Реферат на тему усилитель переменного тока
Обновлено: 07.07.2024
Выбор схемы усилителя переменного тока. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS. Моделирование в системе Multisim. Проектирование мощного выходного каскада.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.01.2015 |
| Размер файла | 1,3 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
Факультет компьютерных технологий и информатики
Кафедра систем автоматизированного проектирования
Студент гр. 2091
Коэффициент усиления в полосе пропускания Ku
Нижняя граничная частота полосы пропускания , Гц
Верхняя граничная частота , кГц, не менее
Постоянное напряжение на выходе Uвых В, не более
Максимальное выходное напряжение Uвых м В
Максимальный ток нагрузки Iн м А
1. Выбор схемы усилителя переменного тока
1.1 Построение усилителя на основе инвертирующего РУ
Усилитель аналогичен схеме инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе, представлен на Рис.1.1(ФГ - функциональный генератор, АБ - анализатор Боде).
На Рис.1.2 представлены асимптотические ЛАФЧХ операционного усилителя (график 1) и усилителя переменного тока (график 2), где - частота среза ОУ; - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания усилителя переменного тока, на которых модуль коэффициента усиления снижается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением; - полоса пропускания усилителя.
Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока (см. Рис.1.2) в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ.
Частотная характеристика усилителя переменного тока в области нижних частот целиком формируется конденсатором С1, в области верхних частот она зависит от частотных свойств скорректированного ОУ(см. Рис.1.2), при этом граничные частоты определяются соотношениями
Из соотношений (1) выбираем сопротивление R1==200 кОм;
R2=|Ku|*R1=1000*200 кОм = 200 Мом
Сопротивление R2 очень большое, практически трудно реализуемо (больше 10 Мом трудно реализовать). Следовательно в схеме Рис.1.1 не удастся получить совместно большое входное сопротивление. Схема не подходит.
усилитель переменный ток каскад
1.2 Схемная реализация усилителя на базе не инвертирующего РУ
Усилитель аналогичен схеме усилителя на базе не инвертирующего РУ, представленной на Рис.2.1, конденсатор С2 используется для минимизации входного напряжения покоя усилителя (сдвиг постоянного напряжения от нуля). Частотная характеристика усилителя аналогично характеристике 2, представленной на Рис.1.2. В полосе пропускания (С1 и С2 - к.з.) имеем частный случай не инвертирующего решающего усилителя.
При этом получаем
Нижняя граничная частота
Верхняя граничная частота fв зависит от инерционных свойств операционного усилителя и коэффициента усиления всего усилителя переменного тока (чем он больше, тем она меньше, см. Рис.1.2) и окончательно определяется при эксперименте с системой NI ELVIS и моделировании в системе Multisim.
Таким образом, при использовании одного не инвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…1000) и больше (1…10МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты fв.
Ручной расчет схемы Рис.2.1 - подготовка к моделированию в системе Multisim.
Рекомендации: желательно, чтобы все вычисленные сопротивления были не более 3 Мом, а выбираемая емкость не более 3 мкФ.
Выберем емкость С1=С2=1 мкФ
Из соотношения (2.2) = 796 Ом
Из соотношения (2.1) получаем R3==200 кОм
1.3 Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем
От недостатка усилителя, изображенного на Рис.2.1, свободна схема усилителя переменного тока, представленная на Рис.3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на не инвертирующем РУ(DA1;R1;R2;R3), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; входная подсхема представляет собой инвертирующий РУ(DA2;R4;R5) и используется для получения высокого коэффициента усиления KU всего усилителя переменного тока. В полосе пропускания:
Из графиков, приведенных на Рис.1.2 следует, что для получения наибольшей верхней граничной частоты усилителя (Рис.3.1) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и не инвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми.
Нижняя граничная частота: (3.2)
Ручной расчет схемы Рис.3.1 - подготовка к моделировании в системе Multisim
Рекомендации: желательно, что бы все вычисленные сопротивления были не больше 3 Мом, а выбираемая емкость не более 3 мкФ.
Выберем емкость С1=С2=1 мкФ.
Из соотношения (3.2):
Для получения наибольшей частоты коэффициенты и должны быть примерно одинаковыми, тогда
R5=R4 = 796 = 25,17кОм
Это для инвертирующего РУ. Для не инвертирующего РУ: R3=.
Зададим R1=1 кОм, тогда R2 =
2. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS
2.1 Усилитель на одном не инвертирующем РУ
Измерим частотные характеристики коэффициента усиления усилителя переменного тока, реализованного на базе не инвертирующего РУ (Рис.2.1). Определим и убедимся, что усилитель на одном не инвертирующем РУ имеет сравнительно небольшую верхнюю граничную частоту .
Действительно, верхняя граничная частота усилителя небольшая и равна 997,39 Гц. Это происходит из-за того, что при использовании одного не инвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление усилителя, но при этом возникают трудности в реализации высокой верхней граничной частоты . Как следует из частотной характеристики усилителя(характеристика 2 на Рис.1.2); чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота . Исследуем постоянное выходное напряжение покоя усилителя(см. Рис.2.1). Напряжение измерим с конденсатором С2 и без него (резистор R1 подключен к общей шине). Убедимся, что введение конденсатора С2 позволяет существенно уменьшить напряжение покоя усилителя.
1) Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2; Uвых = 5,031В
2) Напряжение покоя усилителя с конденсатором С2: Uвых =57 мВ
Действительно, из полученных результатов видно, что введение конденсатора С2 позволило намного уменьшить выходное напряжение покоя усилителя
2.2 Усилитель на не инвертирующем и инвертирующем РУ
Измерим частотные характеристики коэффициентов усиления усилителя переменного тока, представленного на Рис.3.1. Определим и убедимся, что усилитель имеет более высокую верхнюю частоту по сравнению с усилителем, изображенным на Рис.2.1
Действительно, верхняя граничная частота усилителя намного больше по сравнению с усилителем, изображенным на Рис.2.1 и равна =19905,36 Гц. Исследуем выходное напряжение покоя усилителя (см.Рис.3.1). Напряжение измерим с конденсатором С2 и без него(выход усилителя DA1 соединив с резистором R4). Убедимся, что введение разделительного конденсатора С2 позволяет существенно уменьшить напряжение покоя усилителя.
3) Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2: Uвых=5 В
4) Напряжение покоя усилителя с конденсатором С2: Uвых=6,4 мВ
Действительно, введение конденсатора С2 позволило намного уменьшить выходное напряжение покоя усилителя
3. Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim
3.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой
Значения R1,R2,R3,C1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.2. Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания KU , нижнюю граничную частоту полосы пропускания и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование, а так же измерим выходное напряжение покоя усилителя с конденсатором и без него
Как видно из полученных результатов, намного меньше заданной. Следовательно, схема усилителя на базе одного не инвертирующего РУ, представленная на Рис.2.2, не подходит, т.к. не удается получить необходимую верхнюю граничную частоту.
1) Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2: Uвых=13,45 В
2) Напряжение покоя усилителя с конденсатором С1:Uвых=73,04 мВ
Из полученных результатов видно, что введение конденсатора С2 позволило намного уменьшить выходное напряжение покоя усилителя.
3.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами
Значение R1, R2, R3, C1 и C2 рассчитаны раннее, в разделе 1.3.
Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускание Ku, нижнюю граничную частоту полосы пропусканию fн, верхнюю граничную частоту fв и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование, а также измерим выходное напряжение покоя усилителя с конденсатором и без него.
Полученные результаты удовлетворяют техническому заданию, следовательно, схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 1.6., подходит.
Исследуем постоянное выходное напряжение покоя усилителя (рис. 1.6). Измерим напряжение с конденсатором С2 и без него (резистор R1 подключен к обшей шине). Убедимся, что введение конденсатора С2 позволяет существенно увеличить напряжение покоя усилителя.
Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2: Uвых = 20.29 В.
Напряжение покоя усилителя с конденсатором С2: Uвых = 4.33 мВ.
Действительно, введение конденсатора С2 позволяет существенно уменьшить напряжение покоя усилителя.
4. Проектирование мощного выходного каскада усиления
Для экономии места на Рис.4.1 не приведена усилительная подсхема DA1, R1, R2, R3, C1 (см. Рис.3.1).
Назначение и функционирование выходного каскада
Выходной каскад (VT1 - VT4, R6 - R9) предназначен для получения большого тока нагрузки Iн.м = 1,4 А. Интегральный ОУ 741 имеет максимальный ток нагрузки Iн.м = 10 - 20 мА, что явно недостаточно для нашего усилителя. Выходной каскад усиливает только по току - по напряжению его коэффициент передачи близок к единице (повторитель напряжения). Действительно, VT1 и VT3 по одному пути и VT2 и VT4 по другому - это каскады с общим коллектором, не инвертируют фазу. KU = 1. Выходной каскад на рисунке - это двухтактный каскад режима класса АВ с непосредственной связью.
При Uвых > 0 (полярность без скобок) VT3 находится в активном усилительном режиме, VT 4 - в отсечке. Ток нагрузки Iн течет по цепи:
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Содержание
Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах 2
Общие положения 2
Понятие о классах усиления усилительных каскадов 3
Метод расчета схем с нелинейным элементом 6
Усилитель ОЭ с фиксированным током базы 8
Стабилизация режима работы усилительных каскадов 14
Схема с фиксированным напряжением базы 17
Схемные методы стабилизации 19
Расчет параметров усилителя ОЭ по переменному току 22
Усилитель ОК (эмиттерный повторитель) 27
Усилитель ОБ 30
Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах 32
Общие положения 32
Усилительный каскад по схеме с общим истоком 33
Истоковый повторитель 37
Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах
Общие положения
Характерной особенностью современных электронных усилителей является многообразие схем, по которым они могут быть спроектированы. Однако среди этого многообразия можно выделить наиболее типичные схемы, содержащие элементы и цепи, которые чаще всего встречаются в усилительных устройствах независимо от их функционального назначения.
Современные усилители выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-технологическими особенностями. Схемные же построения принципиальных отличий не имеют. Наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим истоком. Реже используются схемы включения с общим коллектором и общим стоком. Схемы включения с общей базой или общим затвором находят применение только в узком классе устройств, например во входных цепях радиоприемных устройств, работающих в диапазоне УКВ. Рассмотрение таких каскадов, в силу специфики построения, связанной с сильным влиянием на их свойства паразитных параметров реальной конструкции каскада, выходит за рамки настоящего курса.
В технической литературе наименование (обозначение) каскада усилителя производится в соответствии со схемой включения транзистора: усилитель ОЭ, ОК, ОБ, ОИ, ОС или ОЗ. В дальнейшем будут рассмотрены только принципы построения и основные параметры каскадов, использующих все схемы включения биполярных транзисторов и с ОИ, ОС – для полевых транзисторов.
Понятие о классах усиления усилительных каскадов
Режим работы усилителя определяется начальным положением рабочей точки (точки покоя) на сквозной динамической характеристике усилительного элемента, т.е. на зависимости выходного тока усилительного элемента от ЭДС (напряжения) входного сигнала. Вид типичной сквозной динамической характеристики показан на рисунке 4.1.
При невыполнении неравенства (4.5) и отсутствии входных характеристик исползуемого транзистора можно ориентировочно принять следующие значения UбэР для маломощных транзисторов:
0,2 – 0,3 В – для германиевого транзистора;
0,3 – 0,5 В – для кремниевого транзистора.
Можно также ориентировочно определить рабочий ток базы не прибегая к использованию выходной характеристики транзистора:
то практически вся переменная составляющая напряжения коллектора выделится на нагрузке.
Необходимо обратить внимание на изменение фазы сигнала в нагрузке. Увеличение входного сигнала приводит к росту тока базы и, соответственно, коллектора, росту падения напряжения на Rк и уменьшению падения напряжения на транзисторе. Уменьшение входного сигнала приводит к росту напряжения на транзисторе. Таким образом, выходной сигнал оказывается сдвинутым на 1800 (на радиан) относительно входного. Необходимо отметить, что в некоторых случаях нагрузка располагается в коллекторной цепи вместо Rк. В этом случае изменение ее напряжения совпадает с описанным выше изменением напряжения на Rк и инверсии выходного сигнала не происходит.
По полученным данным можно определить коэффициенты усиления усилителя:
В соответствии с рядом номиналов резисторов, принимаем Rк = 750 Ом, Rб = 22 кОм. Несовпадение номинала Rб по сравнению с расчетным значением приведет к некоторому увеличению тока покоя базы (IбР 682 мкА) изменению параметрами расчетной точки покоя:
IкР = 6,82 10-4 * 150 = 10,2 мА; UкэР = 15 – 750 * 10,2 10-2 = 7,35 В.
Изменения параметров рабочей точки незначительные. Однако, если при изготовлении конкретного экземпляра усилителя будет использован транзистор с предельными величинами статический коэффициент передачи тока, то режим может измениться существенно. Например, при использовании транзистора с h21Э = 50
IкР = 6,82 10-4 * 50 = 3,41 мА; UкэР = 15 – 750 * 3,41 10-3 12,4 В.
Если же h21Э = 250, то
IкР = 6,82 10-4 * 250 17 мА; UкэР = 15 – 750 * 17 10-3 2,3 В.
Как мы видим, изменения режима работы значительны.
К дестабилизирующим факторам, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающей, во-первых, изменение обратного тока коллекторного перехода Iко, во-вторых, изменение напряжения эмиттерного перехода Uбэ транзистора, и, в – третьих, изменение его коэффициента передачи тока h21э. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, следовательно, изменению выходного напряжения усилительного каскада. Поэтому важнейшей задачей при проектировании транзисторных усилителей является обеспечение именно температурной стабилизации их режима работы. При таком подходе зачастую уменьшается влияние и других воздействий.
Рассмотрим схемные построения усилителей ОЭ, которые позволяют уменьшить воздействие дестабилизирующих факторов. Необходимо напомнить, что, несмотря на указанные выше недостатки, схему с фиксированным током базы очень широко используют. Это объясняется тем, что при малых амплитудах входного и выходного сигналов, смещение рабочей точки во многих случаях не имеет принципиального значения. Поэтому прежде чем браться за более сложную схему, необходимо проанализировать возможность использования простой.
Схема с фиксированным напряжением базы
Схема с фиксированным напряжением база-эмиттер приведена на рисунке 4.5. В этой схеме режим работы транзистора задается путем подачи постоянного смещающего напряжения на базу. Напряжение смещения формируется делителем напряжения источника питания на резисторах Rб1 и Rб2. Падение напряжения на резисторе Rб2, которое одновременно является напряжением эмиттерного перехода транзистора, должно быть таким, чтобы в базу поступал ток IбР (см. рисунок 4.4, а).
Через делитель идет ток Iд. Чем он больше, тем стабильнее схема, так как изменение тока базы будет слабо влиять на величину смещения. Однако следует иметь в виду, что ток делителя нельзя выбирать слишком большим, поскольку в делителе расходуется дополнительная энергия, и чем больше ток Iд, тем большее мощности источника питания будет расходоваться в этой вспомогательной цепи. Кроме того, в этом случае уменьшаются величины сопротивлений Rб1 и Rб2, что приводит к уменьшению входного сопротивления каскада и возрастанию нагрузки на источник сигнала. Обычно ток делителя выбирают в пределах (2. 10) IбР.
Рисунок 4.5. Усилитель ОЭ с фиксированным напряжением базы
Расчет сопротивлений делителя (после выбора его тока) проводится по формулам:
Величина шунтирующей емкости эмиттерного конденсатора находят из соотношения:
Ток делителя, также как для предшествующих схем, обычно выбирают в пределах (2. 10) IбР.
Схема эмиттерной стабилизации режима работы находит наиболее широкое применение, так как обеспечивает хорошую работоспособность усилительного каскада при изменении температуры на 70 – 100°С.
Расчет параметров усилителя ОЭ по переменному току
Для расчета необходимо составить эквивалентную схему каскада, в которую включают только элементы, в которых возникают токи и напряжения, обусловленные входным переменным сигналом. Эквивалентная схема строят на основе принципиальной, номиналы элементов которой определены при ее расчете по постоянному току. Продемонстрируем принцип ее составления для самой сложной из рассмотренных схем – усилителя с эмиттерной стабилизацией (рисунок 4.7).
4.8. Характеристики усилителя ОЭ в области низших и высших частот
Эквивалентная схема каскада для низших частот представлена на рисунке 4.10, а.
Рисунок 4.10. Эквивалентная схема усилителя ОЭ для низших (а) и высших (б) частот
По сравнению с исходной схемой рисунка 4.8. на ней исключены сопротивления источников питания и емкость коллекторного перехода в связи с незначительностью их влияния при низких частотах переменного сигнала. На передачу сигнала существенное влияние оказывают емкости Ср1, Ср2 и Сэ, реактивное сопротивление которых увеличивается. При этом разделительные емкости Ср1 и Ср2 препятствуют прохождению сигнала с входа каскада на его выход, уменьшая тем самым коэффициент усиления каскада в области низших частот.д.ействие блокирующей емкости несколько иное – в области низших частот она перестает шунтировать резистор, Rэ и коэффициент усиления каскада уменьшается за счет действия отрицательной обратной связи. Как было указано ранее, для количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных искажений, который для рассматриваемой схемы с достаточной точностью можно определить по формуле:
где Мр1 – доля частотных искажений, приходящаяся на данную емкость, причем
где Ск – справочное значение емкости коллекторного перехода для схемы ОЭ.
Усилитель ОК (эмиттерный повторитель)
Схема усилителя ОК изображена на рисунке 4.11.
В отличие от усилителя по схеме ОЭ схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если на вход эмиттерного повторителя подать увеличивающееся напряжение, то это приведет к увеличению эмиттерного тока транзистора и соответствующему увеличению его выходного напряжения. Поэтому входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.
Переменное напряжение, снимаемое с Rнэ, через разделительный конденсатор Ср2 проникает в нагрузку. Эквивалентная схема каскада по переменному току представлена на рисунке 4.12.
Определим входное сопротивление транзистора подобно тому, как это было сделано в разделе 4.7:
где Rн экв – эквивалентное сопротивление нагрузки:
Считая, как и для предыдущих схем, что весь ток выходного электрода (эмиттера) идет в нагрузку, получаем выражение для определения коэффициента усиления по току:
то получим эквивалентную схему для средних частот (рисунок 4.14).
значительно меньше сопротивления резисторов делителя в цепи базы (rэ Rб1 и rэ Rб2).
Эквивалентное сопротивление нагрузки Rн экв определяется параллельным соединением Rк и Rн (см. выражение (4.25)). Поэтому, если rэ Rк и rэ Rк вх, то усилитель ОБ будет обладать очень большим коэффициентом усиления по напряжению:
Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах
Общие положения
В построении и методах расчета усилителей на основе полевых транзисторов очень много общего с построением и расчетом усилителей на биполярных транзисторах. Также имеются три основных схемы, получивших названия в соответствии с электродом, который является общим для входной и выходной цепи: ОИ, ОС и ОЗ. Правда, последняя, с общим затвором практически не применяется, т.к при этом не удается использовать один из важнейших параметров полевых транзисторов – их большое входное сопротивление.
На усилительном каскаде с полевым транзистором можно обеспечить работу в любом из описанных ранее классов усиления. Аналогично, за исключением выходных каскадов в основном используется режим класса А, который мы и будем рассматривать.
Усилительные каскады на полевом транзисторе, прежде всего, применяют во входных каскадах усилителей. Объясняется это следующими преимуществами полевого транзистора перед биполярным:
большее входное сопротивление, что упрощает его согласование с высокоомным источником сигнала;
как правило, меньший коэффициент шума, что делает его более предпочтительным при усилении слабых сигналов;
большая собственная температурная стабильность режимов покоя.
Вместе с тем, каскады на полевых транзисторах обычно характеризуются меньшим коэффициентом усиления по напряжению, что и ограничивает их применение при построении промежуточных каскадов.
Также как и в предыдущем разделе, расчет каскады на полевых транзисторах для выбранной схемы проводит в три этапа:
определяют режим работы усилителя;
проводят расчет элементов принципиальной схемы по постоянному току;
определяют параметры усилителя по переменному току на основе эквивалентной схемы.
В последующем, чтобы обеспечить простоту и однозначность анализа будем рассматривать транзисторы с каналом п-типа, а заземленным в источнике питания будем считать его отрицательный полюс, относительно которого и будем определять все напряжения. При этих условиях напряжение на стоке должно быть положительным по сравнению с напряжением на истоке. (При р канале наоборот: заземляется положительный полюс и напряжение на стоке меньше, чем на истоке)
Схемотехнические решения, применяемые при построении каскадов на полевых транзисторах, во многом схожи с решениями, используемыми при построении каскадов на биполярных транзисторах. Имеется ряд особенностей полевых транзисторов, обусловленных, прежде всего, различиями входных характеристик трех типов полевых транзисторов и, кроме того, практически отсутствием тока затвора, на который обычно подается входной сигнал.
Усилительный каскад по схеме с общим истоком
Отличия входных (стокозатворных) характеристик разных типов полевых транзисторов, приводит к разным схемотехническим построениям усилительных каскадов на ПТ разных типов, касающихся, прежде всего, схем задания режима работы. В схемах на полевых транзисторах с управляющим р-п переходом напряжение на их затворе должно быть отрицательным по сравнению с напряжением на истоке. В этом случае обеспечивается закрытое (запертое) состояние перехода. На полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным каналом напряжение затвора может быть любым – как отрицательным, так и положительным по отношению к истоку. На полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом напряжение затвора может быть только положительным по отношению к истоку. Отсутствие входных токов на затвор позволяет обеспечить необходимое распределение напряжений только за счет внешних резисторов и схем их соединений.
На рисунке 5.1 приведены три типовые схемы усилителя ОИ, обеспечивающих получение выбранного режима работы на полевых транзисторах разных типов. Чертеж первой схемы является наиболее полным – на ней показаны разделительные конденсаторы, отделяющие по постоянному току каскад от источника сигнала и нагрузки. На последующих разделительные конденсаторы не приведены – вход и выход переменного сигнала показаны стрелками.
Рисунок 5.1. Усилительные каскады ОИ на полевых транзисторах
Наиболее общей является схема рисунка 5.1, б. Ее называют схемой с истоковой стабилизацией. Она подобна схеме рисунка 4.7, где изображен каскад с эмиттерной стабилизацией на биполярном транзисторе. Истоковая стабилизация может быть выполнена независимо от типа примененного полевого транзистора. Для того чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления резистор Rи шунтируют конденсатором Си. Величина шунтирующей емкости эмиттерного конденсатора находят из соотношения, аналогичного (4.21):
где Iд, Iи – токи резистивного делителя и истока транзистора.
В схеме рисунка 5.1, а отсутствует делитель напряжения источника питания (Iд, = 0), поэтому она может быть использована для задания рабочей точки в транзисторах, работа которых возможна при отрицательных напряжениях на затворе. Такое включение называется схемой автоматической подачи смещения. Ее применение наиболее оптимально в каскадах на полевом транзисторе с управляющим р-п переходом.
Необходимо отметить, что все схемы позволяет обеспечить режим термокомпенсации (см. раздел 2.6). Для этого необходимо подать на затвор напряжение, соответствующее термокомпенсационной точке стокозатворной характеристики (см. рисунок 2.13). К сожалению, такой выбор рабочей точки не всегда возможен т.к зачастую необходимо работа при больших токах стока, чем ток соответствующий термокомпенсации.
Выбор типа полевого транзистора производится на основе тех же требований к его предельно допустимым параметрам, которые были сформулированы в предыдущей главе (выражения (4.10) – (4.13)) применительно к биполярному транзистору.
Для определения основных параметров каскада по переменному току обратимся к его схеме замещения, приведенной на рисунке 5.2, а. Данная схема справедлива для области средних частот. При ее формировании использованы все допущения, что и при составлении схемы усилителя ОЭ рисунка 5.9. Например, учтено соотношение (5.1). Опущены все емкости, которые характеризуют ПТ (см. эквивалентную схему ПТ рисунка 2.13).
Как и для усилителя на биполярном транзисторе, для количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных искажений, который на нижних частотах с достаточной точностью можно определить по формуле (4.29). Эквивалентная постоянная времени
Сз и, Сз с, Сс и – справочное значение межэлектродных емкостей транзистора.
Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.
Что такое усилитель?
В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона
слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник
Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:
Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.
Что такое черный ящик в электронике
В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.
Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).
Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.
Что такое четырехполюсник
Пассивный четырехполюсник
Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).
В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.
Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.
Активный четырехполюсник
А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.
То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.
Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.
Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.
В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .
Обобщенная схема усилителя
Она выглядит примерно вот так:
Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС EИ и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада Rвх .
Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).
В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .
Типы усилителей
Усилители можно разделить на три группы:
Усилитель напряжения
Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:
KU — это коэффициент усиления по напряжению
Uвых — напряжение на выходе усилителя, В
Uвх — напряжение на входе усилителя, В
Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .
В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е. Rвх >>Rи и Rн намного больше, чем Rвых (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.
Усилитель тока
Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:
где KI — коэффициент усиления по току
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.
Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.
Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.
Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.
Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх
Усилитель мощности
Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.
Чем же УМ отличается от УН и УТ?
Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.
Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:
U — напряжение, В
Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:
KP — коэффициент усиления по мощности
Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт
Pвх — мощность на входе усилителя, Вт
Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .
Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).
Выходная мощность усилителя
Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
UВых — напряжение на нагрузке, В
Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
cos φ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения
Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид
Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.
Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.
Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:
Виды усилителей по полосе пропускания
По ширине полосы пропускания усилители делятся на:
Усилители низкой частоты
Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.
Усилители высокой частоты
Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.
Широкополосные усилители
Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.
Узкополосные усилители
Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.
Усилители постоянного тока
Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).
Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.
Электронные усилители
Термин усилитель весьма многозначен. Это может быть гидроусилитель, хорошо известный автомобилистам, магнитный усилитель, применявшийся когда-то в системах автоматики. Также известны электромеханические и релейные усилители.
Принцип работы всех усилителей одинаков: под воздействием слабого управляющего сигнала на выходе усилителя появляется мощный выходной сигнал. Естественно, что для получения выходного сигнала большой мощности требуется внешний источник энергии.
Например, на управление катушкой реле требуется мощность в доли ватта, в то время, как контакты могут коммутировать нагрузку в несколько киловатт. Что называется, налицо усиление по мощности. Но в этой статье будут вкратце рассмотрены только электронные усилители.
Электронные усилители
Именно они являются наиболее распространенным узлом различных приборов и устройств. В зависимости от выполняемой функции, от природы входного сигнала, усилители разделяются на несколько типов. В одном случае это, например, сигнал термопары, а в другом музыка, речь или сигнал телевизионной антенны, работающей в дециметровом диапазоне волн.
Но все электронные усилители объединяет то, что они используют явление электропроводимости в различных средах. Прежде всего это вакуум (электронные лампы) и полупроводники (транзисторы и микросхемы).
Большая часть электронных усилителей в настоящее время выполнена на полупроводниках, конструкции на лампах используются любителями очень качественного звука, меломанами, и еще там, где без ламп обойтись невозможно.
Усилители конструктивно могут быть как отдельным устройством, так и составной частью какого-либо прибора, например измерительного.
Усилители постоянного тока (УПТ)
Эти усилители работают в диапазоне частот от нуля до некоторой верхней частоты. Другими словами они способны усиливать постоянное напряжение. При этом, конечно же, усиливается и переменная составляющая сигнала. Схема, если не всего, то какой-то части УПТ показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема усилителя постоянного тока
УПТ являются также основой для создания операционных усилителей (ОУ), которые широко применяются в различных приборах. Собственно, все УПТ в настоящее время строятся на основе ОУ, достоинства которых широко известны и не подлежат никакому сомнению.
На рисунке 2 показана схема УПТ на базе операционного усилителя. Как видно, она намного проще предыдущей, хотя параметры ее намного лучше.
Рисунок 2. УПТ на основе ОУ
Усилители переменного тока
Усилители переменного тока отличаются от УПТ тем, что усиливают лишь переменную составляющую входного сигнала. В качестве примера на рисунке 3 показан микрофонный усилитель для динамического микрофона типа МД-52 или ему подобным, которым комплектовались отечественные магнитофоны.
Рисунок 3. Микрофонный усилитель
На входе и выходе усилителя, выполненного на микросхеме, установлены разделительные конденсаторы, что позволяет пропустить через усилитель только переменную составляющую сигнала.
Такая схема называется также микрофонным усилителем. Будучи подключенной к звуковой карте компьютера упомянутый микрофон позволяет получить прекрасный звук, гораздо лучший, нежели при помощи китайского компьютерного микрофона.
Усилитель прекрасно работает даже от +5В, поэтому запитать его можно от разъема USB, или вывести 12 вольт из компьютера. Налаживания устройство не требует, начинает работать сразу. Малое количество деталей позволяет собрать эту схему навесным монтажом, используя выводы деталей. При этом следует стремиться, чтобы соединения были как можно короче. Это спасет от наводок и помех.
Усилители высокой частоты
Применяются в основном в радиоприемниках и телевизорах. Их назначение несколько усилить входной сигнал, например, от антенны. Далее происходит супергетеродинное преобразование, и дальнейшее основное усиление происходит на промежуточной частоте. Спецификой таких усилителей является применение ВЧ транзисторов, а также особенности монтажа устройства. Подобный монтаж можно увидеть, если открыть радиочастотный блок любого современного телевизора.
Полосовые усилители
Полосовые усилители предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот. В качестве примера можно привести усилители промежуточной частоты (УПЧ). Полоса частот в таких усилителях обеспечивается за счет колебательных контуров и фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) или пьезокерамических фильтров (ПКФ). Ведь усилить сигнал в узкой полосе частот намного проще, чем создавать очень широкополосный усилитель.
Кроме уже упомянутых усилителей существует весьма большое количество из разновидностей, вот еще некоторые из них.
Предварительные усилители
Их назначение усилить сигнал от слабого источника до уровня, приемлемого для дальнейших каскадов. Например, поднять уровень магнитофонной приставки до входного уровня оконечного усилителя звуковой частоты. Предварительный усилитель также может включать в себя регуляторы тембра и громкости.
Для воспроизведения грамзаписи с виниловых дисков применяются специальные предварительные усилители-корректоры, формирующие частотную характеристику для работы с головкой звукоснимателя. Когда музыку записывали и слушали на магнитофонах, в ходу были усилители записи и воспроизведения. Назначение таких усилителей состояло в формировании требуемой частотной характеристики канала запись – воспроизведение.
Измерительные усилители
Рисунок 4. Схема инструментального усилителя
Наряду с этой схемой широкое применения находят также схемы на одном ОУ или двух. Встречаются и более сложные конструкции. В последнее время измерительные усилители выпускаются в интегральном варианте,- все что показано на рисунке 4 умещается в одном корпусе, при этом количество подстроечных элементов минимально, как правило, один внешний резистор. На рисунке 4 это R1, а на рисунке 5 резистор RG (GAIN).
Внутреннее устройство интегрального измерительного усилителя типа AD623, естественно, упрощенная схема показано на рисунке 5 . Отличительная особенность этого усилителя малая цена и способность работать с однополярным питанием.
Читайте также: