Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.12

Здесь r

, r

- объемные сопротивления стока и истока (достаточно небольшие), i

- источник тока,

управляемый напряжением u

ЗИ

. Для области отсечки ток источник равен нулю; для линейной

(омической) области при 0 < u

СИ

< ( U

ЗИ, ОТС

– u

ЗИ

) ток управляемого источника может быть

аппроксимирован уравнением второго порядка:

здесь



- удельная крутизна сток - затворной характеристики. Линия начала насыщения при

СИ

> ( U

ЗИ ОТС

– u

ЗИ

) определяется квадратичным уравнением

Динамическая крутизна определяется как

б) Упрощенная линейная модель.

Если рабочая точка выбрана на линейном участке сток - затворной характеристики и мгновенные

значения токов и напряжений не выходят за пределы этого линейного участка, то можно использовать

упрощенную модель в виде управляемого источника тока, управляемого напряжением, с постоянными

параметрами. Учитывая, что входной ток транзистора с общим истоком равен нулю, модель обычно

представляют только для выходной цепи. Такая модели показана на рис.4.13.

Рис. 4.13

Выходное напряжение транзистора равно

u

СИ

= - SR

U

ЗИ

= -µu

ЗИ

При подключении нагрузки R

к транзистору, выходное напряжение определяется не внутренним

сопротивлением транзистора, а параллельным соединением R

вых

= R

|| R

. Таким образом, коэффициент

передачи нагруженного транзистора с ОИ равен

Типовые значения основных параметров современных транзисторов при работе в усилительном режиме

следующие: S = 0,3...3 мА/В, R

составляет несколько мегом.

Транзисторы с управляющим p–n – переходом обладают наиболее низким среди полупроводниковых

приборов уровнем шума в диапазоне частот от долей герц до сотен мегагерц, их входное сопротивление

составляет 10

... 10

Ом. Входное сопротивление транзисторов с изолированным затвором еще выше и

составляет 10

...10

Ом.

Классификация полевых транзисторов такая же, как и у биполярных транзисторов. Второй элемент

буквенно-цифрового кода имеет букву П.

5. Усилители

История

1904 г. Ли де Форрест на основе созданной электронной лампы - триода разработал устройство

усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и

статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.

1932 г. Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без

самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

1942 г. В США построен первый операционный усилитель - усилитель постоянного тока с

симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом

усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса

усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения

математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название -

решающий.

Усилитель – электронное устройство, в котором маломощный входной сигнал управляет передачей

энергии от источника питания в полезную нагрузку.

В общем случае усилитель рассматривают как четырѐхполюсник.

5.1 Классификация и типы усилителей.

1. по условию работы усилителя на входе:

 усилители напряжения;

 усилители тока.

Эта классификация связана с соотношением между R

и R

вх

. Если R

вх

>>R

, то

усилитель – усилитель напряжения.

гвх

вх

гвх

EU 





Если R

вх

<<R

, то усилитель – усилитель тока:

вхгвх

вх

RIR

U 

Один и тот же усилитель для разных источников входного сигнала может

работать в режиме усилителя напряжения или тока. Если R

вх

R

, то получаем

усилитель, согласованный по мощности с источником входного сигнала.

2. по условию работы усилителя на выходе:

 усилитель с потенциальным выходом;

 усилитель с токовым выходом.

Эта классификация связана с соотношением между R

вх

и R

. Если R

вых

<<R

, то

вых

E

и усилитель является усилителем с потенциальным выходом.

Если же R

вых

>>R

, то















вых

хх

выхнвыхвых

IRIU

и усилитель

является усилителем с токовым выходом.

Если R

вых

R

, то усилитель – усилитель мощности.

3. по структуре различают:

 однокаскадные усилители;

 многокаскадные усилители.

В многокаскадных усилителях первый каскад называется входным, предпоследний

– предоконечным, последний – конечным.

4. по частоте усиливаемого сигнала:

 УПТ – усилитель постоянного тока (f

→0, f

=10

-10

Гц) - усилитель медленно

меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна

нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

 УЗЧ – усилитель звуковых частот (f

≈15 Гц, f

≈ 20

кГц) - Усилитель низкой частоты

(УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в

области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до

200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения,

а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

 УНЧ – усилитель низких частот (f

≈5 Гц, f

≈ 100

Гц)

 УВЧ – усилитель высоких частот (f

≈сотни Гц, f

≈ сотни

МГц) - усилитель сигналов на

частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприѐмных и

радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания,

радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и

автоматике

 Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока

или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется

настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при

нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная

передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую

полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц —

нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от

нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя

восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители

должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Применяются в

импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной

техники

5. по полосе частот

 Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое

усиление в широком диапазоне частот

 Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте

спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе

частот

 Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в

узком диапазоне частот и минимален за его пределами

6. Виды усилителей по типу нагрузки

 с резистивной

 с емкостной

 с индуктивной

 с резонансной

7. Специальные виды усилителей

 Дифференциальный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого

пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило,

симметричный выход.

 Операционный усилитель — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими

коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и

несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для

работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.

 Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в

заданное число раз с высокой точностью

 Логарифмический усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно

пропорционален логарифму входного сигнала

 Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно

пропорционален квадрату входного сигнала

 Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален

интегралу от входного сигнала

 Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на

180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)

 Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для

формирования двух противофазных напряжений

 Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для

снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый

сигнал

8. Некоторые функциональные виды усилителей

 Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для

усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного

усилителя

 Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при

определѐнной внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до

заданного значения

 Резонансный усилитель — усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в

полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой

 Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления

видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Применяется

преимущественно в видео- и телевизионной технике и в радиолокации

 Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую

магнитную головку

 Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот,

поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и

регулировать

 Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) — усилитель сигналов промежуточной

частоты, поступающих с преобразователя частоты

 Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для

изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала,

например, даѐт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости,

контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для

усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных

пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.

Диапазоны частот в радиотехнике.

Использование диапазонов по радиослужбам регламентируется Регламентом радиосвязи

Украины и международными соглашениями.

ГОСТ 24375 дает следующую обобщенную разбивку радиочастотного диапазона, основанную

на международных стандартах:

Очень низкие частоты — 3—30 кГц, соответствует сверхдлинным волнам

Низкие частоты — 30—300 кГц, соответствует длинным волнам

Средние частоты — 300—3000 кГц, соответствует средним волнам

Высокие частоты — 3—30 МГц, соответствует коротким волнам

Очень высокие частоты — 30—300 МГц, соответствует ультракоротким (или метровым волнам)

Ультравысокие частоты — 300—3000 МГц, соответствует дециметровым волнам

Сверхвысокие частоты — 3—30 ГГц, соответствует сантиметровым волнам

Крайне высокие частоты — 30—300 ГГц, соответствует миллиметровым волнам

Гипервысокие частоты — 300—3000 ГГц, соответствует субмиллиметровым волнам

Следует заметить, что вышеприведенная классификация не получила широкого распространения и в

ряде случаев вступает в противоречие с национальными стандартами (ГОСТ) в области

радиоэлектроники. На практике под низкочастотным диапазоном подразумевается звуковой

диапазон, а под высокочастотным — весь радиодиапазон, выше 30 кГц, в том числе

сверхвысокочастотный (свыше 300 МГц).

Традиционные обозначения частотных диапазонов на Западе сложились в ходе Второй мировой

войны. В настоящее время они закреплены в США стандартом IEEE, а также международным

стандартом ITU.

5.2 Основные характеристики усилителей.

1. Коэффициент передачи (коэффициент усиления):

 по напряжению















вх

вых

;

 по току















вх

вых

;

 по мощности















IUP

вх

вых

KKKили

Данные коэффициенты передачи выражаются в безотносительных единицах

или децибелах (dB).

вх

вых

дбP

вх

вых

дбI

вх

вых

дбU

lg10K;

lg20K;

lg20K 

2. Динамический диапазон:

minвх

maxвх

D 

где U

вх min

ограничивается сигналом, который может быть распознан на

уровне собственных шумов усилителя.

вх max

ограничивается насыщением транзистора.

Динамический диапазон может быть выражен в децибелах:

minвх

maxвх

дб

lg20D 

3. КПД усилителя:

общ

ус



4. Амплитудная характеристика (АХ):

Амплитудная характеристика – зависимость выходного сигнала от входного (по

амплитуде).

Типичная АХ представлена на рисунке:

5. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ):

АЧХ – зависимость коэффициента передачи по напряжению усилителя от частоты.

)(j

e)(K)(KeKK







где K

() – АЧХ усилителя;



() – ФЧХ усилителя.

вн0



В зависимости от соотношений между 

и 

различают узкополосные

(избирательные) и широкополосные усилители.

АЧХ избирательного усилителя имеет вид:

6. Фазочастотная характеристика (ФЧХ):

Искажения связанные с искажением частоты и нелинейности ВАХ сведены в два

параметра:

 коэффициент нелинейных искажений ;

 коэффициент частотных искажений M().

Коэффициент частотных искажений M() показывает влияние частоты входного сигнала

на изменение коэффициента передачи усилителя по напряжение.

)(K

)(M





где K

– коэффициент передачи усилителя в области средних звуковых частот;

() – коэффициент передачи в других областях.

При 0<<

(т.е. в области низких звуковых частот):

Uн

)(K

)(M





При >

(т.е. в области высоких звуковых частот):

Uв

)(K

)(M





Коэффициенты M

и M

могут быть как больше, так и меньше единицы.

Влияние нелинейности входной и выходной ВАХ оценивается коэффициентом

нелинейных искажений. Он зависит от положения рабочей точки, от типа транзистора, способа

его включения и от величины входного сигнала.

 показывает насколько искажена синусоидальная форма сигнала.

%100









Для входных и промежуточных каскадов 

В усилителях мощности класса A: 13%; класса B: 110%, класса AB: 15%.

На форму выходного сигнала кроме нелинейности ВАХ транзистора влияют и фазовые

искажения, т.е. учитывает  не только нелинейность ВАХ, но и нелинейность ФЧХ.

7. Переходная характеристика:

Переходные характеристики показывают влияние скачка входного сигнала

на процессы, происходящие на выходе усилителя.

8. Годограф амплитудно-фазовой характеристики:

Данная характеристика применяется для анализа устойчивости по критерию Михайлова-

Найквиста.

5.3 Работа усилительного элемента в схеме

Практические схемы каскадов отличаются большим разнообразием, однако структура усилительного каскада

и принцип его действия могут считаться одинаковыми.

Рисунок 1.12 - Структура усилительного каскада

На рис.1.12а изображен усилительный элемент (УЭ) , включенный в цепь источника питания Еп

последовательно с сопротивлением R. УЭ управляется входным сигналом, причем увеличение входного

сигнала снижает сопротивление УЭ и наоборот.

Если принять зависимость между входным управляющим напряжением и током через УЭ за линейную,

выходное напряжение может быть найдено из уравнения: