Усилительные устройства презентация

2008

Электронный учебник

Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, в вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, внедрение компьютерной техники в системы управления технологическими агрегатами требует применения линий связи, техники усиления и преобразования информации, поступающей от датчиков в компьютер и от компьютера к исполнительным механизмам и т.д.

Настоящий учебник предназначен для студентов техникума, обучающихся на специальности 210306 “Радиоаппаратостроение” по дисциплине ”Усилительные устройства”. Теоретический курс по дисциплине составляет 44 часа, лабораторные работы-20 часов.

Данный курс опирается и тесно взаимодействует с такими дисциплинами, как “Физика”, “Математика”, “Информатика”, “Электротехника”, “Электронная техника”, “Электрорадиоизмерения”, “Радиотехнические цепи и сигналы”.

Особенность настоящего учебника заключается в том, что рассмотрение различных вопрос проводится на основе двух направлений: традиционном изложении текста и использовании анимированных иллюстраций, поясняющих и объясняющих суть излагаемых явлений.

Использование такого материала основано на применении персонального компьютера, позволяющего просмотреть и изучить излагаемую информацию. Такой метод позволяет глубже понять и усвоить физическую сущность процессов, протекающих в электронных усилителях.

В этой связи настоящий материал является электронным учебником, который может использоваться студентами для самостоятельной подготовки, может быть рекомендован для дистанционного обучения.

Вперед

Каждый преподаватель может использовать настоящий учебник по-своему, опираясь на свой педагогический опыт и методику использования компьютерных технологий в учебном процессе.

Лабораторные работы в этом учебнике не приводятся. Они разработаны ранее в компьютерном варианте: составлены программы компьютерного моделирования, описания лабораторных работ, полная методика для проведения пяти четырёхчасовых работ по следующим темам:
1.Исследования качественных показателей электронного усилителя на
ИМС.
2.Исследования влияния параметров Ср, С0 и Rн на качественные
показатели УНЗЧ.
3.Исследования однотактного и двухтактного УМЗЧ.
4.Исследования усилителя с отрицательной обратной связью.
5.Исследования схемы УНЗЧ с корректирующими цепями.
Методическое пособие по лабораторным работам издано отдельной
книгой, программы для лабораторных исследований установлены на
компьютерах специальности в радиолаборатории техникума.

Настоящий учебник может быть использован и для контроля работы каждого обучаемого преподавателем, и для самоконтроля понимания и усвоения студентами изучаемого материала, так как в каждой главе учебника помещены вопросы, задачи с объяснением их решения и задачи без ответов.

Вперед

Назад

1.1 Структурная схема усилителя

ГЛАВА 1

Усилитель предназначен для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведённого к его входу. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник энергии (рисунок 1.1)

Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя PВХ, в качестве источника сигнала может использоваться любой преобразователь какого-либо вида энергии в электрические колебания, например микрофон, магнитная головка, звукосниматель, датчик, радиотехническое устройство.

Рисунок 1.1

От источника питания (ИП) усилитель отбирает мощность P0, необходимую для усиления входного сигнала. Выходная мощность усиленного сигнала PН выделяется на активной части нагрузки.

Общие сведения об усилителях

Вперед

Назад

Для передачи сигнала от одного каскада усиления к другому в многокаскадном усилителе используют цепи межкаскадной связи, которые обычно бывают с непосредственной (рисунок 1.2), емкостной (рисунок 1.3) и трансформаторной (рисунок 1.4) связями.

Рисунок 1.2

Вперед

Назад

Рисунок 1.3

Рисунок 1.4

Вперед

Назад

Усилитель видеосигнала
Рисунок 1.11

Усилитель НЧ 8 Вт
Рисунок 1.10

Вперед

Назад

Усилитель НЧ 200 Вт (TDA2030, мост)
Рисунок 1.14

Вперед

Назад

Размеры печатной платы 46x32 мм. Технические характеристики: напряжение питания, В двуполярное, +10 : +30 ; пиковое значение выходного тока, А 8; ток в режиме покоя, мА 60; долговременная выходная мощность, Вт 50 Вт;
Рису нок 1.17

Вперед

Назад

Активный фильтр НЧ

Размеры печатной платы 37x27 мм. Технические характеристики: напряжение питания, В 3:32;ток потребления, мА 6; частота среза, Гц 100; усиление в полосе пропускания, дБ 6; затухание вне полосы пропускания
Рисунок 1.19

Вперед

Назад

Усилитель НЧ 70 Вт
Рисунок 1.21

Вперед

Назад

Усилитель НЧ 0,7 Вт
Рисунок 1.22

Усилитель НЧ 32 Вт
Рисунок 1.23

Микрофонный усилитель
Рисунок 1.24

Мостовой автоусилитель
Рисунок 1.25

Вперед

Назад

Вперед

Назад

Усилители гармонических сигналов (гармонические усилители) предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов, которые можно представить суммой гармонических колебаний.

Усилители импульсных сигналов (импульсные усилители) предназначены для сигналов, уровень которых меняется настолько быстро, что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот можно выделить следующие группы усилителей:

Усилители постоянного тока, усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала (в УПТ низшая пропускная частота равна нулю);

Усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую сигнала. Эти усилители в зависимости от абсолютных значений частот fНЧ и fВЧ делятся на следующие группы:

Усилители звуковых частот (УЗЧ), пропускающие полосу частот от 16Гц до 20кГц;

Усилители высокой частоты (УВЧ) – избирательные усилители, характерным для них является отношение ; значения усиливаемых частот выше диапазона звуковых частот;

Усилители видеочастот, работающие в полосе частот от 50Гц до 60Мгц;

Усилители инфранизких частот, обеспечивающие усиление колебаний с частотами доли герца.

По типу усилительного элемента различают транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые, магнитные усилители.

По назначению усилители подразделяются на трансляционные, микрофонные, магнитофонные, телевизионные, измерительные, проводного вещания, линейные, логарифмические, дифференциальные и т.д.

Вперед

Назад

Используя этот классификационный признак, усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности. Если взять за основу число усилительных каскадов, то усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные. Усилители можно подразделять исходя из наиболее характерных для них свойств, например, малошумящий усилитель, высоколинейный, высокостабильный и т.д.

По конструктивному выполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, т.е. способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники.

Вперед

Назад

3. По каким принципам классифицируются электронные усилители?

4. Отношение верхней частоты усиливаемых сигналов к нижней составляет

. К какому типу следует отнести данный усилитель?

5. Почему усилители постоянного тока правильнее называть усилителями
медленно меняющегося напряжения или тока?

6. Является ли усилителем повышающий трансформатором?

7. На сколько групп можно разделить усилители по конструктивному выполнению?

Вперед

Назад

2.1 Перечень показателей усилителей

Основные показатели усилителей

Коэффициентом усиления усилителя (К) называется величина, показывающая во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше, чем на его входе.

2.2 Коэффициенты усиления

Рисунок 2.1

ГЛАВА 2

Вперед

Назад

Коэффициент усиления (К) – величина безразмерная.

- коэффициент усиления напряжения ;

- коэффициент усиления тока ;

- коэффициент усиления мощности

Или
,

Или

Вперед

Назад

Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, равен

Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражений:

Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, используется выражение показателей усиления в логарифмических единицах – децибелах (дб).

для Ku и Ki

для Kp

Например, если Ku,дб = 1, то

или если Ku,дб = 40, то

и

Вперед

Назад

2.3 Входное и выходное сопротивления

Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении.

Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя (см. рисунок 2.1)

2.4 Выходная мощность

При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна

Выходное сопротивление Rвых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки Rн.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов. Поэтому чаще всего усилитель характеризуют максимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, что искажения не превышают заданной (допустимой) величины. Эта мощность называется номинальной выходной мощностью усилителя.

Вперед

Назад

2.5 Коэффициент полезного действия

, где
P0- мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания.

2.6 Номинальное входное напряжение (чувствительность)

Входное напряжение зависит от типа источника усиливаемых колебаний. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающего требуемую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя.

Подача на вход усилителя напряжения, превышающего номинальное, приводит к значительным искажениям сигнала и называется перегрузкой со стороны входа.

Этот показатель особенно важно учитывать для усилителей средней и большей мощности, так как он позволяет оценить их экономичность. Численно КПД равен

2.7 Диапазон усиливаемых частот

Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания усилителя, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.

Допустимые изменения коэффициента усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначения и условий работы усилителя.

С расширением полосы пропускания возрастает стоимость аппаратуры и усложняется её конструкция. Кроме того, может увеличиваться воздействие на усилитель различного вида помех. Поэтому обычно частотный диапазон усилителя сужают до минимальных пределов, обеспечивающих необходимое качество работы усилителя.

Вперед

Назад

Причины возникновения помех можно разделить на три группы
Тепловые шумы

Шумы усилительных элементов

Помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей

Тепловые шумы
В проводниках и полупроводниках электроны движутся хаотически в разных направлениях. Преимущественное движение электронов в любом направлении является электрическим током и, следовательно, при этом создается напряжение, не подчиняющееся какому-либо определенному закону, его назвали напряжением шумов. Оно имеет самые различные частоты и фазы, поэтому охватывает всю полосу частот усилителя. Шум тем больше, чем выше температура и больше величина сопротивления цепи, которая создает напряжение тепловых шумов. Вычисления показывают, что величина напряжения тепловых шумов очень мала, они сказываются лишь при больших коэффициентах усиления.

Вперед

Назад

Рисунок 2.2

Амплитудная характеристика реального усилителя без заметных искажений напряжения не ниже Uвхmin и не выше Uвхmax (участок АВ на рисунке 2.2)

Уменьшение этих помех может быть достигнуто применением дополнительных сглаживающих фильтров на выходе источников питания и тщательной экранировкой наиболее ответственных цепей усилителя (главным образом входных)

Помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей

Шумы усилительных элементов
Напряжение шумов может возникать из-за неравномерности движения носителей электрических зарядов через усилительный элемент. Это явление называют дробовым эффектом.

Вперед

Назад

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов (ламп, транзисторов), а также характеристик намагничивания транзисторов и дросселей с сердечниками.
Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрируется на рисунке 2.3













Рисунок 2.3

.

Вперед

Назад

Предположим , что на вход усилителя подан сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою форму по сравнению с входным сигналом

Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний основной частоты и высших гармоник. Таким образом, в результате искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник)

Вперед

Назад

Рисунок 2.4

При построении АЧХ частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе (lg f), если частоту отложить в линейном масштабе, то такая характеристика будет неудобной для пользования, так как все нижние частоты будут очень сжаты у самого начала координат, а область верхних частот окажется слишком растянутой.
Частотные искажения - степень отклонения реальной частотной характеристики от идеальной. Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте К0 к коэффициенту усиления на данной частоте Kf

Обычно небольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот fн и fв. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны

где

Вперед

Назад

Кн и Кв – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов

В случае многокаскадного усилителя

Следует иметь в виду, что частотные искажения в усилителях всегда сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным сигналами, т. е. фазовыми искажениями. При этом под фазовыми искажениями обычно подразумевают лишь сдвиги, создаваемые реактивными элементами усилителя, а поворот фазы самим усилительным элементом во внимание не принимается.

Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике, представляющей собой график зависимости угла сдвига фазы φ между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты f (рисунок 2.5)

Рисунок 2.5

Вперед

Назад

Вперед

Назад

Решение

Ответ: Кр=

1. Известно, что и

Вперед

Назад

2. Тогда

3. Подставим в выражение (3) величины (1) и (2), будем иметь:

4. Так как


выражение (4) будет:

-8

1. Переводим 40дб в безразмерные величины:

2. Известно, что , отсюда определяем

3. Определяем Uвых:

Ответ: Uвых =0,22В

Вперед

Назад

получаем 2=lgК1, следовательно, К1=10.

3. Рассчитываем Кобщ:

Ответ: Кобщ,дб =180дб

Дан усилитель

2. Переводим 80дб в безразмерные величины:

известно, что Кдб=20lgК4, тогда 80дб=20lgК4, сокращаем на 20,

получаем 4=lgК4, следовательно, К4=10.

4. Рассчитываем Кобщ,дб:

4

2

Вперед

Назад

Ответ: КПД=83,3%

Вперед

Назад

получаем 3=lgК1, следовательно, К1=10.

2. Рассчитываем Кобщ:

Ответ: К2 =40

Дан усилитель

3. Перемножаем все К, т. е. находим К1,3,4:

4. Находим К2:

3

Вперед

Назад

получаем 1=lgК2, следовательно, К2=10.

2. Рассчитываем Кобщ:

Ответ: Uвых =20В

Дан усилитель

3. Находим Uвых:

Вперед

Назад

Ответ: М= 1,25

Вперед

Назад

Ответ: γ = 10%

Вперед

Назад

3. Находим Рвх:

1.

Ответ: Кр,дб =50дб

4. Определяем Кр:

5. Находим Кр,дб:

Вперед

Назад

Дан усилитель, АЧХ которого имеет вид (рисунок 1)

Определить коэффициент частотных искажений на f=100 Гц и f=10 кГц.

Решение

3. К на f=16 кГц=80=Кв

4. Определяем Мн:

5. Определяем Мв:

Вперед

Назад

1. Переводим 40дб в безразмерные величины:

известно, что Кдб=20lgК1, тогда 40дб=20lgК3, сокращаем на 20,

получаем 2=lgК3, следовательно, К3=100.

2. Определяем К1,3 усилителя:

5. Выражаем К2 усилителя в дб:

Вперед

Назад

Определить К2,дб

Вперед

Назад

3.1 Общие определения

Общая теория обратной связи

Рисунок 3.1

3.1.3 При противоположной фазе поступающего с выхода на вход сигнала имеет место отрицательная ОС (ООС), вносящая ослабление.

3.1.2 Если фазы этих сигналов совпадают, то общий их уровень становится выше, чем уровень первоначального сигнала, как в точке 1, так и в точке 2 – в этом проявляется влияние положительной ОС (ПОС).

В усилительных устройствах обратная связь (ОС) используется для уменьшения искажений, повышения стабильности усиления и режима работы усилительных элементов.
В узле 1 (рисунок 3.1) складываются сигналы (напряжения, тока), поступающие от источника сигнала и с выхода усилителя.

ГЛАВА 3

Вперед

Назад

3.1.4 В современных усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь (ООС). Если элемент обратной связи является неотъемлемой частью усилителя, то такая обратная связь называется внутренней. При введении внешней обратной связи структурная схема усилительного устройства содержит два четырёхполюсника – усилитель и цепь обратной связи (рисунок 3.1).

Рисунок 3.2

Вперед

Назад

Вперед

Назад

Вперед

Назад

Uвхр - это результирующее входное напряжение, которое получается после поступления на вход усилителя напряжения обратной связи (Uос или Uβ), т.е.

UВхр=UВх+Uос=
=UВх+Uβ

Рисунок 3.10

Вперед

Назад

Коэффициент усиления каскада с обратной связью составляет

Предположим далее, что коэффициент усиления К изменился (увеличился) на 10%.
Тогда коэффициент усиления каскада с обратной связью составит

Пусть усилительный каскад с коэффициентом усиления К=80 охвачен отрицательной обратной связью, причем коэффициент передачи цепи обратной связи β=0,2.

3.2.2 Особое значение для работы усилительной схемы имеет стабильность коэффициента усиления. Следует отметить, что при работе усилителя его коэффициент усиления может изменяться вследствие ряда причин. Например, непостоянство напряжения источников питания, температуры, давления или влажности окружающей среды, старение усилительных элементов и деталей и т.п.

Рассмотрим, как будет влиять отрицательная обратная связь на изменение коэффициента усиления на примере.

Вперед

Назад

Рисунок 3.12

3.2.3 При введении последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя возрастает в (1+βК) раз. Это объясняется тем, что напряжение обратной связи Uβ вычитается из напряжения Uвх, поступающего на вход сигнала, и поэтому ко входу самого усилителя приложено разностное напряжение Uвх = Uвх - Uβ.
В результате входной ток усилителя уменьшается, а входное сопротивление возрастает, что, как правило, благоприятно сказывается на работе усилителя.

3.2.4 Отрицательная обратная связь уменьшает нелинейные искажения и помехи, возникающие лишь в той части усилителя, которая охвачена обратной связью.

Докажем это графическим способом (рисунок 3.12).

Вперед

Назад

Рисунок 3.13

Вперед

Назад

Решение

Ответ: Кобщ,дб=36,2дб

1. Определяем коэффициент усиления второго и третьего каскадов:

2. Определяем коэффициент усиления второго и третьего каскадов с ООС:

3. Определяем Кобщ усилителя:

4. Определяем Кобщ,дб:

Вперед

Назад

Решение

Ответ: Кобщ=200

1. Определяем коэффициент обратной связи:

2. Определяем коэффициент усиления усилителя без обратной связи:

3. Определяем коэффициент усиления усилителя с обратной связью:

Вперед

Назад

получаем 1=lgК3, следовательно, К3=10.

3. Определяем К2 усилителя с ООС:

2. Переводим 60дб в безразмерные величины:

известно, что Кдб=20lgК4, тогда 60дб=20lgК4, сокращаем на 20,

получаем 3=lgК4, следовательно, К4=1000.

4. Определяем К5 усилителя с ПОС:

Вперед

Назад

Определить напряжение на выходе усилителя

7. Определяем общий коэффициент усиления усилителя:

8. Определяем Uвых:

Ответ: Uвых=0,989В

Вперед

Назад

Вперед

Назад

4.1 Общее сведения об УНЗЧ

Каскады предварительного усиления
(УНЗЧ)

Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, и выходной мощности.

Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка магнитофона, последующий усилитель, осциллограф, реле и т.д.

Рисунок 4.1

Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят и предварительные каскады усиления (рисунок 4.1).

Вперед

Назад

ГЛАВА 4

В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называются трансформаторными. Однако вследствие большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко. Основное применение эти схемы находят в выходных каскадах усилителей.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.

Рассмотрим принцип построения и особенности работы наиболее употребительной схемы предварительного усиления.

Вперед

Назад

Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером показано на рисунке 4.3.

На рисунке 4.2 представлена простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника.

В этой схеме резисторы RБ и RБ, подключенные параллельно источнику питания Ек, составляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяются из очевидных соотношений:

Ток делителя IД обычно выбирают в пределах IД ≈ (2÷5)IБР

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения. Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из соображений экономичности, так как чем больше ток IД, тем более мощным должен быть источник питания ЕК.

Назад

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы – влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространённой является схема, показанная на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5

В этой схеме на встречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора RБ, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера.

Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ = IК + IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падения напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК. Наоборот, если по какой-либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастёт. При этом увеличится ток базы и ток коллектора. В большинстве случаев рзистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ.

;

;

;

Полевые транзисторы применяются в трех схемах включения: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Основным и наиболее распространенным является каскад с общим истоком. Принципиальная схема такого каскада приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6

Назад

Вперед

;

;

Вперед

Назад

Следует обратить внимание на то, что данная схема во многом напоминает усилительный каскад на электронной лампе (см. рисунок 4.7).

Рисунок 4.7

Наибольшее распространение в схемах усилителей переменного напряжения и, в частности, в УНЗЧ, получила емкостная межкаскадная связь.

Типичные схемы транзисторных усилителей с емкостной межкаскадной связью приведены на рисунках 4.8, 4.9 и 4.10.

Вперед

Назад

Рисунок 4.8

Рисунок 4.9

4.5 Анализ схем УНЗЧ

Рисунок 4.11

а также эквивалентные схемы, отражающие его свойства в области низших, средних и высших частот усиливаемых сигналов (рисунки 4.12, 4.13 и 4.14)

Рисунок 4.12

Вперед

Назад

резисторы RК и RВХсл заменены эквивалентным сопротивлением

Вперед

Назад

Рисунок 4.13

При понижении частоты сигнала ёмкостное сопротивление

разделительных конденсаторов возрастает и их влияние на работу схемы увеличивается. В то же время влияние малых ёмкостей СК и С0 на низких частотах оказывается несущественным, так как шунтирующие ёмкостные сопротивления в этом случае значительно больше сопротивлений элементов, к которым они подключены параллельно. Ёмкость СЭ обычно выбирается достаточно большой величины (единицы – десятки микрофарад). Поэтому уже на низких частотах ёмкостное сопротивление



оказывается значительно меньше сопротивления резистора RЭ и потерями переменного напряжения сигнала на цепочке RЭСЭ можно пренебречь. В результате эквивалентная схема усилителя для низших частот диапазона приобретает вид, показанный на рисунке 4.12.

Увеличение сопротивлений разделительных конденсаторах на низких частотах приводит к тому, что падение напряжения сигнала на них возрастает и выходное напряжение схемы падает. Поэтому и амплитудно-частотная характеристика усилителя падает с понижением частоты (рисунок 4.15)

Вперед

Назад

а ёмкость С0 представляет собой полную ёмкость, нагружающую каскад и определяемую выражением

где СВХсл – входная ёмкость следующего каскада;
СМ – суммарная монтажная ёмкость схемы.

Эквивалентная схема усилителя для высших частот показана на рисунке 4.14.

Граничными частотами fН и fВ в УНЗЧ считают такие частоты, на которых коэффициент усиления падает в 1,4 раза по отношению к его значению на средних частотах, т.е. составляет примерно 0,7 Кср (рисунок 4.15).

Вперед

Назад

С увеличением частоты усиливаемого сигнала и переходом в область средних частот диапазона ёмкостное сопротивление



уменьшается настолько, что падением напряжения сигнала на нём уже можно пренебречь.

Рисунок 4.15

Сопротивления же малых ёмкостей СК и С0 на этих частотах остаются ещё достаточно большими, и они также не влияют на амплитудно-частотную характеристику каскада. Поэтому эквивалентная схема для средних частот не содержит реактивных элементов (рисунок 4.13), а коэффициент усиления на этих частотах имеет наибольшее значение (рисунок 4.15).

Вперед

Назад

По сравнению с каскадами предварительного усиления выходные каскады имеют ряд особенностей.

5.1.2 Выходные каскады потребляют от источников питания значительную мощность, поэтому их коэффициент полезного действия (КПД) должен быть достаточно высоким, так как в конечном счете он определяет экономичность всего усилителя.

5.1.3 Величина максимальной неискаженной мощности и КПД оконечного каскада зависит от типа транзистора, режима работы и схемы каскада.

Прежде чем рассматривать схемные особенности выходных каскадов, остановимся на характеристике возможных режимов их работы.

Выходные каскады усилителей мощности (УМЗЧ)

ГЛАВА 5

Вперед

Назад

Графическая зависимость выходного тока транзистора от напряжения на его входе Iвых = f(Uвх) называется проходной динамической характеристикой транзистора и имеет вид:

5.2.2 Для работы каскада в режиме А (Ө=180 ο) на базу подается такое напряжение смещения, чтобы рабочая тока Р, определяющая исходное состояние схемы при отсутствии входного сигнала, расположилась примерно на середине прямолинейного участка характеристики.

В режиме А (рисунок 5.2) при подаче на вход каскада синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток, изменяющейся также по синусоидальному закону. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот режим является наименее экономичным.

Дело в том, что полезной является лишь мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность определяется значительно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому КПД усилительного каскада в этом режиме составляет лишь 20-30%.

Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады.

Рисунок 5.1

Вперед

Назад

При подаче на вход сигнала ток в выбранной цепи каскада протекает лишь в течение половины периода изменения напряжения сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульсов с углом отсечки θ=90ο.

Углом отсечки (θ ο) принято называть половину той части периода, в течении которой проходит ток.

Рисунок 5.2

Вперед

Назад

Рисунок 5.3

5.2.4 Режим АВ (рисунок 5.4) является промежуточным между режимами А и В.

В этом режиме 90 ο < θ<180 ο, искажения средние между режимами А и В, КПД усилителя (40-50%).

5.2.5 Режим А является режимом без отсечки, он называется ещё режимом колебаний первого рода (класс “А”).

Режим В и АВ являются режимами с отсечкой, называются режимом колебаний второго рода (класс “В” и класс “АВ”).

Рисунок 5.4

Вперед

Назад

Выходные каскады усилителей могут быть построены по однотактной или двухтактной схемам, существенно отличающимися друг от друга.

Типичная схема однотактного выходного каскада с общим эмиттером представлена на рисунке 5.5.

Элементы схемы СР, , , СЭ и RЭ выполняют те же функции, что и в предварительных каскадах усиления. Выходной трансформатор служит для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Если пренебречь потерями в трансформаторе, то можно считать, что мощность в первичной и вторичной обмотках остается неизменной, т.е. РI=РII.

5.3 Схемы выходных каскадов усиления (УМЗЧ)

Рисунок 5.5

Вперед

Назад

Сопротивление вторичной цепи переменному току равно сопротивлению нагрузки RН, т.е. RII = RН . Поэтому

Разделив левую и правую части данного равенства на UI2, получим

Отношение UII/UI представляет собой коэффициент трансформации выходного трансформатора (n). Следовательно,

Величина RН (сопротивление нагрузки потребителя) обычно задаётся. Сопротивление RН ОПТ следует определить графическим путем из условия получения максимальной неискаженной мощности сигнала.

где RI и RII – сопротивления первичной и вторичной цепей трансформатора переменному току.

В этом случае можно записать

Вперед

Назад

,

5.4 Амплитудно-частотная характеристика выходного каскада с трансформатором

СК – емкость транзистора;
r1 – активное сопротивления первичной обмотки;
LP1 – индуктивность рассеяния первичной обмотки;
L1 – индуктивность первичной обмотки;

Рисунок 5.6

r2, LP2, C2 – соответственно активное сопротивление, индуктивность рассеяния и междувитковая емкость вторичной обмотки трансформатора, пересчитанные в первичную цепь по формулам:

Вперед

Назад

Типичная амплитудно-частотная (АЧ) характеристика выходного каскада с трансформатором приведена на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7

В области низших частот существенное влияние на характеристику оказывает индуктивность L1, сопротивление которой (ХL1=2πfL1) уменьшается с понижением частоты, шунтируя нагрузочное сопротивление RН. На высших частотах колебательный контур, образованный емкостью С2 и индуктивностями рассеяния, может вызвать резонансный подъем усиления, ведущий к неравномерной передаче частот усиливаемого сигнала. Наиболее благоприятные условия для передачи сигнала создаются в области средних частот, где практически можно пренебречь влиянием реактивных элементов схемы.

Вперед

Назад

5.5 Двухтактная схема УМЗЧ

-невозможность применения экономных режимов АВ и В (из-за
недопустимо больших нелинейных искажений);
-малый КПД каскада;
-относительно большие нелинейные искажения, вносимые
транзистором;
-увеличение нелинейных искажений из-за постоянного
подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора;
-относительно большие частотные искажения.

В тех случаях, когда однотактный усилитель мощности неприменим из-за указанных недостатков, а также когда мощность, отдаваемая одним транзистором, недостаточна, применяют двухтактную схему усиления мощности (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8

В двухтактном каскаде используют два одинаковых транзистора, работающих в идентичных режимах.

Вперед

Назад

Легко показать, что ток, потребляемый от источника питания, равен удвоенному току покоя одного транзистора и не содержит переменной составляющей. Следовательно, мощность в нагрузке равна сумме мощностей, развиваемых каждым транзистором.

В двухтактном каскаде значительно уменьшаются нелинейные искажения, благодаря компенсации чётных гармоник в выходном трансформаторе.

Важным преимуществом двухтактной схемы является её малая чувствительность к пульсациям питающих напряжений. Это объясняется тем, что транзисторы питаются параллельно и под влиянием пульсаций питающих напряжений коллекторные токи IК1 и IК2 будут одновременно увеличиваться или уменьшаться. Поскольку токи в первичной обмотке трансформатора направлены в противоположные стороны, то результирующий магнитный поток от изменения этих токов будет равен нулю.

Следовательно, во вторичной обмотке трансформатора уровень фона с частотой пульсирующего напряжения источников питания равен нулю или имеет небольшую величину в случае некоторой асимметрии схемы.

Двухтактные схемы могут работать не только в режиме А, но и в более экономичных режимах АВ и В, что позволяет существенно повысить КПД каскада. В режиме В плечи двухтактной схемы работают поочередно, каждое в течение полупериода сигнала. В режиме В транзистор усилителя может отдать мощность в несколько раз большую, чем в режиме А.

Вперед

Назад

В качестве схемы ФИС используется трансформатор со средней точкой (Т1) (рисунок 5.9).

Рисунок 5.9

В этой схеме на выходах (Т1) получаются равные по величине, но противоположные по фазе напряжения UВЫХ1 = -UВЫХ2.

В качестве фазоинверсной схемы часто используется схема с разделенной нагрузкой (электронная схема ) (рисунок 5.10).

Вперед

Назад

Поскольку ток коллектора IК почти не отличается по величине от тока эмиттера I Э, то при условии RК=RЭ напряжения UВЫХ1 и UВЫХ2 оказываются равными по величине, но противоположными друг другу по фазе.

Вперед

Назад

Рисунок 5.10

Рисунок 5.11

Рисунок 5.12

Широкое применение в электронной аппаратуре получили бестрансформаторные двухтактные каскады на транзисторах.

Особый интерес представляют схемы, не имеющие аналогов среди схем на электронных лампах, с использованием транзисторов разных типов (p-n-p и n-p-n). Такие транзисторы различаются между собой направлениями протекания токов. Совместное применение разнотипных транзисторов позволяет существенно упростить схему усилителя. На рисунке 5.12 приведена бестрансформаторная схема усилителя на разнотипных транзисторах.

Эти напряжения применяются для возбуждения двухтактного каскада. Достоинство схемы (рисунок 5.10) – отсутствие трансформатора по входной цепи двухтактного каскада. Недостаток – малый коэффициент усиления по напряжению.

Вперед

Назад

о

о

о

При необходимости расширить полосу пропускания частот и уменьшить частотные искажения в усилительные каскады вводят дополнительные корректирующие элементы.
В зависимости от частотной и временной области её влияния коррекцию подразделяют на высокочастотную и низкочастотную.
Высокочастотная коррекция способствует выравниванию амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот (т.е. расширению полосы пропускания частот в сторону увеличения частоты).
Низкочастотная коррекция выравнивает амплитудно-частотную характеристику в области нижних частот (т.е. расширяет полосу пропускания частот в сторону f → 0)

6.2 Высокочастотная коррекция

Высокочастотная коррекция в усилительном каскаде реализуется в основном с помощью так называемой ВЧ индуктивной коррекции.
Индуктивную коррекцию подразделяют на простую и сложную, в зависимости от числа реактивных элементов в корректирующем звене.
Так, при простой индуктивной коррекции используется одна катушка индуктивности (рисунок 6.1)

6.1 Общие сведения

Вперед

Назад

Эта схема получила наибольшее распространение среди схем ВЧ индуктивной коррекции вследствие своей простоты и надёжности в эксплуатации.
Коррекция частотной характеристики при включении индуктивности L осуществляется благодаря увеличению сопротивления коллекторной

Рисунок 6.1

Вперед

Назад

Принцип действия цепи НЧ коррекции состоит в следующем. С понижением частоты сопротивление конденсатора Cф растёт, а следовательно, растёт результирующее сопротивление Zф цепочки
Rф Cф. Это приводит к увеличению суммарного сопротивления R+Zф от R на частотах ωср и выше до R+Rф при ω→0, что вызывает рост общего сопротивления нагрузки усилительного R~.

Вперед

Назад

На полевых транзисторах и на электронных лампах НЧ коррекция с цепочкой Rф Cф особенно эффективна. В резисторных каскадах на биполярных транзисторах эта схема коррекции даёт лучшие результаты при работе на высокоомную нагрузку Rн, так как по мере её увеличения результирующее сопротивление R~ сильнее меняется с частотой. Это условие выполняется также при работе усилительного каскада на биполярном транзисторе на каскад, собранный на полевом транзисторе.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя с НЧ коррекцией представлена на рисунке 6.4

Рисунок 6.4

В результате коэффициент усиления каскада с понижением частоты возрастает, что компенсирует падение усиления на нижних частотах
из-за наличия разделительного конденсатора Cр (а также С0 и других блокировочных конденсаторов).

Вперед

Назад

Вперед

Назад

7.1 Вид схемы электрической принципиальной усилителя звуковых частот (УЗЧ) определяется величинами его выходных параметров. Полная функциональная схема УЗЧ представлена на рисунке 7.1

Вперед

Назад

Рисунок 7.1

7.2 Эмиттерный повторитель в схеме используется только для согласования в том случае, когда выходное сопротивление микрофона сильно отличается от входного сопротивления первого каскада усилителя (RВых микрофона > RВх усилителя), в других случаях схема эмиттерного повторителя не применяется.
Если, например, УЗЧ имеет небольшую выходную мощность (до 1Вт), то схема УМЗЧ выполняется на одном транзисторе, т.е. является однотактной и фазоинверсная схема (ФИС) не требуется, УНЗЧ в этой схеме достаточно использовать однокаскадный. В этом случае схема электрическая принципиальная имеет вид, представленный на рисун-
ке 7.2.

Рисунок 7.3

Рисунок 7.2

7.4 Для построения усилителя с большой выходной мощностью (более 5Вт), например Рвых равна 20Вт, необходимо использовать двухтактную схему УМЗЧ, выполненную на составных транзисторах (каждый составной транзистор собран из трёх транзисторов). В качестве ФИС используем трансформатор со средней точкой.
Предварительный усилитель (УНЗЧ) содержит три каскада, связь между каскадами непосредственная.
В первом каскаде УНЗЧ применена отрицательная обратная связь параллельная по напряжению, что обеспечивает цепь Rос-Cос. Схема представлена на рисунке 7.4

Вперед

Назад

Построить схему четырехкаскадного УНЗЧ на транзисторах разной проводимости (чередуются) с наименьшими искажениями. Сигнал на вход подаётся от микрофона с высоким выходным сопротивлением. Связь между каскадами - непосредственная.
Построить полную схему УЗЧ с Pвых ≈ 0,5 Вт. Схему запитать от сети через выпрямитель.
Построить схему УМЗЧ с Pвых ≈ 80 Вт. Схему запитать от сети через выпрямитель.
Построить полную схему УЗЧ с Pвых ≈ 4 Вт. Схема ФИС – электронная. В схеме для улучшения качества использовать отрицательную обратную связь. Схему запитать от сети через выпрямитель.

6. Начертить различные фазоинверсные схемы и объяснить их принцип работы.

Рисунок 8.1

8.2 Резонансные усилители

В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усилительного элемента является параллельный колебательный контур, имеющий высокое сопротивление Rрез для резонансной частоты fо и малое сопротивление для других частот (рисунок 8.2).

Рисунок 8.3

,

С – собственная ёмкость контура;
Ск – ёмкость транзистора;
Сн – ёмкость нагрузки;
Скат – ёмкость катушки;
См – ёмкость монтажа;
mк – коэффициент подключения контура к транзистору;
mн – коэффициент подключения контура к нагрузке.
Заданная полоса пропускания усилителя (П) обеспечивается определенной величиной эквивалентной добротности Qэкв контура:

,

где ρэкв – эквивалентное волновое сопротивление контура:

где

,

где

входное сопротивление каскада.

Рисунок 8.4

Частотная характеристика полосового усилителя имеет форму, аналогичную резонансной кривой двух связанных контуров, и во многом зависит от степени связи между контурами β (рисунок 8.5).

Рисунок 8.5

Наиболее широко используется двойной Т-образный фильтр (мост).
Двойной Т – образный фильтр состоит из двух параллельно соединенных
Т – образных RC – фильтров нижних и верхних частот (рисунки 8.6, 8.7, 8.8).

Фильтр нижних частот

Процесс передачи колебаний различных частот через фильтр может быть представлен следующим образом. Колебания нижних частот передаются на выход в основном через фильтр нижних частот (R1, R2, С3), который для этих частот является прозрачным. Фильтр же верхних частот (C1, C2, R3) для колебаний нижних частот представляет собой большое входное сопротивление и колебаний нижних частот почти не пропускает. Следовательно, на самой нижней частоте коэффициент передачи будет наибольший, а по мере повышения частоты будет падать. Колебания верхних частот передаются на выход в основном через фильтр верхних частот (С1, С2, R3), который для этих частот является прозрачным. Через фильтр нижних частот (R1, R2, C3) колебания верхних частот почти не проходят, так как его входное сопротивление для этих частот значительно. Коэффициент передачи 2Т – фильтра на самой верхней частоте будет наибольшим и с уменьшением частоты будет также уменьшаться.

На некоторой частоте, называемой квазирезонансной (f0) , происходит балансирование моста (фильтра); напряжение на выходе каждого
Т – образного фильтра, при определенных соотношениях между
RC – элементами цепи, становится равным по амплитуде и противоположным по фазе. При этом напряжение на выходе 2Т – фильтра становиться равным нулю.

Таким образом, коэффициент передачи фильтра К от минимального значения на частоте квазирезонанса возрастает в сторону как более нижних, так и более верхних частот, как показано на рисунке 8.9

Рисунок 8.9

Рисунок 8.10

На ней показаны усилитель низкой частоты с прямолинейной частотной характеристикой и цепь отрицательной обратной связи в виде 2Т – фильтра. Общая частотная характеристика усилителя с учетом действия ООС приведена в средней части рисунка.

По аналогии с резонансным усилителем избирательные свойства усилителя с 2Т – фильтром характеризуют эквивалентной добротностью

здесь

f0 – частота квазирезонанса,
2△f – полоса пропускания на уровне 0,7К0.

Простейшая схема усилителя с 2Т – фильтром показана на рисунке 8.11

Рисунок 8.11

На ней изображен усилитель на биполярном транзисторе. Усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. Цепью обратной связи по напряжению служит 2Т – фильтр.

Решение

Ответ: Q = 77,4

1. Известно, что:

2. Из формулы (1) определяем:

3. Подставляем числа:

Вперед

Назад

(1)

Решение

Ответ: М = 24

1. Известно, что:

где

М – коэффициент взаимоиндукции,
К – коэффициент связи

2. Тогда из (1) определяем:

Вперед

Назад

(1)

Вперед

Назад

Вперед

Назад

Вперед

Назад

1. Компьютер, на котором студент работает с электронным учебником, должен соответствовать следующим минимальным системным требованиям:
процессор 500 МГц и выше;
256МБ оперативной памяти; 2ГБ свободного места на жестком диске; СD или DVD привод ;
поддерживаемые операционные системы Windows XP SP2;
Windows server 2003 SP; Windows Vista.

2. Для работы с электронным учебником на компьютере пользователя должен быть установлен пакет программ Microsoft Office 2003-2007, который содержит Microsoft Office PowerPoint 2003-2007.

Последовательность действий студентов при пользовании электронным учебником.

3.1. Включить компьютер
3.2 Двойным нажатием левой кнопки мыши щёлкнуть по значку
“Электронный учебник”, который находится на рабочем столе
монитора, откроется титульный лист учебника

3.3. Перелистывание страниц учебника осуществляется двумя
способами:
-курсор установить на страницу учебника и один раз нажать на
левую кнопку мыши (или воспользоваться стрелками на
клавиатуре);
-с помощью стрелок “Вперед”-”Назад”,находящихся на
страницах учебника.

Вперед

Назад

3.4. Текстовый материал учебника сопровождается
иллюстративными рисунками, которые можно рассмотреть в
анимационном виде. Для запуска видеофайла (анимации)
рисунка необходимо щелкнуть по нему один раз левой кнопкой
мыши. После просмотра видеофайла выйти из него следует с
помощью нажатия один раз на левую кнопку мыши (видеофайл остановится),затем нажать кнопку “Esc” на клавиатуре. Далее продолжать просмотр страниц учебника как
описано выше.

Содержание

Выход

Назад