Бытовая приёмно-усилительная аппаратура Усилители электрических сигналов Глава

Бытовая приёмно-усилительная аппаратура Усилители электрических сигналов

Глава 1 Общие сведения об усилительных устройствах

Основные определения Устройство, предназначенное для увеличения мощности входных электрических колебаний с сохранением их формы и частоты, называется усилителем электрических сигналов (усилителем). Для своей работы усилитель использует энергию внешнего источника питания. Усиление сигналов осуществляется в усилителе при помощи усилительных элементов (УЭ) – особых устройств, обладающих управляющими свойствами.

Основные определения Управляющий источник энергии, сигналы которого необходимо усилить, называют источником сигнала. Цепь усилителя, в которую эти сигналы вводят, называют входной цепью, или входом усилителя. Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь усилителя, к которой подключают нагрузку, выходной цепью, или выходом усилителя. Источником входного сигнала может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.

Основные определения • Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемых сигналов, называют источником питания усилителя. Иногда усилитель имеет вспомогательные источники питания, энергия которых не преобразуется в усиливаемые сигналы, а используется для приведения УЭ в рабочее состояние (например, источник напряжения смещения, источник питания цепей накала электронных ламп и пр. ).

Классификация усилителей Классификацию усилителей осуществляют: • • по назначению; по характеру усиливаемых сигналов; по полосе усиливаемых частот; по типу используемых усилительных элементов.

Классификация усилителей • • • По назначению различают: усилители напряжения; усилители тока; усилители мощности. По характеру усиливаемых сигналов различают: усилители гармонических сигналов; усилители импульсных сигналов.

Классификация усилителей По полосе усиливаемых частот различают: • усилители постоянного тока (точнее, усилители медленно изменяющихся напряжений и токов), усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах f = 0 f. В, где f. В – верхняя граничная частота полосы усиления; • усилители переменного тока, усиливающие только переменные составляющие сигнала в полосе частот f = f. Н f. B, где f. Н – нижняя граничная частота полосы усиления.

Усилители переменного тока делят на: • усилители низкой частоты (УНЧ); • усилители высокой частоты (УВЧ); • избирательные (селективные) усилители; • широкополосные усилители.

По типу используемых усилительных элементов различают: • • • ламповые усилители; транзисторные усилители; параметрические усилители; молекулярные усилители; усилители, построенные на усилительных элементах других типов.

Основные показатели усилителя • • входные и выходные данные; коэффициент усиления; коэффициент полезного действия (КПД); частотные характеристики (амплитудночастотная и фазо-частотная); • переходная характеристика; • амплитудная характеристика и динамический диапазон; • нелинейные искажения.

Входные и выходные данные усилителя Входными данными усилителя являются: 1. Входное напряжение (UВХ); 2. Входной ток (IВХ); 3. Входная мощность сигнала (PВХ); 4. Входное сопротивление усилителя (ZВХ). К выходным данным относятся: 1. Выходная мощность сигнала (РВЫХ); 2. Выходное напряжение сигнала (UВЫХ) или выходной ток сигнала (IВЫХ); 3. Выходное сопротивление усилителя (ZВЫХ).

Коэффициенты усиления Различают следующие коэффициенты усиления: 1. По напряжению: 2. По току: КU = К= UВЫХ / UВХ ; КI = IВЫХ / IВХ. 3. По мощности: КР = РВЫХ / РВХ Для многокаскадного усилителя, содержащего n каскадов, К = К 1 К 2 К 3 ……. Кn К(дб) = 20 lg. K (раз) К (д. Б) = К 1 (д. Б) + К 2 (д. Б) + К 3 (д. Б) + ……. + Кn (д. Б)

Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Оценка частотных искажений Оценку частотных искажений, вносимых усилителем на любой частоте, производят с помощью коэффициента частотных искажений, обозначаемого через «М» и равного отношению коэффициента усиления усилителя на средней частоте к коэффициенту усиления на низшей (или высшей) частоте спектра усиливаемого сигнала: МН = КСР / КН МВ = КСР / КВ

Фазочастотная характеристика усилителя Фазовые характеристики и оценка фазовых искажений на частотах: а) нижних; б) верхних

Фазочастотная характеристика усилителя Идеальной фазовой характеристикой усилителя, при которой он не вносит фазовых искажений, является прямая, проходящая под любым углом через начало координат, так как при этом все гармонические составляющие сложного сигнала сдвигаются усилителем на одно и то же время, и форма выходного сигнала не отличается от формы входного.

Фазовые искажения в усилителях Возникновение искажений из-за изменения фазовых соотношений гармоник

Причины возникновения частотных искажений Искажения в линейных цепях возникают по следующим причинам: 1. Неодинаковый коэффициент передачи частотных составляющих, входящих в состав сложного электрического сигнала, при их прохождении через линейные электрические цепи; 2. Неодинаковый сдвиг по фазе между одноимёнными выходными и входными гармоническими составляющими сложного электрического сигнала вследствие зависимости инерционности реактивных элементов цепи от частоты гармоники. Внимание! При прохождении сложного электрического сигнала через линейную цепь новые гармонические составляющие на выходе этой цепи не появляются!

Причины возникновения частотных искажений Искажения в нелинейных цепях возникают по следующим причинам: 1. Нелинейность характеристик УЭ (транзисторов, электронных ламп и др. ) 2. Нелинейность характеристики намагничивания магнитных материалов сердечников трансформаторов и дросселей усилителя (если они присутствуют в схеме). Внимание! При прохождении сложного электрического сигнала через нелинейную цепь на выходе этой цепи появляются новые гармонические составляющие, которых не было в составе входного сигнала!

Нелинейные искажения в усилителе Возникновение нелинейных искажений: а) за счёт нелинейности входной характеристики УЭ; б) за счёт нелинейности выходной характеристики УЭ.

Нелинейные искажения в усилителе Оценка нелинейных искажений в усилителе производится по коэффициенту гармоник:

Амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усилителя Отношение UВХ. МАКС. / UВХ. МИН. характеризует диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данным усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя: ДУ = UВХ. МАКС. / UВХ. МИН. ДУ(Дб) = 20 lg. ДУ (раз)

Динамический диапазон сигнала Отношение наибольшего напряжения к наименьшему характеризует рабочий диапазон напряжений данного источника сигнала и называется динамическим диапазоном сигнала: ДС = UСИГН. МАКС. / UСИГН. МИН. ДС(Дб) = 20 lg. ДС (раз)

Глава 2 Принципы построения усилительных схем

Блок-схема усилителя

Схемы входных устройств б) а) в) а) для отделения постоянной составляющей; б) то же с регулятором усиления; в) для согласования сопротивлений и симметрирования.

Принцип усиления электрических сигналов

Графический анализ работы транзисторного усилителя

Схемы цепей питания и стабилизации Питание выходных цепей усилительных элементов от общего источника питания ЕК через развязывающие фильтры RФCФ

Подача смещения во входные цепи транзисторов б) а) в) Способы подачи смещения на базу транзистора: а) фиксированным током базы; б) фиксированным напряжением базы; в) с фиксированным током эмиттера.

Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах • в) б) а) в) Коллекторная стабилизация точки покоя при включении транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общим коллектором; в) с общей базой.

Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах а) б) в) Эмиттерная стабилизация точки покоя при включении транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общим коллектором; в) с общей базой.

Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах Комбинированная (коллекторно-эмиттерная) стабилизация точки покоя при включении транзистора с общим эмиттером.

Схемы межкаскадной связи а) б) Каскады с гальванической связью: а) с прямой связью; б) с потенциометрической связью

Резисторные каскады Резисторный каскад с эмиттерной стабилизацией

Трансформаторные каскады Трансформаторный каскад с эмиттерной стабилизацией и последовательной подачей смещения

Трансформаторные каскады Трансформаторный каскад с эмиттерной стабилизацией и параллельной подачей смещения

Дроссельные каскады Дроссельный каскад

Типы усилительных каскадов а) б) Симметрирование цепей: а) симметрирование входной цепи трансформатором; б) симметрирование выходной цепи трансформатором

Симметричные (двухтактные) каскады а) а) резисторный каскад с транзисторами в режиме А с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией

Симметричные (двухтактные) каскады б) б) трансформаторный с транзисторами в режиме В с общей базой и смещением фиксированным напряжением

Инверсные каскады Инверсный каскад с разделённой нагрузкой

Инверсные каскады Получение симметричных сигналов в каскаде с разделённой нагрузкой.

Режимы работы усилительных элементов Режимом А называют такой режим работы УЭ или усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течение всего периода сигнала и крайние положения рабочей точки не выходят за пределы рабочей, сравнительно прямолинейной части динамических характеристик.

Режим А Работа усилительного элемента в режиме А

Режим В Режимом В называют такой режим работы, при котором ток в выходной цепи усилителя существует в течение половины периода сигнала

Режим В а) б) Работа усилительного элемента в режиме В: а) идеальный режим работы; б) реальный режим работы

Усиление гармонических сигналов произвольной формы двухтактным каскадом в режиме В а) форма входного сигнала; б) ток выходной цепи первого плеча; в) ток выходной цепи второго плеча; г) ток в нагрузке

Режим С Режимом С называют режим работы, при котором ток в выходной цепи усилителя протекает в течение меньше половины периода сигнала. Точка покоя в режиме С располагается на горизонтальной оси левее точки пересечения спрямлённой (идеальной) характеристики с горизонтальной осью.

Работа усилительного элемента в режиме С

Режим D (ключевой режим) Режимом D, или ключевым режимом, называют такой режим работы УЭ, при котором он во время работы находится в двух состояниях: закрытом (и тогда текущий через него ток равен нулю) или открытом (и тогда падение напряжения на нём близко к нулю).

Способы включения усилительных элементов а) б) в) Способы включения биполярного транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общим коллектором; в) с общей базой.

Способы включения усилительных элементов б) а) в) Способы включения полевых транзисторов в схемах (с каналом р-типа): а) с общим истоком; б) с общим стоком; в) с общим затвором.

Усилитель на биполярном транзисторе а) б) в) Усилитель на биполярном транзисторе: а) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Усилитель на полевом транзисторе б) а) Усилитель на полевом транзисторе: а) с общим истоком; б) с общим стоком (истоковый повторитель)

Обратная связь в усилителях Глава 3

Схема обратной связи

Виды обратной связи б) а) в) а) однопетлевая; б) и в) – многопетлевая.

Классификация видов обратной связи Обратные связи (ОС) классифицируют по нескольким признакам: По виду ОС: положительная ОС; отрицательная ОС. По способу снятия сигнала ОС с выход усилителя: по напряжению; по току. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя: – параллельная; – последовательная

Виды обратной связи а) положительная ОС; б) отрицательная ОС

Способы снятия сигнала ОС Обратная связь по напряжению Обратная связь по току Комбинированная по выходу обратная связь

Способы подачи сигнала ОС Последовательная обратная связь Параллельная обратная связь Комбинированная по входу обратная связь

Влияние обратной связи на свойства усилителя При последовательной ООС входное сопротивление увеличивается

Влияние обратной связи на свойства усилителя При параллельной ООС входное сопротивление усилителя уменьшается

Влияние обратной связи на свойства усилителя При ООС по напряжению выходное сопротивление падает

Влияние обратной связи на свойства усилителя При ООС по току выходное сопротивление усилителя увеличивается

Вид отрицательной обратной связи Параметр Последовательная Параллельная По току По напряжению RВХ Увеличивается Уменьшается RВЫХ Увеличивается Уменьшается Коэф. усиления (К) Нелинейные искажения Частотные искажения Фазовые искажения

Вид отрицательной обратной связи

Усилительные каскады с обратной связью Каскад с последовательной ООС по току

Усилительные каскады с обратной связью Каскад с последовательной ООС по напряжению

Усилительные каскады с обратной связью Каскад с параллельной отрицательной обратной связью по току

Усилительные каскады с обратной связью Каскад с параллельной обратной связью по напряжению

Глава 4 Каскады предварительного усиления

Резисторные каскады Принципиальная схема резисторного каскада предварительного усиления

Резисторные каскады Эквивалентная схема резисторного каскада с общим эмиттером

Частотная характеристика резисторного каскада

Фазовая характеристика резисторного каскада

Трансформаторные каскады

Глава 5 Каскады мощного усиления

Каскады мощного усиления Однотактный резисторный каскад мощного усиления

Каскады мощного усиления Однотактный трансформаторный каскад мощного усиления

Каскады мощного усиления Двухтактный трансформаторный каскад мощного усиления с параллельным управлением.

Бестрансформаторные каскады мощного усиления Бестрансформаторный каскад мощного усиления с последовательным управлением

Бестрансформаторные двухтактные каскады с параллельным выходом

Бестрансформаторный двухтактный каскад с параллельными входом и выходом на комплементарных транзисторах

ГЛАВА 6 Широкополосные каскады

Широкополосные каскады Усилители, обеспечивающие усиление сигналов с очень широкими спектрами частот в своём составе, называются широкополосными усилителями (ШПУ). Иногда ШПУ называют видеоусилителями (ВУС) или импульсными усилителями. Сигналы, усиливаемые видеоусилителями, называются видеосигналами.

Площадь усиления широкополосного усилителя Площадь усиления – это произведение сквозного коэффициента усиления напряжения каскада в области средних частот на его верхнюю граничную частоту f. В. ГР : П = К*СР f. В. ГР К* – сквозной коэффициент усиления напряжения – отношение выходного напряжения каскада к ЭДС источника сигнала ЕИСТ: К* = UВЫХ. / ЕИСТ. Площадь усиления пропорциональна площади АЧХ

Коррекция видеоусилителей Для изменений частотной и фазовой характеристик ВУС используют цепи, включаемые в каскад и называемые корректирующими цепями. Основная идея корректирующих цепей заключается в том, чтобы величина нагрузки усилительного каскада изменялась с изменением частоты усиливаемого сигнала.

Низкочастотная коррекция Принцип низкочастотной коррекции с помощью цепочки Rнк и Снк

Низкочастотная коррекция Схема низкочастотной коррекции развязывающей и сглаживающей цепочкой RФ, CФ.

Частотные характеристики резистивного каскада на частотах 1 – без коррекции; 2 – с коррекцией цепочкой RФ, CФ; 3 – то же при уменьшении ёмкости конденсатора СФ

Высокочастотная коррекция Схема высокочастотной коррекции индуктивностью

Высокочастотная коррекция обратной связью Эмиттерная высокочастотная коррекция

Повторители напряжения а) б) а) эмиттерный; б) истоковый.

Усилители постоянного тока Глава 7

Усилители постоянного тока прямого усиления Усилитель постоянного тока с прямой связью

Усилители постоянного тока с потенциометрической связью Усилитель постоянного тока с потенциометрической связью

Дрейф нуля в усилителе постоянного тока

Балансные каскады Последовательный балансный каскад

Балансные каскады Параллельный балансный каскад

Усилители постоянного тока с преобразованием УПТ на несущей частоте

Дифференциальный усилитель Структурная схема дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель Принцип работы дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель Схема транзисторного дифференциального усилителя

Глава 8 Избирательные усилители

Колебательный контур Схема последовательного колебательного контура

Резонансная кривая колебательного контура

Добротность контура и его полоса пропускания Зависимость полосы пропускания резонансного колебательного контура от его добротности

Искажения в резонансных усилителях Возникновение нелинейных искажений в резонансном усилителе

Избирательные усилители Резонансный усилитель с трансформаторным выходом

Схемы резонансных усилителей на транзисторах а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с трансформаторной связью контура со следующим транзистором; г) с трансформаторной связью транзистора с контуром; д) с применением нейтрализации;

Изменение полосы пропускания при изменении числа каскадов

Полосовой усилитель с парой взаимно расстроенных контуров Резонансные характеристики: 1 - для первого каскада; 2 - для второго каскада; 3 - общая

Полосовой усилитель с тройкой взаимно расстроенных контуров Резонансные характеристики усилителя с тройкой взаимно расстроенных каскадов: 1 - для первого каскада; 2 - для второго каскада; 3 - для третьего каскада; 4 - общая.