Лекция 2 Усилители на транзисторах. 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов
 Скачать 7.16 Mb.
|
|
Лекция 2 Усиление сигналов. Электронные усилители, общие характеристики и классификация. Определение электронных усилителей. Статистические и динамические режимы усилительных каскадов. Схемы включения каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители с емкостной связью. Анализ влияния дестабилизирующих факторов на работу усилительных каскадов. Анализ влияния комплексного характера источника сигнала и нагрузки на работу усилительных каскадов. Многокаскадные усилители. Способы реализации межкаскадных связей. 2. УСИЛИТЕЛИ И ФОРМИРОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.  УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ1.1. Общие сведения об усилителях электрических сигналов, их основных параметрах и характеристикахУсилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала. Превышение мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки, над мощностью источника входного сигнала достигается за счет энергии источника питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в полезную нагрузку. Усиление электрических сигналов практически всегда сопровождается изменением их формы. Причем качество усилителя считается тем более высоким, чем меньше нежелательные искажения сигналов. Часто бывает удобно рассматривать не мощность сигналов на входе или выходе усилителя, а величины напряжений или токов. В связи с этим усилители условно делят на усилители тока, усилители напряжения или мощности. Принадлежность усилителя к тому или иному классу определяется его назначением и выбором соответствующих параметров схемы и усилительных элементов. По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени различают усилители медленно меняющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока. К ним относятся усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, широкополосные усилители, избирательные усилители и т.д. Классификация усилителей. а) гармонические (только синусоидальные). б) импульсные (только импульсный сигнал). в) постоянного тока (для частот близких к нулю герц). г) радиотехнические (переменного тока). д) низкочастотные (НЧ) от 10 до 100 тысяч Гц.. е) промежуточно-частные от 465 кГЦ до 10,7 МГц. ж) высокочастотные (ВЧ) для радиочастот с частотой от 1000 кГц и выше. з) широкополосные (применяются в измерительной технике и осциллографах). Они усиливают в широкой полосе частот от 0 до нескольких МГц и) избирательные или селективные(усиливают сигнал в узком диапазоне частот) В зависимости от типа преобразования сигнала а) прямого усиления (в них сигнал усиливается без преобразования по частоте) б) усилители с преобразованием частоты. Усилители имеют определенные параметры и характеристики. Одним из основных параметров усилителя является его коэффициент усиления, который представляет собой отношение параметров выходного сигнала к входному. Так, коэффициент усиления по напряжению КU =  , коэффициент усиления по току КI =  , коэффициент усиления по мощности КP =  .В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются неоднородными, вместо коэффициента усиления используется коэффициент преобразования. Например, S =  — коэффициент преобразования входного напряжения в выходной ток, называемый часто крутизной усиления; W =  — коэффициент преобразования тока в мощность.Коэффициенты усиления часто оценивают в логарифмических единицах- децибелах КU дб = 20 lg  ,КI дб = 20 lg  ,КP дб = 10 lg  .В логарифмических единицах обычно задают коэффициент усиления многокаскадного усилителя, который равен сумме коэффициентов усиления его отдельных каскадов, выраженных в дб. К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая и переходная характеристики. Амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного напряжения Uвых = f (Uвх) (Рис.2.1). Уменьшение коэффициента усиления при больших входных сигналах определяется нелинейностью характеристик усилительных элементов — транзисторов. По амплитудной характеристике усилителя определяют динамический диапазон усилителя D = 20 lg  . Рис. 2.1. Амплитудная характеристика усилителя Динамический диапазон усилителя ограничивается с одной стороны уровнем собственных шумов и помех, наблюдаемых на выходе усилителя, а с другой – допустимым уровнем нелинейных искажений, т.е. предельно допустимым значениям Uвых maх. Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) – определяется как зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала (рис.2.2). По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя, т.е. рабочий диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления изменяется не больше заданного.  Рис. 2.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 0,7 Кмакс (рис. 2.2). АЧХ большинства широкополосных усилителей не удается изобразить в линейном масштабе по оси частот. Поэтому для них чаще всего пользуются полулогарифмическим масштабом. Фазо-частотная характеристика представляет собой зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты входного сигнала. (рис. 2.3).  Рис.2.3. Фазо-частотная характеристика усилителя В ряде случаев для наглядности строят раздельно фазовые характеристики для области низких и области высоких рабочих частот усилителя. Фазовые сдвиги в усилителях обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. Из приведенного рис. 2.3 видно, что в области средних частот, на которых можно пренебречь влиянием реактивных элементов, присутствующих в схеме усилителя, фазо-частотная характеристика линейна. Амплитудно-фазовая характеристика (на Западе ее часто называют диаграммой Найквиста)— это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 2.4).  Рис. 2.4. Амплитудно-фазовая характеристика усилителя Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики усилителя. Для построения этой характеристики определяют коэффициент усиления и фазу выходного напряжения в функции частоты. Каждой частоте соответствует на плоскости точка в полярных координатах. При непрерывном изменении частоты от 0 до в полярной системе координат строится кривая, которая и называется амплитудно-фазовой характеристикой. Амплитудно-фазовая характеристика используется для определения устойчивости усилителей с обратной связью. Так, в соответствии с критерием Найквиста, усилитель с замкнутой цепью обратной связи устойчив, если амплитудно-фазовая характеристика вектора коэффициента разомкнутой петли обратной связи не охватывает точку (-1, j0 ) и не проходит через нее. Переходная характеристика (см. рис. 2.5) используется при анализе импульcных усилителей.  Рис. 2.5. Переходная характеристика усилителя Данная характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения или тока от времени при действии на входе единичного скачка напряжения или тока. Переходная характеристика дает представление о прохождении сигналов сложной формы через усилитель. Так, при усилении импульсного сигнала прямоугольной формы, происходит увеличение длительности фронта импульса и снижении его вершины. Указанные изменения формы сигнала вызваны происходящими в схеме усилителя переходными процессами. Экспериментально переходную характеристику усилителя можно получить на экране осциллографа, если подать на его вход прямоугольный импульс напряжения определенной длительности, а выход усилителя подключить к осциллографу. |