Тема 5 Усилители

Основные характеристики и параметры усилителя.

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 Y, управляемый входным электрическим сигналом U_вх, источник питания U_п и нагрузочное устройство с сопротивлением Z_н (рис. 24).

Рисунок 24

Входной сигнал Uвх управляет параметрами нелинейного элемента. Усилитель может иметь один или два входа. Обычно один из входов является прямым, а второй – инверсным.

Классификация усилителей проводится по многим признакам:

по виду усиливаемого сигнала – усилители гармонических и импульсных сигналов;

по типу усиливаемого сигнала – усилители напряжения, тока и мощности;

по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного и 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 (обеспечивают усиление в узком диапазоне частот);

по структуре - однокаскадные и многокаскадные с гальванической, емкостной и индуктивной связями;

в зависимости от режима работы – усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.

Основные параметры усилителей представляют количественную оценку их работы.

Коэффициентом усиления (коэффициентом передачи) называется отношение выходного сигнала к входному. Обычно он определяется в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. В зависимости от характера входной и выходной величин различают:

- коэффициент усиления по напряжению K_U = U_вых/U_вх;

- коэффициент усиления по току K_I = I_вых/I_вх;

- коэффициент усиления по мощности К_Р = Р_вых/Р_вх.

Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно представить в виде активного четырехполюсника, одна из возможных эквивалентных схем которого представлена на рис. 25.

Выходная мощность характеризуется номинальной мощностью, развиваемой усилителем в нагрузке. Это мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений:

, (33)

где U_{m вых} – амплитудное значение выходного напряжения.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

. (34)

Чувствительность (номинальное входное напряжение) – напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем она меньше, тем выше чувствительность усилителя. Минимально допустимое напряжение ограничивается уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых нельзя выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажением формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках ВАХ транзистора.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к наименьшему:

. (35)

Рисунок 25

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность граничных частот Δf = f_в – f_н, в которой коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной точностью; допустимые изменения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Искажения сигнала, т.е. отклонение формы выходного сигнала от формы входного, бывают линейными и нелинейными.

Усилительный каскад по схеме с ОЭ

Принципиальная схема каскада приведена на рисунке 26,а, а временная диаграмма его работы – на рисунке 26,б. Конденсаторы Ср разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов.

Усилительный каскад осуществляет поворот по фазе на 180⁰ выходного напряжения относительно входного и имеет большой коэффициент усиления по току.

В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают режимы работы усилителя А, В, АВ, С, D.

а) б)

Рисунок 26

Режим А характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (рис. 27). В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению к входному. Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала повторяет форму входного за счет работы транзистора в активной зоне без захода в области насыщения и отсечки.

Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями. В то же время работа усилителя в режиме А отличается низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током I_ко вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала.

Рисунок 27

Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения U_см = 0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики (рис. 28). Особенностью режима является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи.

При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течение половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.

Рисунок 28

Режим АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения U_см меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом В. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.

Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.

Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находиться в открытом либо закрытом состояниях. Режим D, который называется ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.

Параметры операционных усилителей

Операционными усилителями (ОУ) называются многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательной обратной связью.

Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ

Обычно функции, выполняемые ОУ, определяются элементами обратной связи. На основе ОУ могут быть построены масштабные усилители, повторители, сумматоры, интеграторы, стабилизаторы тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного тока, генераторы импульсных сигналов, функциональные преобразователи, схемы сравнения и пр.

Повторитель напряжения (рис. 29) представляет собой усилитель, охваченный 100% отрицательной обратной связью по выходному напряжению. Для повторителя U_вых = U_вх.

Рисунок 29

Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 30).

Рисунок 30

. (36)

Инвертирующий масштабный усилитель (рис. 31). Здесь входной сигнал и сигнал обратной связи подаются на инвертирующий вход ОУ. В отличие от предыдущей схемы входной сигнал подается на вход ОУ не непосредственно, а через делитель R1-R_ос.

. (37)

Рисунок 31

В дифференциальном усилителе (рис. 32) входной сигнал подается на прямой и инверсный входы. Особенностью такого усилителя является значительное ослабление синфазных помех.

Рисунок 32

. (38)

Интегратор (рис. 33) представляет собой ОУ, в цепь обратной связи которого включен конденсатор.

. (39)

Рисунок 33

Основная литература: [2, 5, 6]

Дополнительная литература: [7, 8]