Загрузка...

Усилители. Многокаскадные усилители.


Усилители – это электронные устр-ва, предназнач. для увеличения амплитуды напряжения, тока или мощности электрич. сигнала.
Усилители бывают: – постоянного тока – переменного тока– импульсных сигналов – гармонических сигналов – звуковой частоты – радиочастоты – и другие
Электрич. сигналом наз. изменяющееся по опред. з-ну напряжение или ток, отображающее заданную передаваемую инф-ию.
RИС – ист. сигнала

Коэф-ом усиления по напряжению наз. отношение вых. напряжения к входному.
Коэф-ом усиления по мощности усилителя наз. отношение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку к мощности, рассеиваемой на его входном сопротивлении.

Сквозным коэф-ом усиления усилителя наз. отношение вых. напряжения усилителя к ЭДС ист-ка сигнала.

KU[лог] = 20lg KU [дБ]
KU[лог] = 20lg KI [дБ]
KU[лог] = 10lg KP [дБ]
KU[непер] = ln KU
KU[непер] = ln KI
KU[непер] = 1/2ln KP

Многокаскадные усилители.

Для получения макс. коэф-та усиления по напряжению необходимо использовать RH?? . Для получения макс. коэф-та усиления по току необходимо использовать RH?0.
Мощность, выделяемая на RH :

Искажение сигналов усилителя.
Отклонение формы вых. сигнала усилителя от формы входного наз. искажением.

Искажение формы вых. сигнала, вызываемое неодинак. усилением различ. частот наз. частотными искажениями.
Искажение формы сигнала, вызываемое фазовыми сдвигами, вносимыми усилителем, наз. фазовыми.
Искажение формы вых. сигнала, обусловленное нелинейностью элементов схемы усилителя наз. нелинейными искажениями.
Частотная хар-ка усилителя.

Коэф-т частотных искажений
–– коэф-т передачи, соотв. средней частоте.
Коэф-т частотных искажений есть ф-ия частоты
Коэф-т нелин. искажений
?1, ?2, … –– коэф-ты разложения в ряд Фурье вых. напряжения усилителя при подаче на вход усилителя синусоид. сигнала.
Коэф-т гармоник
могут измеряться в %. Для этого величины, определенные по написанным формулам домножаются на 100%.
Проходная хар-ка биполярного транзистора.

Для усиления на одиночном полевом транзисторе. KГ =0 при А2 ?0 Для уменьшения коэффициента гармоник необходимо уменьшать амплитуду входного сигнала усилителя.

Амплитудная хар-ка усилителя.
Это зав-ть вых. напряжения от входного.

Шумы
Различ. след. осн. виды шумов в усилителях:
1) наводки
2) фон
3) микрофонный эффект
4) тепловые шумы
5) шумы непроволочных резисторов
6) шумы усилительных элементов
Наводками наз-т напр-е выходной цепи, появляющееся от воздействия на усилитель и его цепи посторонних источников сигнала – двигателей, передатчиков и т.д.
Фоном наз-т перидическое напряжение вых-й цепи с частотами, кратными частоте переменного тока, питающего усилитель.
Тепловые (термические) шумы –– это непериодич. беспорядочно изменяющееся напряжение, возникающ. на концах любого проводника, цепи вследствие беспорядочного теплового движения в них электронов.

Формула Найквиста:

k –– постоянная Больцмана
Т –– абс. темп-ра
R –– сопрот-ие проводника
?F –– интервал частот, в которых производ. измерения.
Непроволочные резисторы создают шумовое напряжение, пропорц. протекающему через них току. Наиб. шумы созд. композиционные углеродистые резисторы, наименьшие –– металлопленочные.
В проволочных резисторах эти шумы отсутствуют.
Коэф-т шума показ., во ск-ко уменьш. доля сигнала на выходе по сравнению с долей сигнала на входе.

Обратная связь.
Обратной связью наз-т связь м/у цепями усилителя посредством которой усиливаемый сигнал передается в направлении, обратном нормальному, т.е. с выхода усилителя на его вход.

1. однопетлевая обратная связь 2. многопетлевая обратная связь

Способы снятия и введения обратной связи.

Обратная связь наз-ся положительной, если ее напряжение нах-ся в фазе с напр-м сигнала и отрицательной, если ее напряжение нах-ся в противофазе с напр-м сигнала.
При ОС наз-т комплексной. ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя, если отрицательна и увеличивает, если положительна.
ОС по току увеличивает входное сопротивление, если отриц-я и уменьшает, если положительна.
Последовательная ОС увеличивает входное сопротивление усилителя, если отриц-на и уменшает, если положительна.
Параллельная ОС уменьшает входное сопротивление, если отриц-на и увеличивает, если положительна.

Влияние ОС на коэффициент усиления усилителя.

ООС уменьшает нестабильность усилителя , вызванную изменениями температуры , влажности окр. среды, старением элемент-ов схемы и т.п..

ПОС явл. нежелательной, когда хотим получить стабильную работу схемы усилителя. Нестабильность в самой цепи ООС не устраняется ОС, и такую цепь надо делать высокостабильной.
?<1

Св-ва 100% параллельной ОС по току

Св-ва 100% последовательной ОС по напряжению

Схемы с общим коллектором и с общей базой как схемы с ООС

Схема с ОК (эммитерный повторитель) — схема с ОЭ, в которой введена 100% послед. ОС по напряжению.

Схема с ОК – (эммитерный повторитель) – это схеме с общим эммитером, в который введена послед-я 100% -я ООС по напряжению.

В случае, если источник питания имеет нулевое сопротивление, то выходное сопротивление схемы с ОК опред. по формуле: ;
В сравнении со схемой с ОЭ, схема с ОК характеризуется повышенным входным сопротивлением, пониженным выходным сопротивлением и близким к 1 коэффициентом усиления по напряжению.
; в схеме с ОЭ ; ; ;

Схема с ОБ — это схема с ОЭ, в которой введена 100% параллельная ООС по току.
В сравнении со схемой с ОЭ, схема с ОБ имеет пониженное входное сопротивление, поэтому коэф. усиления по току в этой схеме с ОБ = 1, т.е. эту схему наз. повторителем тока.
Схему с ОК называют повторителем напряжения.

Усилительные каскады на транзисторах
Схемы с общим эммитером

0,15 mA – оптимальный ток маломощного тр-ра с т. зр. Уровня шумов на выходе усилительного каскада. Для Ge – 0,5 mA.

— потоянный ток;
Если к выходу усилительного каскада ничего не подключено, сопротивлением нагрузки Rн явл. R3. Если к выходу усилителя подключить нагрузку R* , то

Максимальная амплитуда = E/2
Чем меньше UКЭ, тем больше усиление этого каскада.

Пост., напряжение выбирают на коллекторе VT1. Его выбирают равным ? напряжения питания

Ток коллектора транзистора усилительного каскада выбирают либо исходя из соображений минимизации шумов усилительного каскада.(в этом случае он должен быть 1.5 мА для Si и 0.5 мА для Ge). Либо из соображений обеспечения требуемой мощности отдаваемой усилительным каскадом, либо из соображений обеспечения требуемой амплитуды напряжения на нагрузке.

Запас по максимальному напряжению Uкэ , max рассеиваемой мощности, и max напряжению должен быть не менее 2-х раз. В исключительных случаях допускается равенство одного из параметров его предельному значению. Равенство одновременно нескольких параметров недопустимо.

Расчет по переменному току.
Эквивалентная схема

Эквивалентная схема усилительного каскада для расчета ЧХ усилительного каскада в области нижних частот.
Завал частот в обл. нижних частот обусловлен емкостями C1 C2
Завал в области верхних частот обусловлен емкостями Б-К перехода и Б-Э перехода.

Упрощенная эквивалентная схема.

Это выражение для частотной характеристики в области нижних частот.
Нормированная передаточная функция усилителя в области нижних частот имеет вид:

Один из возможных вариантов решения

(данная формула справедлива только для рассматриваемой схемы)

далее найденный результат следует округлить по таблице.
расчет по переменному току закончен.

Расчет схемы по верхним частотам.
Так как схема с ОЭ является инвертирующей(при возрастании напряжения на БЭ растёт базовый ток , растёт коллекторный ток , значит падает напряжение на КЭ) , мы можем записать

Т.е. повышение приводит к понижению , и наоборот

Полученное равенство называется теоремой Миллера. Она справедлива как для ламп так и для транзисторов . В связи с полученной теоремой мы преобразуем схему :

Эквивалентная схема входной цепи по высоким частотам (оставили только те элементы , которые влияют , на работу)

Для расширения полосы пропускания усилительного каскада (увеличения максимальной частоты )
Можно:
1)Использовать более высокочастотный транзистор.
2)Уменьшить коэффициент усиления транзисторного каскада путём уменьшения сопротивления нагрузки
3) Ввести местную ООС
4)Уменьшить крутизну транзистора за счёт уменьшения тока эммитера

Методы подачи смещения в усилительных каскадах.

Схема усилительного каскада с ООС по постоянному току

При изменении температуры возрастает коэффициент передачи тока, возрастает ток коллектора и сл-но уменьшается напряжение на КЭ, уменьшается напряжение на резисторе R1 и сл-но уменьшается ток базы и ток коллектора.

Достоинства: Увеличение стабильности, относительная простота
Недостатки: Уменьшение входного сопротивления
Влияние обратной связи через R1 ,приводящее к снижению входного сопротивления устраняется в следующей схеме:

Причём все детали выбираются таким образом
R1=R3, R2=R4
И если VT1=VT2, то токи коллекторов и баз этих транзисторов одинаковы .
Ещё одна схема с устранением обратной связи:

Принцип устранения ООС по току в этой схеме заключается в шунтировании переменной составляющей напряжения смещения конденсатором.

Схема усилительного каскада со взвешенным источником сигнала.

Здесь устранено влияние ООС по току с помощью конденсатора, замыкающего переменную составляющую смещения на землю. Недостаток этой схемы заключается в том что источник сигнала не соединён с одним из питающих проводов
Схема стандартного усилительного каскада.

Эта схема обладает наилучшими параметрами и высокой стабильностью
R1, R2-это делитель смещения
R4 — резистор ООС по постоянному току.
C3-блокировочный конденсатор, шунтирующий R4 по переменному току и устраняющий ОС по переменному току.
При возрастании коэффициента передачи тока транзистора возрастает его коллекторный ток ,значит возрастает ток эмиттера и напряжение на R4 значит напряжение на БЭ падает и падает базовый ток и сл-но падает эмиттерный ток .
Расчёт производиться по следующим формулам:
1. UR4=2В
2. Ik=…(Задаёмся нужным значением)
3. Iб=IK/h21Э
4. IR2=3…4Iб
5. UR2=UR4+0.6
6. R2=UR2/IR2
7. IR1=IR2+Iб
8. UR1=EП-UR2
9. R1=UR1/IR1
10.UR3= (EП-UR4)/2
Для расчёта по переменному току производится перерасчёт включенных в цепь эмиттера R4 и C3 в базовую цепь. Для этого величину R4 умножают на (h21э+1) ,а величину С3 делят на (h21э+1).В результате будет схема:

Как показывает практический расчёт величины R1,R2 ,R4(h21э+1) оказываются намного больше входного сопротивления транзистора h11э и реактивных сопротивлений ёмкостей С1 и С3/(h21э+1) .
В связи с этим сопротивлениями R1,R2 ,R4(h21э+1) можно принебречь. При этом эквивалентная схема принимает следующий вид:

Пусть С1 = С3 /(h21э+1) . В результате от исходной эквивалентной схемы входной цепи усилительного каскада переходим к простейшей R-C цепи.

Тогда постоянная времени данной RC цепи определяется по формуле:

?вх=С1*h11Э/2 ; ?вых=С2*R3*RH/(R3+RH)
Выражение для нормированного коэффициента передачи усил-го каскада имеет вид:

Решая эти уравнения, найдём С1 и С2

Решая это уравнение находим круговую частоту среза усил-го каскада, а затем обычную частоту по формуле: . Либо решая ур-е отн-но по ф-ле: находим емкость конденсатора C1 и по ф-ле находим емкость конденсатора C2. Емкость конднсатора C3 нах-м по ф-ле:
Верхняя частота среза данного усилительного каскада расчитывается аналогично тому, как это было сделано для ранее рассмотренного усилительного каскада с однорезисторным смещением.

Где Ri –внутреннее сопротивление источника сигнала для повторителя .

Схема эмиторного повторителя с упрощенной цепью смещения.

Термостобильность данной схемы ниже чем в схеме с общим колектором, из-за более высокого сопротивления цепи смещения постоянного тока.

Схема с общим коллектором.

Данная схема обеспечивает наибольшее входное сопротивление из рассмотренных схем с общим эмитором.
В приведенной схеме осуществляется компенсация шунтирующего действия делителя R1,R2 за счет введения дополнительной цепочки R3,C2.

Ku – коэффициент передачи эмиторного повторителя по напряжению.
Схемы с общей базой.

Входное сопротивление усилительного каскада по схеме с общей базой приблизительно в h21э раз меньше входного сопротивления усилительного каскада с общим эмитором, коэффициент усиления по напряжению почти такой же. Коэффициент передачи (усиления) по току ?1, в связи, с чем эту схему называют повторителем тока.

более упрощенная схема с общей базой. Параметры практически те же только из-за отсутствия одного резистора её устойчивость разным факторам ниже.
Схемы с общим стоком (стоковые повторители).

Rвх. – очень велико.

Ku-коэффициент передачи по напряжению.

Схемы с общем затвором.

Схема с общим истоком.
C1,R1 –это разделительная цепь, разделяет постоянное и переменное напряжение. C3 – служит для устранения О.О.С. по переменному току. R3 – обеспечивает О.О.С. по переменному току.

Дроссельный усилительный каскад.

Зависимость напряжения на выходе дроссельного усилительного каскада от времени.
Дроссельный усилительный каскад обеспечивает полученное вдвое большее значение амплитуды выходного напряжения. А также больший коэффициент усиления.

(при достаточно большой L )
Виды межкаскадной связи.

Различают три вида межкаскадных связей в усилителях: емкостная, трансформаторная, гальваническая. 1) ёмкостная связь:
Наличие конечного (не нулевого питания) может приводить к возникновению обратной положительной связи по питанию, которая в свою очередь может привести к самовозбуждению усилителя на НЧ.
Для устранения данной П.О.С. применяют развязывающие фильтры. Включение развязывающих фильтров может быть последовательным или параллельным.
Последовательное включение развязных фильтров.

Параллельное включение развязных фильтров.

При использовании последовательно включенных развязных фильтров достигается лучшее подавление положительной обратной связи по питанию в сравнении с параллельным включением развязных фильтров. Однако параллельное включение развязных фильтров обеспечивает более высокое напряжение питания усилителя каскадов, что важно при использовании низко вольтовом источнике питания.
Трансформаторная связь между каскадами.

n- оптимальный коэффициент трансформации.
Преимущество усилительного трансформаторного каскада состоит в возможности обеспечения оптимального согласования его выходного сопротивления с входным сопротивлением последовательного каскада. Оптимальное согласование обеспечивает max коэффициент усиления. Но высокая стоимость трансформаторов ограничивает применение трансформаторных схем согласования.
Схемы с гальванической связью.

VT1,VT2 –элементы микросборки (т.е. имеют одинаковые параметры). R1=R3 . Рассмотренная схема удобна для использования в устройствах с низко-вольтовым питанием. В связи с тем, что напряжение коллектор-эмиттер обоих транзисторов могут быть выбраны достаточно низкими: 0,7 – 1 В. При этом сопротивления резисторов коллекторной нагрузки R2 и R4 при заданных токах коллектора имеют max величину, следовательно max является коэффициент усиления по напряжению(т.е. он пропорционален R нагрузки транзистора).

C2 – выбирается достаточно большой емкости, обеспечивая тем самым равенство 0 переменного напряжения на резисторе R4; в результате обратная связь через резистор R2 действует только по постоянному току, стабилизируя положение рабочих точек обоих усилительных каскадов.
Каскодный усилитель.
Каскодным усилителем называется двухкаскадный усилитель на двух транзисторах, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (общим истоком), а второй по схеме с общей базой (общим затвором).

Пусть IkVT1= IkVT2 , тогда из этого следует, что SVT1=SVT2.
Cвх=СбэVT1+CкэVT1(KUVT1+1)= СбэVT1+2 CкэVT1
Коэф-т усиления по напряжению каскодного усилителя равен коэф-ту усиления обычного однотранзисторного усилительного каскада, выполненного по схеме с общим эмиттером.
Верхняя частота среза каскодного усилителя существенно выше верхней частоты среза усилительного каскада с общим эмиттером в связи с тем, что низкий коэф-т усиления по напряжению 1-го каскада каскодного усилителя обеспечивает низкую эквивалентную ёмкость транзистора.
Схема усилительного каскада с гальванической связью.

Использование гальванической связи при построении каскодного усилителя позволяет уменьшить количество используемых в нём деталей, а также примерно вдвое уменьшить потребляемый ток за счёт последовательного включения транзисторов по питанию.
Каскодный усилитель на полевых транзисторах.

Многокаскадные усилители.
Для построения многокаскадных усилителей наиболее удобна гальваническая связь между каскадами, поскольку она позволяет свести к минимуму количество элементов схемы, а также обеспечить равномерность АЧХ в области нижних частот.

Использование нарисованных пунктиром резисторов не является необходимым с точки зрения работоспособности схемы. Однако их использование позволяет увеличить коллекторные токи транзисторов, а следовательно крутизну транзисторов и коэф-т усиления схемы по напряжению.

Режимы работы усилительных элементов.
Режимом класса А называется такой режим работы усилительного элемента, при котором ток выходной цепи существует в течение всего периода сигнала.

Режимом класса В называется такой режим работы усилительного элемента, при котором ток выходной цепи существует в течение примерно половины периода сигнала.

Углом отсечки называется выраженная в угловых единицах (градусах или радианах) половина длительности импульса выходного тока усилительного элемента при подачи на вход усилительного элемента синусоидального сигнала.
Режимом С называется такой режим работы, при котором ток выходной цепи усилительного элемента течёт меньше половины периода сигнала.

В режиме А угол отсечки ?=180? , в режиме В ?=90?, в режиме С ?<90?, в режиме АВ 90?<?<180?.
Режим А характеризуется низким КПД, малыми нелинейными искажениями.
Режимы В и АВ характеризуются более высоким КПД, чем режим А, но в то же время большими нелинейными искажениями.
Режим С характеризуется ещё более высоким КПД и ещё большим уровнем нелинейных искажений. Находит применение в резонансных усилителях.
Режим D – это такой режим, при котором усилительный элемент во время работы находится в двух состояниях: или заперт и текущий через него ток равен нулю, или открыт и падение напряжения между выходными электродами близко к нулю. Используется для усиления прямоугольных импульсов, в частности в ЭВМ.

Загрузка...