площадь усиления в усилителях

Видео:ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ. Как он работает и как усиливает звук. Самое понятное объяснение!Скачать

Схемотехника аналоговых электронных устройств (стр. 3 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рис.4.5. Схема комбинированной стабилизации рабочей точки.

Когда требуется уменьшить нестабильность тока покоя, вызы­ваемую лишь изменением температуры, используются схемы темпера­турной стабилизации (рис.4.6).

Рис.4.6. Схемы температурной стабилизации:

а – с помощью терморезистора; б – с помощью диода.

В принципиальной схеме усилителя с температурной стабилиза­цией, приведенной на рис. 4.6.а, в нижнем плече делителя устанавливается терморезистор с отрицательным температурным коэффициен­том. При повышении температуры его сопротивление падает, следо­вательно, уменьшается напряжение смещения, что вызывает уменьше­ние токов коллектора и эмиттера.

Температурная стабилизация может быть осуществлена с по­мощью полупроводниковых диодов (рис.4.6.б). С повышением темпера­туры возрастает обратный ток диода, следовательно, возрастает напряжение на сопротивлении и уменьшается напряжение смещения, компенсируя возрастания обратного тока транзистора.

Видео:Дифференциальный усилитель.Он не усилит два сигнала,тогда что же?Скачать

Лекция №5

Видео:КАК РАБОТАЕТ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬСкачать

Предварительные усилители напряжения

Видео:Усилитель звука D-класса. Импульсный принцип звукоусиления. Понятное объяснение!Скачать

5.1. Общие сведения о предварительных усилителях.

Предварительные каскады усиления предназначены для усиления тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Предварительные усилители состоят из нескольких каскадов.

Для уменьшения количества каскадов предварительного усилите­ля коэффициент усиления каждого каскада желательно иметь наи­большим. Для этого в каскадах предварительного усиления ис­пользуют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления в режиме А.

Вследствие малой амплитуды сигнала в цепях каскадов предва­рительного усиления расчет коэффициента усиления по току и по напря­жению усиливаемого сигнала производят аналити­чески с использованием эквивалентных схем и малосигнальных параметров усилительных элементов.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером и с общим истоком, так как при работе на входную цепь следующего каскада это дает возможность получить наибольшее усиление. В каскадах предварительного усиления нахо­дят широкое применение резистивные схемы на электронных лампах, полевых и биполярных транзисторах. Редко применяются трансформа­торные схемы.

Видео:Принцип электронного усиления. Часть 1Скачать

5.2. Принципиальные схемы предварительных усилителей.

В схеме на рис.5.1. цепь служит для создания автомати­ческого смещения. Нагрузкой выходной цепи является активное соп­ротивление . Усиленное переменное напряжение на вход следующе­го каскада снимается с клемм сток-корпус. Напряжение выход­ной цепи, кроме полезной переменной составляющей, имеет также постоянную составляющую. Чтобы на вход следующего каскада переда­вать лишь переменную составляющую и не пропускать постоянную сос­тавляющую, используется разделительный конденсатор С1, который должен иметь достаточно большую емкость, чтобы переменная состав­ляющая напряжения передавалась на вход следующего каскада без за­метного ослабления.

Рис.5.1. Предварительный каскад на полевом транзисторе

Сопротивление R1 создает замыкание цепи затвора по постоян­ной составляющей. Так как ток в цепи затвора очень мал и состав­ляет доли пикоампера, то в результате затвор имеет ту же постоянную составляющую потенциала, что и корпус усилителя. Исток имеет положительный потенциал относительно корпуса вслед­ствие действия цепи автоматического смещения. Поэтому между зат­вором и истоком возникает необходимое отрицательное напряжение смещения. Сопротивление R1 не должно быть слишком большим, но его нельзя выбирать и чересчур малым во избежание уменьшения перемен­ного напряжения вследствие шунтирования сопротивления нагрузки.

Сопротивление и конденсатор образуют Г-образный фильтр, который называется развязывающим. При наличии фильтра переменная составляющая выходного тока iвых(t) замыкается через и не протекает через источник питания, так как его цепь содержит . Вместе с тем фильтр отфильтровывает пульсации напряжения источника питания. Таким образом, фильтр устраняет нежелательные связи различных каскадов, пи­таемых от общего источника. Для этого и должны иметь как можно большие величины, но величина ограничивается допустимым падением на нем постоянного напряжения, а ограничивается приемлемыми габаритами.

Усилители на полевом транзисторе так же, как и ламповые уси­лители, имеют большое входное сопротивление , влиянием которого при анализе схем можно пренебречь. Схемы замещения для электронных ламп и полевых транзисторов в упрощенном варианте одинаковы. Ха­рактеризуются они также одинаковыми параметрами: коэффициентом усиления , крутизной S и внутренним сопротивлением . Между собой эти характеристики связаны соотношением . При дальнейшем анализе усилителей схемы этих усилителей рассмотрим параллельно.

При анализе переменных составляющих токов и напряжений пользуются эквивалентной схемой замещения. При составлении экви­валентной схемы учитывают цепи только по переменной составляющей. Эквивалентная схема одного каскада включает схему замещения вы­ходной цепи усилительного элемента, межкаскадной связи и входной цепи следующего элемента. Источник питания и элементы для подачи постоянных напряжений, как, например, сопротивление автоматичес­кого смещения , по переменной составляющей закорачиваются через блокирующие и шунтирующие емкости и в эквивалентную схему не вхо­дят. Выходная цепь замещается генератором ЭДС или тока и внутрен­ним сопротивлением. К выходным зажимам усилительного элемента подключается сопротивление нагрузки .

Видео:Усилитель на транзистореСкачать

5.3. Эквивалентная схема усилителя.

Любой усилительный элемент может быть представлен четырехполюсником, (рис.5.2) который характеризуется системой параметров у, z и h. В нашем курсе мы будем пользоваться системой у параметров.

Рис.5.2. Линейный четырехполюсник.

В этом случае четырехполюсник описывается системой уравнений:

(5.1)

где — входная проводимость;

— обратная проводимость;

— прямая проводимость (S крутизна);

— выходная проводимость.

Таким образом, основные параметры усилительных элементов можно выразить через у — параметры четырехполюсника (рис.5.3.а).

Входная и выходная проводимости усилительного элемента состоят из активных и реактивных составляющих:

, (5.2)

(5.3)

Прямая проводимость определяется коэффициентом усиления БТ или крутизной проходной характеристики ПТ

. (5.4)

Влиянием обратной проводимости на низких частотах пренебре­гают, и эквивалентные схемы усилительного элемента входной и вы­ходной цепей рассматривают отдельно (рис. 5.3,б и 5.3,в).

Рис.5.3. Эквивалентная схема двойного усилительного элемента:

а – полная; б – выходной цепи; в – входной цепи

Свойства и характеристики усилительного каскада зависят от свойств и параметров усилительного элемента, схемы межкаскадной связи, а также от параметров нагрузки. Определение свойств и ха­рактеристик усилителя (анализ) проводят по его эквивалентной схе­ме. Эквивалентная схема одного каскада усилителя, приведенная на рис.5.4, состоит из эквивалентной схемы выходной цепи усили­тельного элемента рассматриваемого каскада, элементов схемы межкаскадной связи и эквивалентной схемы входной цепи усилительного элемента следующего каскада.

Рис.5.4. Эквивалентная схема резисторного усилителя.

Полная эквивалентная схема резистивного усилителя (рис.5.4) включает в себя, кроме выходной цепи, цепочку межкаскадной связи C1R1, входную цепь следующего усилительного элемента и ем­кость монтажа .

В ламповых усилителях и усилителях на полевом транзисторе влиянием можно пренебречь, так как его значение очень велико и ток по этой цепи не протекает.

Емкость выходной цепи представляет собой межэлектрод­ную емкость между анодом и катодом или между стоком и истоком .

Емкость монтажа зависит от габарита выбранных элементов и составляет порядка (10¸15) пФ для ламповых усилителей и (5¸7) пФ для транзисторных. Емкость входной цепи определяется межэлек­тродными емкостями затвор-исток и затвор-сток следующим выраже­нием: .

Если просуммируем параллельно включенные емкости , и , то получим общую паразитную емкость

. (5.5)

С учетом (5.5) эквивалентная схема резистивного усилителя примет вид, изображенный на рис. 5.5, где Ri=Rвых.

Рис.5.5. Эквивалентная схема резистивного каскада на ПТ.

Видео:Как работают УСИЛИТЕЛИ A, B, AB классов? Понятное объяснение!Скачать

5.4. Методика анализа резисторного каскада

Видео:Усилитель с общим истоком - коэффициент усиленияСкачать

предварительного усилителя.

Анализ резисторного предварительного каскада проводится на основе эквивалентной схемы. При этом считается, что входное напряжение Uвх и тип транзистора заданы в технических условиях. Важным этапом анализа является составление эквивалентной схемы для анализируемого каскада. Этот вопрос подробно рассмотрен в предыдущем подразделе. Для упрощения анализа амплитудно-частотной характеристики разделяют на три частотных диапазона: средние, нижние и высокие частоты. По эквивалентной схеме определяют основной показатель — комплексный коэффициент усиления. К(j), который определяется отношением комплексных значений выходного и входного напряжений: К(j)=Uвых/Uвх.

На нижних частотах основное влияние на АЧХ оказывает разделительная емкость С1. С уменьшением частоты емкостное сопротивлние, равное Xс=1/ jС, возрастает. Следовательно, увеличивается падение напряжения на этом элементе. Вследствие чего уменьшается Uвых и К(j).

На верхних частотах сопротивление C0 уменьшается, увеличи­вается шунтирующее действие C0, уменьшаются и коэффициент усиления. Но для качественной работы усилителя необходимо, чтобы его частотная характеристика приближалась к идеальной в области средних частот. Для этого реактивные элементы С1 и C0 должны быть выбра­ны так, чтобы на средних частотах сопротивление С1 и проводи­мость C0 были незначительными. Следовательно, эти элементы должны быть выбраны: С1®¥, C0→0.

Видео:Основные параметры усилителей (Коэффициент усиления)Скачать

Лекция №6

Видео:Классы усилителей: A, B, C, D... Остальные ГСкачать

Анализ каскада предварительного усиления.

Видео:Недостатки усилителя Н. Сухова и его клонов.Скачать

6.1. Анализ резисторного каскада в области средних частот.

Методика анализа резисторного каскада предварительного усиления рассмотрено в предыдущей лекции. Для упрощения математических выкладок анализ проводится отдельно на средних, высоких и нижних частотах. Проанализируем усилительный каскад на полевом транзисторе (рис.5.1). Для этого каскада построим полную эквивалентную схему (рис.5.5.).

В области средних частот влиянием всех емкостей мож­но пренебречь, так как сопротивление С1 близко к нулю, а сопро­тивление C0 бесконечно большое. Поэтому эквивалентная схема для средних частот будет иметь вид, изображенный на рис.6.1

Рис.6.1. Эквивалентная схема резисторного каскада на СЧ.

Общая проводимость параллельно включенных цепей определяется выражением:

. (6.1)

Коэффициент усиления на средних частотах является веществен­ным и определяется:

(6.2)

Для полевых транзисторов справедливы следующие соотношения: , , поэтому

. (6.3)

Таким образом, коэффициент усиления на средних частотах опреде­ляется произведением крутизны усилительного элемента S сопротив­ления и не зависит от частоты. Следовательно, чем больше крутизна S и сопротивление нагрузки , тем больше коэффициент усиления. Фазовый сдвиг на средних частотах равен нулю.

Видео:Обратные связи в усилителяхСкачать

6.2. Анализ резисторного усилителя на высоких частотах.

В области высоких частот емкостное сопротивление 1/jωC1 конденсатора С1 становится еще меньше, чем в области средних частот, поэтому его можно по-прежнему заменить коротким замыка­нием. Однако в области высоких частот надо учитывать влияние ем­костей ,,См, так как их проводимости возрастают. Вследствие чего умень­шается емкостное сопротивление 1/jωCо, увеличивается шунти­рующее действие.

С учетом вышесказанного эквивалентная схема резистивного усилителя в области верхних частот примет вид, изображенный на рис.6.2

Рис.6.2. Эквивалентная схема резисторного каскада в области ВЧ.

По эквивалентной схеме (рис.6.2) определим выходное нап­ряжение и комплексный коэффициент усиления

(6.4)

где τв=С0R— постоянная времени в области ВЧ.

Модуль коэффициента усиления на верхних частотах определяется выражением:

(6.5)

и представляет собой частотную характеристику усилителя в области верхних частот (рис.6.3).

Рис.6.3. АЧХ в области ВЧ при различных значениях С0.

С увеличением частоты уменьшается, вследствие чего увеличивается шунтирующее действие. По этой причине уменьшается выходное напряжение и коэффициент усиления.

Найдем верхнюю граничную частоту усилителя, на которой мо­дуль коэффициента усиления . Следова­тельно, приравнивая (6.5.) к значению , получим:

. (6.6)

Из выражения (6.6) следует, что обратно пропорционально емкости C0. С уменьшением С0 увеличивается верхная граничная частота и полоса пропускания усилителя (см. рис.6.3). Для расширения полосы пропускания в область высших частот необходимо уменьшать постоянную времени . Емкость C0 складывается из емкостей ,,См и зависит от выбранного усилительного элемента. Следовательно, уменьшение постоянной времени возможно лишь за счет уменьшения . Однако это вызывает снижение коэффициента усиления (рис.6.4).

Рис.6.4. АЧХ в области ВЧ при различных значениях Rн.

Рассмотрим фазовый сдвиг, создаваемый усилителем в области верхних частот. Чтобы определить его, представим в виде суммы вещественной и мнимой частей, для этого выражение умножим и разделим на комплексную величину, сопряженную со знаме­нателем:

(6.7)

Тангенс угла фазового сдвига равен отношению мнимой части к
вещественной:

(6.8)

С увеличением частоты фазовый сдвиг асимптотически стремится к . При , имеем

; , (6.9)

т. е. верхней пороговой частоте соответствует фазовый сдвиг, рав­ный — 45° (см. рис.6.5.).

Рис.6.5. ФЧХ в области ВЧ.

Очевидно, при этой частоте модуль емкос­тной проводимости равен активной проводимости

Выражая через верхнюю пороговую частоту, можно записать уравнение фазочастотной характеристики для области высоких час­тот в виде

. (6.10)

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной часто­те определяется

(6.11)

Если заданы и , то из выражения (6.11) можно опреде­лить необходимое значение и рассчитать требуемое сопротивление нагрузки:

. (6.12)

Таким образом, сопротивление нагрузки рассчитывается из необходимости удовлетворения основных технических условий усилите­ля в области верхних частот.

Видео:3 1 УсилителиСкачать

6.3. Анализ резисторного каскада в области нижних частот.

В области низких частот проводимость незначительна, и ею можно пренебречь. Сопротивление Хсо=1/jωC0 велико. Следовательно, эта цепь шунтирующего влияния не оказывает. Однако в области низких частот необходимо учитывать влияние реактивного сопротивления емкости С1, так как сопротивление ХС1= 1/jωC1 возрастает, на нем происходит падение нап­ряжения, вследствие чего уменьшается и коэффициент усиления. Поэтому эквивалентная схема в области нижних частот примет вид, изображенный на рис.6.6,а.

Рис.6.6.Эквивалентные схемы усилителя в области НЧ: а – с генератором тока; б – с генератором ЭДС.

Для упрощения дальнейших выкладок преобразуем эквивалентную схему с гене­ратором тока в эквивалентную схему с генератором ЭДС (рис.6.6,б), где Rэ=RiRн/(Ri+Rн),E=SUвхRэ

Ток и напряжение в выходной цепи:

(6.13)

Комплексный коэффициент усиления в области низких частот соответственно определяется:

(6.14)

Видео:ЛАМПОВОЕ УСИЛЕНИЕ. Как устроена РАДИОЛАМПА? Понятное объяснение!Скачать

ГЛАВА 4. УСИЛИТЕЛИ

Видео:Лекция 7. Коэффициент усиления антенны.дБи. Модель распространения сигналов в свободном пространствеСкачать

4.1. Структурная схема усилителя

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Принцип действия усилительного каскада удобно пояснить с помощью схемы, приведенной на рис.4.1. Основой усилителя являются два элемента: резистор R и управляемый активный элемент АЭ транзистор, сопротивление которого изменяется под действием входного сигнала U_вх . За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением E_п в цепи резистора R и АЭ. В результате будут меняться падение напряжения на резисторе, а следовательно, и выходное напряжение U_вых. Здесь процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания E_п в энергию выходного напряжения.

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада, приведенную на рис.4.2. Усилитель представлен как активный четырехполюсник. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения E_г, имеющего внутреннее сопротивление R_г. На выходе усилителя включен резистор нагрузки R_н. Ни генератор E_г , ни нагрузка не являются частями усилительного каскада, но довольно часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис.4.2 представляется своими входным R_вх и выходным R_вых сопротивлениями.

По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения, тока и мощности.

Удобно подразделять усилительные каскады по соотношению величин R_вх и R_г . Если в усилителе R_вх>>R_г, то он является усилителем напряжения. В усилителе тока R_вх » R _г ,

По соотношению между величинами R_вых и R_н также можно разделить усилители на усилители напряжения (R_вых >R_н), и мощности, которые работают на согласованную нагрузку (R_вых » R_н ).

Как правило усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис.4.3). Первый каскад называется входным, а последний — выходным ил

и оконечным. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому усилитель напряжения должен иметь большое входное сопротивление. Кроме того, крайне желательно, чтобы входной каскад имел минимальный коэффициент шума.

Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего является усилителем мощности и призван работать на низкоомную нагрузку. Поэтому требуется, чтобы выходной каскад имел большую допустимую мощность, малое выходное сопротивление, высокий коэффициент полезного действия и малый коэффициент гармоник. Промежуточные каскады необходимы для обеспечения заданного усиления, т.е. основным их параметром является коэффициент усиления ( по напряжению).

Соединение каскадов между собой в многокаскадном усилителе может быть осуществлено различными способами. Один из широко распространенных способов для усилителей переменного тока или напряжения реализуется с помощью разделительных емкостей. Такой усилитель называется усилителем с емкостной связью. Для усилителей постоянного тока используется непосредственная (гальваническая) связь. Отметим, что непосредственная связь между каскадами широко представлена в ИС.

Видео:Дифференциальный усилитель. Принцип работыСкачать

4.2 Основные параметры и характеристики

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления: по напряжению , по току и по мощности . Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы. Максимальные значения коэффициентов усиления могут достигать 10 6 .

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K_u можно записать

Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах (дБ): K_u =20lg(U_вых /U_вх )=20lgK_u.

Аналогично в децибелах можно представить K_i и K_p. Для K_p справедлива следующая запись:

Выражение коэффициентов усиления в децибелах связано с тем, что человеческое ухо реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическим законом слухового восприятия.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя

.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) K_г.

, где U₁ ,U₂ ,U₃ — значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. В многокаскадных усилителях общий K_г можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения вносятся выходным (иногда предвыходным) каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис.4.4), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис.4.5) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя: и .

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что D f=f_в -f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот f_н » 20Гц и f_в » 15кГц; в широкополосных усилителях f_в может достигать десятков мегагерц; в частотно-избирательных усилителях f_н » f_в и для высокочастотных вариантов может достигать сотен мегагерц; в усилителях постоянного тока (УПТ) f_н=0, а f_в может составлять несколько десятков мегагерц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной (фазовой) характеристикой (ФЧХ) усилителя. Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др. Важнейшим параметром усилителей мощности является коэффициент полезного действия h :

P_н — где мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; P₀ — мощность, потребляемая усилителем от внешнего источника питания. Величина h всего усилителя определяется главным образом h выходного каскада.

Основные параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от типа активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.

Видео:Основы радиотехники, Григорьев А.А., лекция 8Скачать

4.3 Расчет основных параметров усилительного каскада

В рабочем (динамическом) режиме, т.е. когда в выходную цепь транзистора включено сопротивление нагрузки, а на вход подается переменный сигнал, характеристики и параметры транзистора нельзя рассматривать вне связи со схемой.

В общем случае сопротивление нагрузки может быть реактивным, смешанным или чисто активным. Рассмотрим случай чисто активной нагрузки.

Характеристики и параметры транзистора, работающего в рабочем (динамическом), режиме называют рабочими или динамическими.

Рабочие или динамические параметры транзистора связывают малые изменения токов и напряжений транзистора в динамическом режиме. Такими параметрами являются входные и выходные сопротивления, величина которых определяет условия согласования транзистора с источником сигнала и с нагрузкой, и коэффициенты усиления тока, напряжения и мощности. Каждый из этих параметров можно определить следующим образом.

Входное сопротивление — сопротивление входной цепи транзистора для переменного входного тока, при R_н =0

Выходное сопротивление — сопротивление выходной цепи транзистора для переменного выходного тока при R_н = 0

Динамический коэффициент усиления по току .

Динамический коэффициент усиления по напряжению .

Динамический коэффициент усиления по мощности

В случае усиления малых синусоидальных сигналов рабочие параметры можно определить как отношение амплитуд токов и напряжений.

Графическая зависимость между протекающими токами и приложенными напряжениями для транзистора, включенного в рабочую схему, определяется динамическими характеристиками. Так же, как и в статическом режиме, можно экспериментально снять или построить входные и выходные динамические характеристики.

Практически для того, чтобы произвести полный расчет динамического режима работы и рабочих параметров транзистора, необходимо иметь два семейства статических характеристик: входные и выходные, на которых должны быть построены входная и выходная динамические характеристики, соответственно. Для построения выходной динамической характеристики на семействе статических выходных характеристик , строится нагрузочная прямая. Т.к. по закону Кирхгофа

где E_к — напряжение источника питания в выходной цепи,

R_н — сопротивление нагрузки, ,

то нагрузочная прямая может быть построена по двум точкам, при условии что известны значения Е_к и R_н :

2. U_к=0, тогда .

Точки пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками и определяют ход выходной динамической характеристики. Построение входной динамической характеристики на семействе входных статических характеристик может быть произведено либо с помощью уравнений (при известных E_к и R_н), либо путем переноса из построенной выходной динамической характеристики. В последнем случае, для точек пересечения динамической выходной характеристики со статическими, определяются значения I_вх (для которого снята данная выходная статическая характеристика) и U_вых , полученные значения переносятся на семейство статических входных характеристик. Соединяя полученные точки плавной кривой получают входную динамическую характеристику.

Построение выходной и входной динамических характеристик транзистора, включенного с ОБ, показано на рис.4.6.

Для некоторых транзисторов статические входные характеристики располагаются очень близко друг к другу. В этом случае приближенно считают, что входная динамическая характеристика совпадает со статической снятой при U_к > 0,5 — 5 В.

При выборе динамического режима работы транзистора. работающего в качестве усилителя малых сигналов низкой частоты, следует помнить, что:

1. Изменения переменных токов и напряжений должно происходить только в активной области не заходя в область насыщения и отсечки.

2. Динамический режим работы транзистора ограничен максимально допустимыми значениями:

а)I _{э макс.}-максимально допустимый ток эмиттера, определяемый мощностью эмиттерного перехода,

б)U_{к макс.} — максимально допустимое напряжение коллектора, определяемое напряжением пробоя,

в) P_{к. макс. доп.} — допустимая мощность рассеивания коллекторного перехода.

На рис. 4.7 показана область, за пределы которой не должна выходить рабочая точка при работе транзистора в качестве усилителя.

3. Если ставится условие работы без нелинейных искажений, т.е. условие точного воспроизведения на выходе транзистора формы сигнала, поданного на вход, то изменения переменных токов и напряжений должны происходить на участке выходной динамической характеристики, для которого изменения выходного тока прямо пропорциональны изменениям входного тока. Кроме того, т.к. нелинейные искажения в транзисторах в очень большой степени определяются нелинейностью входной динамической характеристики, необходимо, чтобы изменения переменных токов и напряжений лежали бы на прямолинейном участке входной динамической характеристики.

В соответствии с этими условиями определяются значения сопротивления нагрузки R_н и постоянных напряжений, подаваемых на эмиттерный и коллекторный переходы.

В качестве примера рассмотрим одиночный каскад усилителя на транзисторе (рис.4.8).

В данной схеме используется фиксированное смещение от отдельного источника E_см, с помощью которого задается положение рабочей точки на входной динамической характеристике. Величина R_н составляет, как правило, несколько кОм, что значительно меньше выходного сопротивления, а E_k — порядка 10В.

Предположим, что статические характеристики транзистора показаны на рис.4.9а,б, и что заданы R_н и E_к .

Выходную динамическую характеристику можно построить по двум точкам. Считаем , что входная динамическая характеристика совпадает со статической, снятой при U_к=-5В. Если задано условие получения минимальных нелинейных искажений, то изменения переменных токов и напряжений на динамических характеристиках не должны выходить за пределы участка аб рис.4.9.

Участок динамической характеристики, в пределах которого происходят изменения переменных токов и напряжений, называется рабочим участок.

Если на вход транзистора подается синусоидальный сигнал вида :

то для того, чтобы обеспечить работу на выбранном рабочем участке а б , на вход надо подать переменный сигнал с амплитудой

и постоянную составляющую тока

Тогда легко можно рассчитать:

1. Динамический коэффициент усиления по току

2. Динамический коэффициент усиления по напряжению

3. Динамический коэффициент усиления по напряжению

4. Входное сопротивление переменному току :

5. Выходное сопротивление переменному току .

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

Видео:Ламповый усилитель. Практический расчет трансформатора SE.Скачать

АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Анализ частотных свойств усилителей переменного напряжения с реостатно-емкостными связями, именуемых в дальнейшем усилителями напряжения, заключается в получении выражений, используемых для построения их частотных характеристик: АЧХ иФЧХ. Исходным материалом для такого анализа является эквивалентная схема усилителя по переменному току. Для упрощения вычислений и получения более наглядных формул анализ

проводят отдельно для области средних, верхнихи нижнихчастот.

Область средних частот.В данной области сопротивления емкостей С1 и С2 оказываются значительно большими, чем сопротивления элементов и , и эти емкости из эквивалентной схемы (см. рис. 5.16) можно исключить. Емкость разделительного конденсатора С_р2 выбирается достаточно большой, и в области средних частот его сопротивление переменному току близко к нулю. С учетом этого эквивалентную схему усилителя в области средних частот мож-

но представить в виде, показанном на рис. 5.17, а. В соответствии с этой схемой коэффициент усиле­ния в области средних частот определяется выражением

Так как и образуют нагрузку усилителя по переменному току , то эквивалентную схему, изображенную на рис. 5.17, а, можно представить в ином виде (рис. 5.17, б). Из этой схемы следует:

Полученные выражения для К_ср совпадают с выраже­ниями (5.8) и (5.9).

Таким образом, в области средних частот коэффи­циент усиления можно считать постоянной вещественной величиной. Вследствие малого влияния емкостей С1, С2 и (см. рис. 5.16) в области средних частот фазовым сдви-

гом между входным и выходным напряжениями можно преенебречь, т. е. счи­тать (рис. 5.18).

Область верхних частот.В области верхних частот сопротивления элементов С1 и С2 (см. рис. 5.16) умень­шаются и могут стать сравнимыми с сопротивлениями элементов R’_H и . При этом эквивалентная схема усили­теля приобретает вид, показанный на рис. 5.19. В этой схеме .

Коэффициент усиления, полученный на основании данной эквивалентной схемы, определяется выражением

называется постоянной времени усилителя в области верхних частот.

Выражение (5.17) показывает, что в области верхних частот коэффициент усиления усилителя имеет комплекс­ный характер и может быть представлен в виде

Модуль выражения (5.17)

может быть использован для построения АЧХ (рис. 5.20, о), а аргумент

для построения ФЧХ в области верхних частот (рис. 5.20, б).

Частота , на которой , является верхней граничной частотой усилителя. Ей со­ответствует частота

В резисторных УН на БТ коэффициент усиления в об­ласти верхних частот изменяется не только под влиянием емкости С, но и вследствие частотной зависимости кру­тизны транзистора. С учетом этого для уситителя на БТ

где ; — предельная частота проводимости прямой передачи, или крутизна, биполярного транзистора.

Область нижних частот.В области нижних частот сопротивления элементов С1, С2 и С_р2 увеличиваются по сравнению с их значениями на средних частотах. При этом в эквивалентной схеме можно пренебречь влиянием емкостей С1 и С2, но следует учесть емкость раздели­тельного конденсатора С_р2 (рис. 5.21). Коэффициент уси ления в области нижних частот в соответствии с экви-

ва­лентной схемой определяется выражением

постоянная времени усилителя в области нижних частот. Выражение для легко получается непосредственно из эквивалентной схемы.

Для построения АЧХ и ФЧХ на основании выражения (5.22) определяют модуль

коэффициента усиления в области нижних частот. Вид АЧХ и ФЧХ, построенных на основании этих выражений, приведен на рис. 5.22.

Частота , на которой соответствует нижней граничной частоте

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В современной РЭА (телевизионной, измерительной, системах телеуправления, импульсных радиолокаторах и т. д.) широкое применение находят усилители сигналов, спектр частот которых находится в пределах от звуковых до частот в несколько мегагерц, а в некоторых случаях — до десятков и сотен мегагерц. Такие усилители называются широкополосными.

К широкополосным усилителям относятся и усили­тели видеоимпульсов, или видеоусилители (ВУС), так как частотный спектр видеоимпульсов содержит большое ко­личество гармоник с различными частотами. Схема ВУС такая же, как и усилителя напряжения (см. рис. 5.14), отличается лишь значениями элементов.

Физические процессы в ВУС.Рассмотрим физические процессы, происходящие в видеоусилителе на полевых транзисторах (рис. 5.14, а) при поступлении на его вход прямоугольного импульса, используя графики, приведен­ные на рис. 5.23.

До момента t₁ усилитель находится в режиме покоя, который характеризуется напряжением и_зи=U_зио, и_си=U_сио, и_ср2= U_сио. В момент t₁ напряжение затвора скачком уменьшается, что вызывает увеличение напря­жения и_си. Паразитная емкость С = С_вых + С_м + С_вх.д.сл препятствует скачкообразному увеличению напряжения и_си, напряжение и_си увеличивается по экспоненциаль­ному закону:

(5.26)

Рис. 5.28 Графики изменений напря­жений d ВУС при усилении отрица­тельного прямоугольного импульса.

по мере зарядки паразитной емкости С по цепи +Е_с →R_с→C→C_и→ –Е_с с по­стоянной времени τ_в, опреде­ляемой выражением (5.18).

Одновременно с зарядкой емкости С начинается за­рядка разделительного кон­денсатора С_р2 по цепи +Е_с →R_с→ С_р2→R_з.сл→ –Е_с с по­стоянной времени τ_н опреде­ляемой выражением (5.23). Напряжение на конденсаторе С_р2 будет изменяться по закону

(5.27)

Так как τ_н » τ_в, то зарядка С_р2 будет продолжаться и после того, как емкость С полностью зарядится до зна­чения

В интервале времени t₁. t₂ происходит формирование фронта выходного импульса. При этом, как видно из схемы, и_вых.ф=и_СИ – и_Ср2. Можно считать, что за это время напряжение на конденсаторе С_р2 не изменилось и оста­лось равным U_СИО.Следовательно, формирование фронта выходного импульса с учетом выражения (5.26) будет происходить по закону

(5.28)

В интервале времени t₂. t₃ формируется вершина вы­ходного импульса. Так как при этом и_СИ = U_Сиmax = U_СИО + U_mСИ с учетом выражения (5.27) выходное напряжение изменяется по закону

(5.29)

С момента времени t₃ рабочая точка возвращается в положение, характеризующее режим покоя. Ток стока увеличивается, а напряжение и_СИуменьшается по мере разрядки емкости С через транзистор и резистор R_з.сл. Выходное напряжение убывает до нуля при установлении равенства и_с = и_Ср2.После этого начинает разряжаться конденсатор С_р2, ток разрядки которого протекает через резистор R_з.слв направлении, противоположном направ­лению тока зарядки, образуя в выходном напряжении отрицательный выброс.

В ВУС на БТ (рис. 5.14, б) процессы при усилении видеоимпульсов протекают аналогично, однако искаже­ния формы усиливаемых прямоугольных импульсов вы­зываются не только зярядкой и разрядкой емкостей С и С_р2, но и физическими процессами, происходящими в самом транзисторе.

Параметры, используемые для оценки искажений в ВУС.Из рис. 5.24 видно, что отличия выходного импульса от прямоугольного проявляются в меньшей кру­тизне фронта, спаде, или завале, вершины и появлении отрицательного выброса. Амплитуда отрицательного вы­броса пропорциональна спаду вершины ΔU_вых, поэтому для оценки искажений выходного импульса чаще всего применяются

Рис. 5.24. Форма выходного импульса напряжения видеоусилителя

два параметра: время установления, или длительность фронта, и относительный спад вершины.

Временем установления t_y называют время, в течение которого выходное напряжение усилителя изменяется от 0,1 до 0,9 значения напряжения в установившемся ре­жиме U_mСИ или в соответствии с рис. 5.24, t_y = t_0,9 – t_0,1 . Так как при формировании фронта выходное напряжение изменяется по закону (5.28), то на основании этого можно записать:

Решая эти уравнения относительно t_0,1 и t_0,9, получаем

В ВУС на БТ время установления определяется вы­ражением

Таким образом, для уменьшения длительности фронта, или увеличения скорости нарастания выходного напря­жения, необходимо уменьшать постоянную времени уси­лителя в области верхних частот, что равносильно увели­чению верхней граничной частоты полосы пропускания.

Относительный спад вершины выходного импульса δ определяется как отношение изменения напряжения на выходе усилителя ΔU_выхза время действия входного им­пульса t_ик значению напряжения в установившемся ре­жиме U_mСИ, т. е.

Изменение напряжения на выходе за время t_и равное длительности входного импульса, можно определить на основании уравнения (5.29):

(5.31)

Выражение (5.31) показывает, что для уменьшения δ необходимо увеличивать τ_н по сравнению с t_н, т. е. необ­ходимо выполнять условие τ_н » t_н. Тогда, раскладывая в ряд Тэйлора и ограничиваясь первыми двумя членами, получаем

Из выражения (5.32) следует, что для уменьшения спада вершины выходного импульса необходимо умень­шить нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя, т. е., как это вытекает из формул (5.23) и (5.25), увеличивать емкость разделительного конденсатора.

КОРРЕКЦИЯ АЧХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для увеличения верхней граничной частоты, как это видно из выражения (5.21), необходимо уменьшать значения С и R. Однако возможности для уменьшения емко­сти С ограниченные, а уменьшение эквивалентного сопро­тивления R сопровождается, как это видно из (5.15), снижением коэффициента усиления.

Эффективность каскада резисторного усилителя при­нято оценивать его добротностью, или площадью усиле­ния, которая определяется следующим образом:

(5,33)

Выражение (5.33) показывает, что произведение верх­ней граничной частоты на коэффициент усиления усили­теля в области средних частот есть величина постоянная. Следовательно, в рассмотренных усилителях переменного напряжения увеличение f_B неизбежно сопровождается уменьшением К_ср.

Для увеличения f_B при неизменном значении К_ср не­обходимо увеличивать площадь усиления усилителя, т. е. площадь, заключенную под АЧХ в полосе пропускания. Это достигается применением активного элемента с боль­шей крутизной или введением в усилитель элементов, осуществляющих подъем АЧХ в области верхних частот, иначе говоря, высокочастотной коррекцией АЧХ. Эле­менты, которые ее обеспечивают, называются элементами высокочастотной коррекции.

Высокочастотная индуктивная коррекция.Наиболее распространенным видом высокочастотной коррекции является включение в цепь стока или коллектора тран­зистора дросселя с индуктивностью L (рис. 5.25, а). Экви­валентная схема усилителя для области верхних частот приведена на рис. 5.25, б. Согласно этой схеме, индуктив­ность L с емкостью С и сопротивлением R_с образуют па­раллельный колебательный контур.

Рис. 5.25. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы уси­лителя с индуктивной высокоча­стотной коррекцией

На резонансной частоте эквивалентное сопротивление контура R_экв будет больше, чем сопротивление резистора R_c,вследствие чего увеличивается сопротивление нагрузки по переменному току икоэффициент усиления. Если резонансную частоту контура выбрать в области верхних частот, то из-за уве­личения коэффициента усиления произойдет подъем АЧХ в этой области частот (кривая б на рис. 5.26) и увеличение f_в до значения f_в.кор.

Рис. 5.26. Вид АЧХ усилителя с коррекцией в области верхних частот

При оптимальной высокочастотной индуктивной коррекции увеличение ние f_в до значения f_в.кор по сравнению с f_в может достигнуть 1,7 раза.

Высокочастотная эмиттерная коррекция.В усилите­лях на БТ вследствие малого сопротивления R_н« доброт­ность параллельного колебательного контура оказывается низкой и увеличение f_вза счет индуктивной коррекции незначительное. Более эффективной в усилителях на БТ является высокочастотная эмиттерная коррекция, обра­зованная элементами R_кор и С_кор (рис. 5.27, а). Для пояс­нения принципа действия такой коррекции рассмотрим следующие случаи.

Рис. 5.27. Схема усилителя с высокочастотной эмиттерной коррекцией (а)

Если С_кор = ∞, то в усилителе на всех частотах ООС по переменному току отсутствует и АЧХ усилителя отобра­жается кривой 1 на рис. 5.27, б. При С_кор = 0 (т. е. когда конденсатор С_кор отсутствует) на резисторе R_кор создается последовательная ООС по переменному току, что приводит к уменьшению коэффициента усиления и некоторому уве­личению f_в до значения f_в.ooc (кривая 2). Для осуществле­ния высокочастотной коррекции емкость конденсатора С_кор выбирают такой, что на нижних и средних частотах ООС сохраняется, а на верхних уменьшается. Это при­водит к увеличению коэффициента усиления в области верхних частот (кривая 3)и увеличению f_в до значения

Низкочастотная коррекция.Для уменьшения спада вершины выходиого импульса, как было отмечено, необхо­димо уменьшать нижнюю граничную частоту усилителя. Это достигается с помощью низкочастотной коррекции АЧХ, которая заключается в увеличении коэффициента усиления в области нижних частот. Часто низкочастотная коррекция осуществляется с помощью RС-фильтра, вклю­чаемого в цепь стока или коллектора (элементы R_ф и С_ф на рис. 5.28).

Рис. 5.28. Схемы усилителей на полевом (а) и биполярном (б) тран­зисторах

с низкочастотной коррекцией АЧХ

Емкость конденсатора С_ф выбирают таким образом, чтобы он оказывал малое сопротивление переменному току на средних и верхних частотах. В таком случае на нижних частотах сопротивление цепи выходного электрода переменному току будет определяться выражением

(5.34)

и усилительный каскад можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 5.29, а.

Как видно из выражения (5.34), уменьшение частоты приводит к увеличению нагрузки по переменному току, что сопровождается увеличением коэффициента усиления и подъемом АЧХ в области нижних частот. Частота f_н при этом уменьшается до значения f_н.кор (рис. 5.29, б).

Рис. 5.29. Эквивалентная схема (а) и АЧХ (б) усилителя:

1 —без коррекции; 2—с низкочастотной коррекцией

Кроме осуществления низкочастотной коррекции, RС-фильтр выполняет и роль развязывающего фильтра, уменьшающего связь между каскадами но переменному току через общий источник питания.

ПОВТОРИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Повторителями напряжения называют элект­ронные усилители, у которых коэффициент усиления (пе­редачи) близок к единице, а полярность, или фаза, вы­ходного напряжения совпадает с полярностью, или фазой, входного напряжения.

В зависимости от типа используемого активного эле­мента различают потоковые (рис. 5.30, а) и эмиттерные (рис. 5.30, б) повторители напряжения. Выходные напря­жения и’_вых, создаваемые на резисторах R_н‘,полностью подаются во входную цепь в противофазе с входным на­пряжением.

Таким образом, в повторителях напряжения дейст­вует 100 % — ая последовательность ООС по напряжению и коэффициент усиления напряжения можно определить по формуле (4.5), положив β = 1. При этом коэффициент усиления (передачи) повторителя в области средних частот оказывается меньше

(5.35)

Рис. 5.30. Схемы потокового (а) и эмиттерного (б) повторителей на­пряжения

единицы, а в области верхних частот, с учетом выражения (5.17), определяется формулой

(5.36)

представляет собой постоянную времени повторителя на­пряжения в области верхних частот.

Так как f_п.в. = 1 /(2πτ_п.в.), то с учетом выражений (5.21) и (5.15) имеем

(5.37)

Выражение (5.37) показывает, что у повторителя на­пряжения верхняя граничная частота полосы пропуска­ния в (1 + SR) раз больше, чем у усилителя без ООС с такими же значениями элементов эквивалентной схемы.

У эмиттерных повторителей f_эп.в ограничивается ча­стотными свойствами БТ и не превышает значения 0,3 f_гр.

В области нижних частот

,

где τ_п.н — постоянная времени повторителя напряжения в области нижних частот, которая определяется выра­жением

,

где .

НЕБЫЛО 2-Х СТРАНИЦ.

(рис. 5.33, б). Модуль коэффициента усиления такого усилителя определяется выражением

.

Он снижается при уменьшении добротности Q контура. При уменьшении добротности контура увеличивается по­лоса пропускааия ∆F усилителя, т. е. снижается его из­бирательность. С целью увеличения добротности контура часто используется не полное, а частичное включение контура в коллекторную цепь (рис. 5.34, а).

Рис. 5.34. Схемы узкополосных избирательных усилителей

При работе усилителя на низкоомную нагрузку для уменьшения шун­тирования контура малым сопротивлением нагрузки вы­ходное напряжение снимают с части контура (через кон­денсатор С_р2 на рис. 5.34, а) или с дополнительной об­мотки L2, индуктивно связанной с основной L1 (рис. 5.34, б).

Экспериментальные исследования показывают, что наибольшую добротность контура (от 50 до 200, а с при­менением ферритовых сердечников и до 500) легче всего обеспечить в диапазоне частот от 50 кГц до 5 МГц. На частотах менее 50 кГц добротность контура уменьшается вследствие роста активного сопротивления катушки, ко­торое повышается с увеличением числа витков, а на ча­стотах более 5 МГц — вследствие возрастания потерь в конденсаторе и в паразитной емкости катушки.

На частотах менее 50 кГц лучшими избирательными свойствами обладают усилители, содержащие частотный RС-фильтр в цепи ОС. В качестве частотного RС-фильтра наибольшее распространение получил двойной Т-образный мост, схема и передаточная характеристика которого по­казаны иа рис. 1.24. На частоте f₀ = 1/(2πRС), которая называется частотой квазирезонанса, коэффициент пе­редачи двойного Т-образного моста (β = и_ос/и_вых оказы­вается равным нулю. Поэтому при включении его в цепь ООС усилителя (рис. 5.35) на квазирезонансной частоте

Рис. 5.35. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом

f₀ напряжение u_ос равно нулю, а коэффициент усиления имеет максимальное значение. При частотах, отличаю­щихся от f₀, в усилителе появляется напряжение ООС и_ос,что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Поэтому АЧХ избирательного усилителя с двойным Т-об­разным мостом подобна АЧХ резонансного усилителя.

🌟 Видео

2020 г. Дифференциальный усилитель, Обратная связь в усилителяхСкачать

Динамический диапазон, как измерить усиление ВЧ усилителя.Скачать