WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

«Тема 17. Электронные усилители 1. Назначение и классификация усилителей электрических сигналов В промышленной электронике очень часто ...»

Тема 17. Электронные усилители

1. Назначение и классификация усилителей электрических сигналов

В промышленной электронике очень часто возникает необходимость в

усилении электрических сигналов, например, при измерениях неэлектрических

величии электрическими методами, контроле и автоматизации технологических

процессов. Для решения этих задач используют электронные усилители —

устройства, которые служат для усиления напряжения, тока или мощности

слабых электрических сигналов.

В настоящее время в усилителях широко применяют транзисторы и интегральные микросхемы (ИМС).

Усилители могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по роду усилительных элементов (ламповые, транзисторные, на ИМС);

• по роду усиливаемой величины (усилители напряжения, тока и мощности);

• по числу каскадов (одно-, двух- и многокаскадные).

Одним из наиболее важных признаков является диапазон частот усиливаемых сигналов, в котором усилитель обеспечивает нормальную работу.

По данному признаку различают следующие типы усилителей.

• Усилители низкой частоты (УНЧ), которые служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц).

• Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты.

• Избирательные усилители, характеризующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот. Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

• Импульсные, или широкополосные, усилители работают в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и используются в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

2. Основные технические характеристики усилителей Коэф ф ициент усиления в соответствии с видом усиливаемой величины называют коэффициентом усиления по напряжению, току или мощности.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение (ток, мощность) на выходе усилителя больше, чем на входе, и обозначается соответственно K U ( K I, K P ). Так, коэффициент усиления по напряжению U ВЫХ KU = (17.1) U ВХ (обычно K U обозначают просто K ).

Для многокаскадного усилителя, структурная схема которого приведена на рис. 17.1, общий коэффициент усиления K = K 1K 2...K n, где K 1, K 2, K n - коэффициент усиления соответствующих каскадов.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах белах и децибелах, (1Б= 10 дБ).

Рис. 17.1. Структурная схема трехкаскадного усилителя Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, U ВЫХ K дБ = 10 lg.

–  –  –

Последнее выражение справедливо при равенстве входного и выходного сопротивлений.

Вы ходная м ощ ность - это мощность, которая развивается на выходном нагрузочном сопротивлении усилителя:

–  –  –

Обычно используют значения номинальной выходной мощности наибольшей мощности, развиваемой в нагрузке, при которой искажения не превышают заданных значений.

Коэф ф ициент полезного действия определяется отношением полезной выходной мощности к мощности, потребляемой всеми источниками питания:

PВЫХ =.

PОБЩ Частотны е искаж ения - это искажения, вызванные различной степенью усиления на различных частотах из-за присутствия в схемах усилителей реактивных элементов (индуктивных катушек и конденсаторов).





Ф азовы е искаж ения - это искажения, вызванные нелинейной зависимостью сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты. Причиной этих искажений является присутствие реактивных элементов в схемах усилителя.

Нелинейны е искаж ения возникают из-за нелинейности вольтамперных характеристик усилительных элементов (электронных ламп, транзисторов) и проявляются в искажении формы усиливаемого сигнала.

В промышленной электронике наиболее распространены усилители низкой частоты. В связи с этим рассмотрим работу усилителей НЧ.

Усилитель низкой частоты предназначен для усиления электрических сигналов в некоторой полосе частот, как правило, звуковых (20 Гц – 20 кГц). Об особенностях усилителя можно судить по его амплитудной и частотной характеристикам.

На рис. 17.2 изображена амплитудная характеристика УНЧ U ВЫХ = f (U BX ).

Рис. 17.2. Амплитудная Рис. 17.3. Частотная характеристика усилителя характеристика усилителя U ВЫХ max По ней можно определить динам ический диапазон D =, где U ВЫХ min значения U ВЫХ max, U ВЫХ min ограничивают линейный участок характеристики.

Обычно динамический диапазон определяют в децибелах: D дБ = 20 lg D. Чем больше D, тем выше качество усилителя. Амплитудная характеристика заметно нелинейна при очень малых и очень больших напряжениях входного сигнала.

Причём даже при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторое напряжение, определяемое собственными шумами усилителя. Поэтому очень малым значение U ВЫХ min выбирать нельзя из-за того. что слабые сигналы будут заглушаться напряжением собственных шумов. при очень больших входных сигналах происходит перегрузка усилительных элементов, что приводит к уменьшению усиления и искажениям усиливаемого сигнала. Поэтому очень большое значение U ВЫХ max также нельзя выбирать. Таким образом, динамический диапазон усилителя ограничен.

На рис. 17.3 изображена частотная характеристика усилителя K = (f ) при U BX = const. Из неё видно, что электрические сигналы проходят через УНЧ с искажениями, причём искажения увеличиваются на самых низших и самых высших рабочих частотах. Это связано с изменением значения сопротивления нагрузки для различных частот.

3. Транзисторный усилительный каскад

Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 17.2). Один источник питания ( +V ) обеспечивает подачу смещения для переходов база – эмиттер и база – коллектор. Два резистора RБ и RK используются для распределения напряжения источника питания, обеспечивающего правильную работу каскада.

Рис. 17.2. Схема резистивного усилителя с общим эмиттером

Резистор RБ, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы I Б 0. Ток базы, протекая по резистору RБ, создаёт на нём падение напряжения, составляющее большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

Напряжение входного сигнала u ВХ подают на участок база-эмиттер, что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I Б 0.

Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки RK. Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки RK усиленное по амплитуде падение напряжения u ВЫХ.

Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 17.3 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки RK и напряжение источника E K заданы, то положение линии нагрузки определяется точками C и D.

Рис. 17.3. Графический анализ работы схемы с ОЭ EK При этом точка D задана значением E K, а точка C - током I K =.

RH Линия нагрузки CD пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок AB линии нагрузки.

Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка - точка O. Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O определяет ток коллектора I K 0 и напряжение на коллекторе U КЭ 0, соответствующие режиму покоя.

Кроме того, точка O определяет ток покоя базы I Б 0, а следовательно, и положение рабочей точки O на входной характеристике (рис. 17.3, а, б). Точкам A и B выходных характеристик соответствуют точки A и B на входной характеристике. Проекция отрезка A O на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U BX m, при которой будет обеспечен режим минимальных искажений.

Строго говоря, U BX m необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U КЭ отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U КЭ = U КЭ 0.

4. Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется такая связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с его выхода подается на вход.

Различают положительную и отрицательную обратные связи. Когда сигнал обратной связи совпадает по фазе и складывается со входным сигналом – имеет место положительная обратная связь (ПОС). Положительную обратную связь, как правило, применяют в генераторных каскадах. Если сигнал обратной связи противоположен по фазе основному входному сигналу и вычитается из него – имеем отрицательную обратную связь (ООС). В усилителях положительная обратная связь обычно является паразитной, а отрицательная применяется довольно часто для компенсации температурной нестабильности.

Изменения температуры приводят к изменению проводимости полупроводниковых переходов транзисторов (особенно германиевых). Это приводит к изменению токов смещения и сдвигает рабочую точку транзистора, уменьшая усиление или искажая форму усиливаемого сигнала. Если часть нежелательного выходного сигнала подать на вход цепи, этот сигнал будет противодействовать изменениям в транзисторе.

Рис. 17.4. Усилительный каскад а коллекторной ООС.

В цепи, использующей отрицательную обратную связь (рис. 17.4), базовый резистор RБ соединён непосредственно с коллектором транзистора. Если температура увеличивается, ток коллектора и падение напряжения на резисторе RK также увеличиваются. Напряжение коллектор-эмиттер уменьшается, уменьшая также напряжение, приложенное к RБ. Это уменьшает ток базы, что служит причиной уменьшения тока коллектора. Так работает коллекторная цепь обратной связи.

На рис. 17.5 показан другой тип обратной связи – последовательно с эмиттером включён резистор R Э. Резисторы RБ и R Э и переход транзистора эмиттер-база соединены последовательно с источником питания E K. Увеличение температуры служит причиной увеличения тока коллектора и эмиттера, при этом увеличивается падение напряжения на резисторе R Э и уменьшается падение напряжения на резисторе RБ. Ток базы уменьшается, что уменьшает как ток коллектора, так и эмиттера. Поскольку сигнал обратной связи создаётся на эмиттере транзистора, эта цепь называется цепью эмиттерной обратной связи.

Рис. 17.6. Усилительный каскад с Рис. 17.5. Усилительный каскад эмиттерной ООС и блокировочным с эмиттерной ООС конденсатором Часть выходного сигнала создаст потерю напряжения на резисторе R Э, и усиление каскада уменьшится. При подсоединении параллельно резистору R Э блокировочного конденсатора C Э (рис. 17.6) усиливаемый сигнал переменного тока обходит резистор R Э, так как сопротивление конденсатора C Э переменному току существенно меньше R Э : R Э. Таким образом, резистор R Э 2 fC Э обеспечивает отрицательную обратную связь по постоянному току, а конденсатор C Э позволяет при этом избежать потерь в усилении входного сигнала.

Рис. 17.7. Цепь ООС с делителем напряжения

Наибольшую стабильность обеспечивает цепь обратной связи с делителем напряжения (рис. 17.7), которая используется наиболее широко. Здесь резистор RБ заменяется двумя резисторами, R1 и R 2, которые включены последовательно к источнику E K, образуя делитель напряжения. Цель делителя – обеспечить на базе транзистора постоянное напряжение по отношению к земле. Напряжение на переходе база – эмиттер является разностью двух напряжений – на резисторах R 2 и R Э : U БЭ U R 2 U RЭ. При увеличении температуры токи коллектора и = эмиттера также увеличиваются, и растёт напряжение на R Э. Уменьшение напряжение U БЭ приводит к уменьшению тока базы, и, следовательно, эмиттера и коллектора.

5. Межкаскадные связи в многокаскадных усилителях

Для получения неискаженной формы и заданной мощности полезного сигнала на выходе усилителя необходимо применять несколько каскадов усиления. Между этими каскадами существуют различные способы связи: через разделительные конденсаторы (емкостная), с помощью трансформаторов (трансформаторная), непосредственная (гальваническая).

В УНЧ широко распространена емкостная связь (рис. 17.8). Напряжение полезного сигнала подают на базу T1 через разделительный конденсатор C P 1, Делитель R1R 2 определяет напряжение покоя на участке база - эмиттер первого каскада. Цепь R Э 1C Э 1 составляет цепь отрицательной обратной связи по току питания и обеспечивает его стабилизацию. Усиленное по амплитуде напряжение подают через разделительный конденсатор C P 2, не пропускающий постоянную составляющую коллекторного напряжения первого каскада на базу транзистора T2.

Рис. 17.8. Схема двухкаскадного усилителя с емкостной связью

В данном усилителе оба каскада собраны по схеме с общим эмиттером.

Известно, что такая схема характеризуется большим выходным и относительно малым входным сопротивлениями. Таким образом, вход последующего каскада оказывается не согласованным с выходом предыдущего. Для согласования применяют трансформаторную связь, при которой обеспечивается максимально возможная мощность на входе последующего каскада (рис. 17.9).

В ряде устройств автоматического контроля измеряют и регулируют такие величины, как температура, давление, механические напряжения и т.п. Эти неэлектрические величины преобразуют в медленно меняющиеся токи и напряжения с частотой порядка 1 Гц и меньше. Так как усиление таких медленно меняющихся сигналов невозможно с помощью обычных УНЧ с емкостной или трансформаторной связью, применяют специальные усилители с гальванической связью между каскадами – усилители постоянного тока (рис. 17.10).

Рис. 17.9. Схема двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью Рис. 17.10. Схема двухкаскадного усилителя с непосредственной (гальванической) связью Контрольные вопросы

9. Как компенсируются изменения температуры в транзисторном усилителе?

11. Каковы основные способы соединения транзисторных усилителей?

12. Какой метод соединения используется при усилении низкочастотных сигналов




Похожие работы:

«Why Not Women? A Fresh Look at Scripture on Women in Missions, Ministry, and Leadership by Loren Cunningham and David Joel Hamilton © 2000 Loren Cunningham and David Joel Hamilton Published by Youth With A Mission Publishing, P.O. Box 55787, Seattle, W 98155 A ISBN 1-57658-183-7 Больше о Молодежи с Миссией на сайтах: www.ywam.org...»

«май 2007 г. Информационный бюллетень №. Образовательные траектории детей и взрослых: семейные стимулы и издержки Фонд Общественное мнение 119421, Москва, ул. Обручева, 26, корп. 2 телефон: 745-87-65, факс: 745-89-03 е-mail: fom@fom.ru internet: www.fom.ru Образовательные траектории...»

«Проект1 Обзор судебной практики по некоторым вопросам применения арбитражными судами статьи 222 Гражданского кодекса Российской Федерации 1. Принудительный снос самовольной постройки может быть осуществлен только на основании решени...»

«Михаил Флёнов Санкт-Петербург "БХВ-Петербург" УДК 681.3.06 ББК 32.973.26-018.2 Ф70 Флёнов М. Е.Ф70 Компьютер глазами хакера. — 3-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 272 с.: ил. ISBN 978-5-9775-0790-5 Рассмотрены компьютер...»

«Целительные практики Востока И-Шен Йога для женщин "Вектор" И-Шен Йога для женщин / И-Шен — "Вектор", 2006 — (Целительные практики Востока) Женщины всего мира выбирают йогу, как самый эффективный способ восстановить молодость, красоту и здоровье. В этой книге собраны специальные асаны, которые помогут вам, милые женщины, в...»

«ДЕПАРТАМЕНТ СОЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ НАСЕЛЕНИЯ, ОПЕКИ И ПОПЕЧИТЕЛЬСТВА КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ ПРИКАЗ от "7" декабря 2015 года № 703 г. Кострома О внесении изменений в приказ департамента социальной защиты населения, опеки и попечительства Костромской области от 18.06.2012 № 371 В целях приведения прика...»

«Содержание. Пояснительная записка 1. Учебный годовой план 2. Поурочное планирование 3. Содержание программы 4. Средства контроля 5. Нормативные требования 6. Содержание и методика контрольных испытаний 7. Литература 8. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 1. Программа по мини-футболу предназначена для спортивных секций общеобразовательных учрежден...»

«Благотворительный digital-забег NIKE УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ МЕРОПРИЯТИЯ СОГЛАСИЕ УЧАСТНИКА/ЗАКОННОГО ПРЕДСТАВИТЕЛЯ В настоящем документе изложены официальные условия проведения Мероприятия Благотворительный...»

«'чиКмКи V мкооН Раата1икоди ИГ 9 05С0ЯЕРШДН1Е Рицсцихъ 6парх1альныхъ 131ьДОмостей за 1904 годъ. ОТДЪЛЪ ОФФИЦ1АЛь ныи. Высочайппе манифесты. Стр. Объ открытш воен. дЪйствш на Дальнемъ Восток!, 41 О разрешена Ея Императорскаго Величества Госу­ дарыни Императрицы Александры веод...»








 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.