Классификация электронных усилителей реферат

Обновлено: 30.06.2024

Усилителями постоянного тока называются усилители, коэффициент усиления которых отличен от нуля при частоте сигнала равной нулю, или полоса пропускания которых не ограничена снизу.
По принципу действия УПТ можно разделить на две группы: 1) усилители с преобразованием спектра; 2) усилители без преобразования спектра.
Усилители первой группы часто называют усилителями МДМ (модуляция – демодуляция).

Работа состоит из 1 файл

Элтех готовый.doc

1. Электронные усилители. Классификация.Область применения.

Электронные усилители по полосе пропускания разделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока

По принципу действия УПТ можно разделить на две группы: 1) усилители с преобразованием спектра; 2) усилители без преобразования спектра.

Усилители первой группы часто называют усилителями МДМ (модуляция – демодуляция).

Работает усилитель следующим образом. Постоянное входное напряжение Uвх подается на вход модулятора М. Модулированное напряжение усиливается усилителем модулированного сигнала УМС и подается на демодулятор ДМ. На фильтре Ф выделяется постоянное выходное напряжение Uвых. Цепь обратной связи ОС предназначена для стабилизации работы УПТ.

В усилителях МДМ используются в основном два вида модуляции: амплитудная (АМ) и амплитудно-импульсная. модуляция первого рода (АИМ-1).

Полоса частот при АИМ-1 шире, чем при АМ при одинаковых значениях несущей частоты ω0.

Учитывая неидеальность характеристик элементов усилителя МДМ, несущая частота ω0 выбирается из соотношения ω0 = (3 – 5)ωmax (ωmax – максимальная частота входного сигнала).

Выбор модулятора определяется полосой пропускания усилителя, его входным сопротивлением, порогом чувствительности, конструктивными и технологическими параметрами.

При построении УПТ с преобразованием спектра могут использоваться как электронные, так и электромеханические модуляторы (вибропреобразователи, динамические конденсаторы). Одним из недостатков электромеханических модуляторов является их ограниченный срок службы (3000 – 5000 часов).

В качестве усилителей модулированного сигнала могут использоваться как избирательные усилители, так и широкополосные усилители. Выбор типа усилителя определяется полосой частот, занимаемой модулированным сигналом.

В качестве демодуляторов обычно используются транзисторные ключевые схемы или фазочувствительные усилители. В усилителях МДМ могут использоваться диодные мостовые или кольцевые демодуляторы.

Для подавления гармоник несущей частоты на выходе демодулятора используется фильтр нижних частот, во многом определяющий динамические характеристики усилителя.

Достоинством усилителей с преобразованием спектра является малый дрейф нулевого уровня.

К недостаткам следует отнести принципиальное ограничение полосы пропускания усилителя сверху.

Промышленностью выпускаются усилители МДМ в интегральном исполнении, например усилитель 140УД13.

Усилители без преобразования спектра представляют собой усилители с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Они позволяют усиливать сигналы постоянного тока. Усилители с непосредственной связью применяются в качестве широкополосных усилителей с нулевой граничной частотой.

Основной элементной базой для создания усилителей с непосредственной связью являются линейные интегральные схемы – операционные усилители.

Погрешности усилителей постоянного тока на ОУ появляются вследствие неидеальности параметров ОУ и внешних элементов, а также их нестабильности.

На основе ОУ могут быть построены УПТ с пороговым значением порядка 10 – 100 мкВ, входным сопротивлением более 1 МОм и погрешностью менее 0,1%.

Усилители переменного тока

Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью.

В усилителях с непосредственной связью полоса пропускания ограничена только сверху. В усилителях с резистивно-емкостной или с взаимно индуктивной связью полоса пропускания имеет ограничения как сверху, так и снизу. Ограничение полосы сверху обусловлено паразитными реактивностями элементов и монтажа. В области низких частот неравномерность частотной характеристики усилителя связана с параметрами разделительных элементов.

Причинами появления погрешностей в усилителях переменного тока являются 1) собственные шумы пассивных и активных элементов схемы; 2) воздействие на усилитель внешних помех; 3) непостоянство коэффициента усиления усилителя за счет изменения: во времени свойств активных и пассивных элементов схемы; условий эксплуатации усилителя; неинформативных параметров сигнала.

Первые две причины приводят к появлению погрешности нуля, а третья – мультипликативной погрешности. К мультипликативным относятся также погрешности, вызванные наличием нелинейных искажений сигнала, которые зависят от входного напряжения. Следует отметить, что эта зависимость нелинейная.

Как правило, погрешности усилителей нормируются не более чем двучленной формулой. Несоответствие между реальной функцией погрешности и выражением, использующимся для нормирования, ведет к завышению допустимой погрешности усилителя при некоторых значениях входного сигнала.

Кроме нелинейных искажений в усилителе присутствуют линейные искажения, которые не связаны непосредственно со значением сигнала, а зависят от скорости его изменения, спектра. Линейные искажения обычно называют частотными.

Погрешности усилителя, обусловленные частотными искажениями, относятся к динамическим. Для анализа частотных искажений пользуются АЧХ и ФЧХ. На АЧХ различают область низших частот в окрестности нижней граничной частоты fН, область высших частот fВ в окрестности верхней граничной частоты и расположенную между ними область средних частот.

В усилителях измерительных устройств изменение коэффициента усиления на граничных частотах составляет 1 – 6, реже 10% по сравнению с его значением на средних частотах.

Избирательные усилители это усилители, полоса пропускания которых сужена с целью отделить сигналы в нужной полосе частот от сигналов, помех, или шумов других частот. В таких усилителях в усилительном тракте или в цепи обратной связи используются частотно-зависимые LC и RC-цепи.

Избирательный усилитель с одним или несколькими резонансными контурами, настроенными на одну частоту называют резонансным. Данные усилители широко используются в анализаторах спектра, электронных указателях равновесия мостовых схем.

Резонансный усилитель обычно реализуется в виде каскадов параллельным резонансным LC–контуром.

Усилители использующий контур с раcстройкой по частоте, называют узкополосными.

Избирательные усилители характеризуются избирательностью, которое представляет собой отношение коэффициента усиления К0 на резонансной частоте ω0 к коэффициенту усиления на частоте ωn. Это отношение численно равно коэффициенту частотных искажений на частоте ωn.

Составить схему однофазного мостового выпрямителя, используя стандартные диоды типа Д217. Мощность потребителя Рd=150 Вт при напряжении питания Ud=500 B. Пояснить принцип действия выпрямителя.

Характерные особенности современных электронных усилителей. Назначение и классификация устройств для усиления мощности. Сущность схемы резистивного усилительного каскада. Определение падения напряжения на коллекторном резисторе в состоянии покоя.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	18.01.2016
Размер файла	45,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Курсовой проект содержит 20 листов, 5 иллюстраций, 2 графика.

В данном проекте рассмотрен вопрос о назначении усилителей низкой частоты. Цель работы - углубить теоретические и практические знания по классификации, назначению и расчёту усилителей. В курсовом проекте содержится краткое описание усилителей низкой частоты, их классификация, применение, основные технические решения. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема усилителя, и произведен ее расчет.

Ключевые слова: усилитель, низкочастотный усилитель, сопротивление, напряжение, трансформатор, транзистор, входной каскад, резистор, конденсатор, ток, коллектор, схема.

1. Исходные данные для проектирования

2. Теоретические сведения. Назначение, классификация усилителей, типовые схемы усилителей с описанием

3. Классификация усилителей низкой частоты

4. Принципиальная электрическая схема усилителя

Список используемых источников

Введение

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

- усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

- усилители постоянного тока - усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты.

- избирательные усилители - усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней.

- широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями.

1. Исходные данные для проектирования

Тип транзистора: МП40

Rk: 4,3 кОм = 4300 Ом

Ik: 1 mА = 0,001 А

2. Теоретические сведения. Назначение, классификация усилителей, типовые схемы усилителей с описанием

Усилителем называется устройство, которое позволяет получить электрические колебания большей мощности, чем мощность колебаний, управляющих его работой. Получаемая от усилителя энергия электрических колебаний создается за счет расхода энергии источника питания усилителя. Преобразователем энергии постоянного тока источника питания в энергию усиленных колебаний служит электронная лампа или транзистор, которые управляются усиливаемыми колебаниями. Зажимы усилителя, к которым подводятся управляющие колебания, называются входными зажимами или входом усилителя.

Низкочастотный усилитель проектируется на основе входного усилителя, предварительного усилителя и усилителя мощности. Для обеспечения нужной величины входного сопротивления и коррекции искажений частотной характеристики используется входной усилитель. Для обеспечения качественных показателей выходного сигнала используется усилитель мощности с глубокой отрицательной обратной связью. Для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества используется источник питания.

Функциональная схема усилителя низкой частоты

ВУ - входной усилитель;

РУ - регулятор уровня;

ПУ - предварительный усилитель;

УМ - усилитель мощности;

ЦООС - цепь частотно-зависимой обратной связи.

На усилитель мощности поступает сигнал от источника поступает через разделительную емкость (Cр) с входного усилителя (ВУ), который служит для обеспечения заданного входного сопротивления (Rвх). Разделительная емкость необходима для уменьшения дрейфа нулевого уровня выходного напряжения. Для регулирования величины выходного напряжения сигнал с входного усилителя поступает на регулятор уровня (РУ).

Источник питания является выпрямительным устройством и состоит из четырех узлов: трансформатора, вентильного комплекта (диодная схема), сглаживающего фильтра и стабилизатора постоянного напряжения.

Трансформатор необходим для получения заданного напряжения.

Вентильный комплект необходим для выпрямления переменного напряжения.

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.

В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а, следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана.

Данная схема получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора Rб практически не влияет на величину входного сопротивления каскада.

В этой схеме резисторы и подключенные параллельно источнику питания Ек составляют делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами и должен обладать достаточно большим сопротивлением, иначе входное сопротивление каскада окажется малым.

3. Классификация усилителей низкой частоты

По топологии выходного каскада:

* однотактный выходной каскад

* двухтактный выходной каскад

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

По конструктивным признакам

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов:

* ламповые -- на электронных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. Занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.

* транзисторные -- на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности.

* интегральные -- на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ -- минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.

* гибридные -- часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах.

* микротелефонные (англ. carbon amplifier). В прошлом усилители этого типа находили применение в слуховых аппаратах.

* пневматические (en:compressed air gramophone). В таком усилителе источник колебаний (например, маломощный громкоговоритель, граммофонная игла) приводит в движение модулятор интенсивности потока воздуха от компрессора, за счёт чего происходит усиление амплитуды колебаний по мощности.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

* трансформаторные -- в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки.

* бестрансформаторные -- в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частот бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой

* Согласование по напряжению -- выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ. УМЗЧ хорошо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и хорошо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, рассчитанных на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется повсеместно. усилитель резистивный каскад коллекторный

* Согласование по мощности -- выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для работы на линию с известным волновым сопротивлением (например, LAN), и иногда в выходных каскадах ламповых усилителей.

* Согласование по току -- выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. В основе такого согласования -- следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки). УМЗЧ слабо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и плохо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, которые обычно рассчитаны на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется крайне редко.

4. Принципиальная электрическая схема усилителя

Схема состоит из предварительного усилителя, построенного на операционном усилителе, и оконечного каскада, являющегося усилителем мощности, охваченных цепью общей отрицательной обратной связи (ЦООС).

Принципиальная схема усилителя низкой частоты (УНЧ) с описанием назначения элементов

Rн - сопротивление нагрузки усилителя

Rк - коллекторный резистор

Rэ - эмиттерный резистор

R1, R2 - резисторы усилителя

Ек - напряжение питания

Uвх - входное напряжение

Uвых - выходное напряжение

Cэ - шунтирующий конденсатор

СБ - разделительный конденсатор на входе схемы

Ск - разделительный конденсатор на выходе схемы

5. Аналитический расчет УНЧ

1) Определяем падение напряжения на коллекторном резисторе в состоянии покоя:

2) Рассчитываем ток базы транзистора в состоянии покоя:

3) Ток делителя, протекающий по резисторам R1, R2, берут в 5 раз больше тока базы:

4) Рассчитываем напряжение питания схемы как сумму трех напряжений:

5) Определяем падение напряжения на резисторе R2, делителя как сумму двух напряжений:

6) Определяем падение напряжения на резисторе R1 как разность напряжений питания Ек и падения напряжения на резисторе R2:

7) Рассчитываем сопротивление резистора по закону Ома:

8) При расчете сопротивления резистора R1 нужно учитывать, что через него протекает сумма токов:

9) Находим входное сопротивление усилителя Rвх как эквивалентное сопротивление трех включенных параллельно резисторов R1, R2 и h11э:

10) Сопротивление нагрузки берут такого же значения:

11) Рассчитываем сопротивление резистора Rэ по закону Ома:

12) Оцениваем ёмкость разделительного конденсатора Сэ в эмиттерной цепи по приближенной формуле:

13) Оцениваем ёмкость разделительного конденсатора на входе схемы по приближенной формуле:

14) Ёмкость разделительного конденсатора на выходе схемы рассчитываем по аналогичной формуле, но вместо Rвх берут Rн:

15) Определяем коэффициент напряжения по напряжению в области средних частот:

16) Рассеиваемая на коллекторе мощность Рк=UкЭ*Iк не должна превышать максимально допустимой мощности Ркmах, которая приводится в таблице 1.

17) Рассчитываем мощность, рассеиваемую отдельно на резисторах Rк и Rэ.

Графическая часть. Схема моделирования УНЧ в программе Electronic Workbench и его частотные характеристики

Схема моделирования УНЧ

Целью курсового проекта являлись разработка, составление и расчёт схемы усилителя низкой частоты. В ходе выполнения проекта была разработана схема электрическая структурная, схема электрическая принципиальная, произведен сравнительный анализ существующих схем усилителей. Проведены расчеты оконечного каскада мощного усиления, определены коэффициенты усиления отдельных каскадов и усилителя в целом. Рассчитаны значения сопротивлений и емкостей схемы, на базе которых проведен выбор стандартных резисторов и конденсаторов, составлен перечень элемен.

Из проведенной работы следует, что полученная частотная характеристика расчетной схемы полностью удовлетворяет условиям задания. Работа демонстрирует основы расчета усилителя низкой частоты, что позволяет достичь полного согласования нагрузки (входного сопротивления последующего каскада) с выходным сопротивлением транзистора, а, следовательно, максимального усиления мощности в каждом каскаде. Спроектированный усилитель должен питаться от двух источников питания, т.к. ОУ питается от двухполярного источника, а фазоинверсный и оконечный каскады от однополярного. Это затрудняет использование усилителя в переносных устройствах. Схема настраивается относительно несложно. Расчет частотной характеристики усилителя показал, что частотные искажения в полосе пропускания усилителя не превышают значений заданных в техническом задании.

Список используемых источников

1. Хиленко В.И. Основы радиоэлектроники: Учебник.- 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1983.

2. Буланов Ю.А., Усов С.А. Усилители и радиоприемные устройства. - М. Высшая школа, 1980.

3. Арес. К.А., Яковенко Б.С. Основы электроники: Учебное пособие для техникумов.- М.: Радио и связь, 1988.

4. Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители. - М.: Высшая школа, 1990.

5. Вайсбурд Ф.И., Панаев, Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители.- М.: Радио и связь, 1987.

Подобные документы

Понятие и принцип работы электронного усилителя. Типы электронных усилителей, их параметры и характеристики. Сравнительный анализ параметров усилителей с различным включением транзисторов в схемах. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе.

курсовая работа [1,2 M], добавлен 03.07.2011

Порядок определения выходных параметров каскада. Расчет значения постоянной составляющей тока коллектора и амплитуды выходного напряжения. Определение величины емкости разделительного конденсатора и коэффициента усиления по мощности усилительного каскада.

курсовая работа [850,8 K], добавлен 15.05.2013

Основы схемотехники аналоговых электронных устройств. Расчет физических малосигнальных параметров П-образной схемы замещения биполярного транзистора, оценка нелинейных искажений каскада. Выбор резисторов и конденсаторов для усилительного каскада.

курсовая работа [911,3 K], добавлен 10.02.2016

Методы определения параметров операционных усилителей, входных токов, напряжения смещения, дифференциального входного и выходного сопротивлений, скорости нарастания выходного напряжения, коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

контрольная работа [151,0 K], добавлен 02.12.2010

Операционные усилители: понятие и параметры. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителей. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе. Моделирование схем с помощью программы Elektronik Workbench. Выбор транзистора.

Электронные усилители – это устройства для управления энергией, передаваемой от источника питания в нагрузку (рис. 3.1). В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы, поскольку усилители на них надежны, экономичны, обладают высоким быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу и размеры.

Классификация усилителейможет проводится по различным признакам:

- по используемым элементам – ламповые, диодные и транзисторные;

- по усиливаемым сигналам – гармонические и импульсные;

- по числу каскадов – одно-, двух-, многокаскадные;

- по электрическому параметру – усилители тока, напряжения, мощности;

- по диапазону рабочих частот – усилители постоянного тока (УПТ), усилители нижних частот (УНЧ), усилители высоких частот (УВЧ);

- по связи с нагрузкой – с непосредственной (гальванической), емкостной и трансформаторной связью;

- по назначению – телевизионные, радиолокационные, измерительные, операционные.

Основные характеристики усилителей можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным (выходным) характеристикам относятся входная (выходная) емкость, входное (выходное) сопротивление, допустимые значения напряжения (тока); основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления, либо по напряжению , либо по току , либо по мощности . В общем случае коэффициент усиления является комплексной величиной , т.е. от частоты входного сигнала зависит не только амплитуда (АЧХ), но и фаза (ФЧХ) выходного сигнала.

При прохождении сигнала через усилитель его форма может изменяться, т.е. возникать искажения. При этом, если спектральный состав передаваемого сигнала не меняется, искажения называют линейными, в противном случае – нелинейными. Основной причиной линейных (частотных и фазовых) искажений является частотные зависимости модуля (К(w)) и фазы (j(w)) коэффициента усиления .

Появление нелинейных искажений связано с нелинейностью передаточных свойств усилительных элементов, для определения границ которой обычно используют амплитудную характеристику U_вых = f(U_вх). Сами же нелинейные искажения оценивают коэффициентом гармоник , где U₁ – действующее напряжение первой, а U₂, U₃, … – действующие напряжения высших гармоник.

Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведенного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямоугольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, определяющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя.

Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу которого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р_вх выходная мощность Р_вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р_вх Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя.

Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические.

Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д.Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анодных цепях ламп; используется для поддержания заданных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

Классификация усилительных устройств.

Усилительные устройства классифицируют по различным признакам. Основными являются: диапазон усиливаемых частот, функциональное назначение, характер и полоса усиливаемого сигнала. Основнымколичественным параметром усилителя является его коэффициент усиления (коэффициент передачи). Различают коэффициенты усиления напряжения Ku , тока Ki или мощности Kp .

По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических(непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

- Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

- Усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на усилители низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

- избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот /1;

- широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1(например УНЧ - усилитель низкой частоты).

- Усилители мощности - оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R_{вн. к} = R_н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микросхемы (ИМС).

Показатели работы усилителей.

Одним из основных показателей усилительного каскада является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. Форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала из-за линейных и нелинейных искажений, вносимых усилителем.

Линейные искажения возникают из-за реактивных элементов в схеме и определяются скоростью изменения сигнала во времени.

К показателям работы усилителей относятся входные и выходные данные, коэффициент усиления, диапазон частот, коэффициент искажений, КПД и другие параметры, Характеризующие его качественные и эксплуатационные свойства.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а выходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке 4.

Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посредством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи усилителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).

Обратная связь может возникать в схеме через паразитные цепи, такая обратная связь называется паразитной. Так как паразитные связи, как правило, нельзя рассчитать, а они могут существенно ухудшить работу усилителя, поэтому паразитные связи усилителя ослабляют, чтобы они практически не сказывались на его свойствах. Обратная связь возникает также благодаря конструктивным особенностям и физическим свойствам усилительных элементов. Такую обратную связь называют внутренней, ее усчитывают при моделировании усилительных элементов. Внешняя обратная связь, искусственно введенная и правильно построенная, вводится для изменения свойств усилителя в желаемом направлении, придания ему определенных функциональных особенностей и для улучшения основных показателей его работы. Далее, по умолчанию, речь будет идти о внешней обратной связи.

Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линейных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усилитель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает отдельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке представлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

Модель усилительного каскада.

Усилительный каскад - конструктивное звено усилителя - содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

Читайте также: