_17 Электронные усилители– делитель напряжения. Обеспечивает подачу напряжения на эмиттерный и коллекторный переходы транзистора для установки режима транзистора.

image017_19 Электронные усилители - резистор коллекторный.

image018_17 Электронные усилители - нагрузочный резистор.

image019_16 Электронные усилители - может сниматься как с нагрузочного, так и с image017_19 Электронные усилители и с усилительного элемента.

image020_18 Электронные усилители и image021_17 Электронные усилители - разделительные конденсаторы. Они задерживают постоянную составляющую сигнала на входном и выходном сигналах.

image022_17 Электронные усилители и image023_16 Электронные усилители - сопротивление и емкость эмиттерной стабилизации. Образуют отрицательную обратную связь.

image024_15 Электронные усилители - сопротивление по постоянному току.

image025_15 Электронные усилители - 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 image026_13 Электронные усилители, чтобы это напряжение не выходило за линейный участок выходной характеристики, Тогда ток базы image027_11 Электронные усилители будет синусоидальным с амплитудой image028_11 Электронные усилители.

Изобразим на семействе выходных характеристик image029_12 Электронные усилители и image030_11 Электронные усилители. Построим линию нагрузки исходя из:

image031_12 Электронные усилители

Если точки А и В расположены на линейных участках выходных характеристик, то выходной сигнал не искажается (усиливается(image032_12 Электронные усилители)) 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 image033_10 Электронные усилители - напряжение смещения. Оно подается от источника image034_11 Электронные усилители через делитель напряжения и сохраняется постоянно. Переменное усиливаемое напряжение подается на участок базы эмиттера image035_11 Электронные усилителии создает пульсации тока базы image036_12 Электронные усилители. В режиме покоя напряжение покоя отсутствует и режим характеризуется постоянными значениями.

Таким образом полезный входной сигнал image037_12 Электронные усилители вызывает изменение image038_10 Электронные усилители, а следовательно и image039_11 Электронные усилители, image040_11 Электронные усилители.

Изменения тока коллектора значительно больше тока базы и на большом сопротивлении image041_10 Электронные усилители 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 image022_17 Электронные усилители и image043_10 Электронные усилители. Предположим что температура растет:

Растет image044_11 Электронные усилители,

Т. к. image045_11 Электронные усилители, то растет image039_11 Электронные усилители,

Т. к. image046_9 Электронные усилителиimage047_10 Электронные усилители или image048_10 Электронные усилители, следовательно, image049_10 Электронные усилители уменьшается.

Таким образом, напряжение, подаваемое на вход транзистора, уменьшается, что приводит к уменьшению тока эмиттера, а следовательно и image044_11 Электронные усилители. Таким образом, увеличение image050_10 Электронные усилители , 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 image051_8 Электронные усилители включается image022_17 Электронные усилители. Емкостное сопротивление которого image052_9 Электронные усилители.

Электронные усилители - 1.0 out of 5 based on 2 votes