Аналоговая электроника Усилители Усилитель такое устройство

Аналоговая электроника Усилители.

Усилитель – такое устройство, в котором энергия источника питания преобразуется в электрические колебания различной частоты, притом увеличенной в несколько раз по сравнению с поданной на вход.

Усилители классифицируются по основным признакам: 1. По назначению: ламповые, транзисторные, диодные. 2. По полосе увеличиваемых сигналов: усилители НЧ, усилители ВЧ, усилители промежуточной частоты, резонансные усилители. 3. По увеличиваемым сигналам: гармонически и импульсные

Структурная схема любого усилителя: АЭ – активный элемент (интегральная микросхема), ИС – источник сигнала, ИП – источник питания, ИУС – источник усиливаемого сигнала.

Усилители имеют свои параметры и характеристики, имеют входные и выходные данные. К входным относятся: ток, напряжение, мощность, входное сопротивление. К выходным относятся: напряжение, ток, мощность, коэффициент усиления по току, по напряжению, по мощности и коэффициент полезного действия.

Характеристики: 1. Амплитудно-частотная характеристика. Выражает зависимость коэффициента усиления от частоты.

2. Амплитудная характеристика. Выражает зависимость выходного напряжения от входного.

Сигнал при передаче через усилитель испытывает изменения – искажения. Они бывают : 1. частотные, 2. фазовые 3. нелинейные.

Частотные искажения ощущаются как неодинаковые усиления различных частот. Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений: М = Кср/К(нч, вч). Определяется отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на любой частоте.

Фазовые – не ощущаются. Нелинейные искажения вызываются нелинейностью ВАХ активных элементов. Оцениваются коэффициентом нелинейных искажений, который определяется отношением среднеквадратичной суммы токов или напряжений, которые появились в выходном сигнале, к напряжению или току основной частоты, т. е усиливаемой.

Обычно пользуются амплитудными значениями токов или напряжений.

Источник питания - Ек. Uвх – источник входного сигнала. Схема с общим эммитером инвертирует входной сигнал. Rэ – Cэ – цепочка, осуществляющая стабилизацию рабочей точки усилителя. R 1, R 2 – делитель напряжения цепи Ек. С резистора R 2 снимается напряжения смещения. Ср – разделительные конденсаторы, разделяют переменные и постоянные составляющие

Способы подачи напряжения смещения для схем с общим эммитером 1 С помощью делителя R 1 -R 2, который включен в цепь питания коллектора. Основная часть UЕк падает на R 1, а небольшая часть на R 2. Напряжение, которое снимается с R 2, называется напряжением смещения. R 1 = (Ек – Uбо)/(Iдел + Iбо) Iдел = (3÷ 5)Iбо Ток делителя выбирается (3÷ 5)Iбо. Входное сопротивление: (мк. Ф)

2 Напряжение Ек падает на R 1 и только небольшая часть падает на участок база-эмиттер. Эта часть и является напряжением смещения. Uбэо, Iбо – напряжение и ток рабочей точки.

Схемы стабилизации рабочей точки. Схема коллекторной стабилизации.

Схема эмиттерной стабилизации

Эмиттерно-коллекторная стабилизация.

Обратные связи в усилителях Uoc – напряжение обратной связи. Часть выходного напряжения поступает на вход усилителя и изменяет его коэффициент усиления. Напряжение обратной связи подаётся по цепи обратной связи. Обратную связь характеризует коэффициент обратной связи (β). Β показывает, какая часть выходного напряжения попадает на вход

Минус в знаменателе ставится тогда, когда Uвх и Uос совпадают по фазе. Плюс – тогда, когда фазовый сдвиг составляет 180 о. Обратная связь может быть положительной (ПОС), когда Kuoc > Ku (Коэффициент усиления без обратной связи); и отрицательной (ООС), когда Kuoc < Ku. ПОС вызывает увеличение подводимого ко входу напряжения. Наиболее часто используется ООС. Она уменьшает Кu, это приводит к уменьшению частотных и нелинейных искажений и стабилизирует характеристики усилителя. При ПОС увеличивается Кu каскада, но это приводит к снижению стабильности работы усилителя и при некоторой величине ПОС усилитель превращается в генератор электрических колебаний.

Рассмотрим схемы усилителей с ОС. 1. Усилитель с ОС по переменному току.

Усилитель с обратной связью по переменному напряжению. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Схема не усиливает по напряжению, а усиливает только по току P = UI

Резонансный (избирательный) усилитель.

Усилители мощности Данные усилители являются окончательными и выходами многих РЭУ. Основными параметрами усилителей мощности являются: - выходная мощность; - коэффициент нелинейных искажений; - коэффициент полезного действия. Усилители мощности могут работать в трех основных режимах работы: А, В, С.

Входная ВАХ -потребляемая мощность рабочей точки При амплитуде тока IK меньшей напряжение t следовательно КПД не более 25%.

Усилители мощности подразделяются на однотактные и двухтактные. ЕК Т R 1 UВХ RH UВЫХ СР 1 R 2 RЭ СЭ Однотактные усилители мощности обычно работают в режиме А и используются в предварительных каскадах. Для того, чтобы повысить КПД их строят на трансформаторной схеме: Нагрузка по переменному току образуется приведенным сопротивлением: , где n-коэффициент трансформации КПД этого усилителя мощности может доходить до 50%, если напряжение и .

Двухтактные усилители мощности Iб 1 t Т T VT 1 +ЕК ~UВ Iб 2 t RH ~UВЫХ Х VT 2 IК 1 IК 2 IК 1+ IК 2 t t t

Безтрансформаторный двухтактный усилитель мощности UВХ +ЕК R 1 СР R 2 t VT 2 VD UВХ СР UВЫХ IЭ 1 VT 3 VT 1 С RН t IЭ 2 RЭ СЭ t IЭ 1 +IЭ 2 t

Схема с разделенной нагрузкой +ЕК R 1 RК СР UВЫХ 1 СР 1 VT UВХ СР UВЫХ 2 RЭ

Усилители в интегральном исполнении Реализует эти усилители на интегральных микросхемах с помощью интегральной технологии, по которой усилители изготавливаются в едином технологическом процессе и на полупроводниковом материале (кремний). За счет особенностей интегральной техники получается хорошая повторяемость микросхем. Строят интегральные усилители по типу усилителей постоянного тока, т. е. с непосредственными связями.

Двухкаскадный усилитель постоянного тока.

Дифференциальный усилитель (ДУ). Дифференциальный усилитель усиливает только разность сигналов, поданных на вход, т. е. дифференциальный сигнал.

По интегральной технологии также реализуются УМ – на двухтактной схеме и на комплементарной паре.

Структурная схема интегрального усилителя. На электрической принципиальной схеме интегральный усилитель обозначают так:

Схемы коррекции АЧХ в усилителях

Параметры ИМС: - этот коэффициент может доходить до нескольких миллионов . 2. Входное сопротивление для дифференциального сигнала. может доходить до сотен МОм 3. Входное сопротивление синфазного сигнала Rвх. синф > 100 МОм 4. Входное напряжение смещения нуля. Это такое напряжение, которое необходимо приложить между входами ИМС, чтобы напряжение на выходе стало равно 0, при отсутствии входных сигналов. 5. Выходное сопротивление Rвых. = 100÷ 500 Ом 6. Частота единичного усилителя fт = 1÷ 10 МГц. Такая частота, на которой ИМС имеет коэффициент усиления, равный 1. 7. Частота среза. Такая частота, на которой Ку = 0, 7(√ 2) от коэффициента усиления постоянного напряжения составляет сотни килогерц ( при наличии обратной связи).

Операционные усилители ОУ могут выполнять различные математические операции над сигналами: алгебраическое сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и т. д. Кроме этого ОУ могут выступать в качестве усилителей, генераторов, фильтров, компараторов и т. д. Существует 3 типа ОУ. Различаются они следующим образом, в зависимости от того на какой из входов подается сигнал: а) инвертирующий (ИОУ) б) не инвертирующий (НОУ) в) дифференциальный (ДОУ). Все три типа ОУ имеют общую особенность, т. е. наличие отрицательной обратной связи с выхода на инвертирующий вход. Особенность: равенство нулю напряжение между входами. Для анализа и синтеза, ОУ принято считать идеальной ИМС:

Инвертирующий (ИОУ) - коэффициент обратной связи - коэффициент усиления инвертирующего ОУ

Преобразуем схему в инвертирующий сумматор: R 1 = R 2 = R 0

Не инвертирующий (НОУ) Преобразовав эту схему, получаем не инвертирующий повторитель.

Дифференциальный операционный усилитель R 0 UВХ 1 R 1 ►∞ – Uвых R 2 UВХ 2 + + – RН R 3 R 1 UВХ 2 R 2 ►∞ – Uвых С 1 + + – R 3 С 2 R 4 RН