Усилители. Источник сигнала Усилительный элемент Нагрузка Источник питания (ИП)
 Скачать 467.28 Kb.
|
|
Усилители Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке, при этом мощность, требуемая для управления, как правило, меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают. Источник сигнала Усилительный элемент Нагрузка Источник питания (ИП) Регулирует подачу энергии от ИП в нагрузку За счет его энергии происходит усиление Классификация усилителей По частоте усиливаемого сигнала Усилители низкой частоты (УНЧ) (десятки Гц…сотни Гц) Широкополосные усилители (ШПУ) (единицы Гц - десятки МГц) Узкополосные усилители (усиливают в узкой полосе частот) По роду усиливаемого сигнала Усилители постоянного тока (УПТ) (от 0 Гц и выше) Усилители переменного тока (F ≠ 0) По функциональному назначению Усилители напряжения Усилители тока Усилители мощности Параметры усилителя Коэффициент усиления по напряжению: Кu = Uвых Uвх Коэффициент усиления по току: КI = Iвых Iвх Коэффициент усиления по мощности: Кр = Рвых Рвх Uвх, Iвх, Uвых, Iвых - действующие значения переменных значений входного и выходного токов и напряжений. Рвх и Рвых мощности сигналов на входе и выходе усилителя Входное сопротивление: Rвх = Uвх Iвх Выходное сопротивление: Rвых = ǀΔUвыхǀ ǀΔIвыхǀǀ Приращения напряжения тока на выходе Усилитель на биполярном транзисторе Назначение элементов: Т – регулирует подачу энергии от Ек в нагрузку. Ек – источник энергии. R1, R2, - базовый делитель – для обеспечения начального режима работы. Rэ, Сэ – для обеспечения температурной стабилизации. C1, C2 – разделительные конденсаторы -для развязки по постоянному току. Rк – сопротивление коллектора, на котором выделяется усиленный сигнал. UR2 1' 1 T - биполярный транзистор n-p-n типа Принцип работы усилителя на биполярном транзисторе Статический режим: При включении источника питания протекает ток делителя (+Ек → R1→ R2 → ﬩ → - Eк) . На R2 создается напряжение, которое смещает эмиттерный переход в прямом направлении. Протекает ток базы Iбн : +Ек → R1→ БЭT→ Rэ → ﬩ → - Eк, который вызывает ток коллектора Iкн : +Ек → Rк→ КЭТ → Rэ → ﬩ → - Eк. Динамический режим: При подаче на вход усилителя 1 – 1' напряжения uвх протекает переменный ток базы (1 → C1→ БЭT → Cэ → ﬩ → 1' и в обратном направлении). Это вызывает переменный коллекторный ток (КТ → Rк → Ек → Сэ → ЭТ и в обратном направлении), который создает на Rк усиленный (по I, U и P) сигнал. Этот сигнал через С2 подается на сопротивление нагрузки uвых. Режим работы усилителя на биполярном транзисторе При расчете усилителя ток Iбн выбирается на середине линейного участка вольтамперной характеристики. Усиливаемый сигнал uвх должен остаться в пределах линейного участка, чтобы формы сигнала на входе и выходе усилителя были одинаковыми. ГТ122А UКЭ, В IК, мА 0 IБ=0 мА 4 8 12 16 20 24 28 32 2 4 6 8 10 12 0,2 мА 0,35 мА 0,5 мА 0,65 мА 0,8 мА 0 IБ UБЭ Iбн Iкн uвх uвых Iк = Ек Rэ + Rк Ек Iбн = Ек - Uбн Rэ + R1 Uбн Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с ОК uвх uвых R1 Rн Rэ C2 C1 Eк T В усилителе на БПТ по схеме с ОК коллектор является общим электродом по переменному току для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. В схеме имеет место усиление по току, т.к. iвх=iб << iвых=iэ, отсутствует усиление по напряжению, т.к uвх>uвых Усилитель имеет большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. + - Дифференциальный усилитель Усилительное устройство обычно состоит из нескольких усилителей (каскадов), соединенных друг с другом. Межкаскадные связи выполняются в виде непосредственных (прямых, гальванических) или с разделением по постоянному току (с помощью конденсаторов или трансформаторов). При построении усилителей с непосредственными связями важной проблемой является дрейф, т.е. изменение постоянного напряжения (тока) при отсутствии входного сигнала из-за изменения температуры окружающей среды, напряжения питания и других дестабилизирующих факторов. Дрейф зависит от коэффициента усиления и приводит к искажениям усиливаемого сигнала. Одной из мер борьбы с дрейфом является использование дифференциального усилителя (ДУ). Дифференциальный усилитель представляет собой два идентичных усилителя, к выходам которых подключена нагрузка. Eк T1 uс1 uвых Rк2 T2 Rк1 + Rн + + ‒ ‒ Е1 Е2 uс2 ‒ Дифференциальный усилитель (усиление синфазного сигнала) В схеме ДУ два усилителя (схема с ОЭ): Т1, Rк1, Ек и Т2, Rк2, Ек, к выходам которых подключена нагрузка Rн. E1 и E2 – определяют положение рабочей точки при uc1 = uc2 = 0. Пусть на входы действуют синхронные сигналы uc1 = uc2 (эквивалентно дрейфу нуля). При идентичных параметрах усилительных каскадов Т1, Rк1, Ек и Т2, Rк2, Ек дрейф напряжения в нагрузке Rн отсутствует, так как напряжения на коллекторах транзисторов Т1 и Т2 равны и их разность равна нулю uвых=0. Однако незначительные отклонения параметров усилителей приводят к появлению дрейфа нуля. Для уменьшения влияния отклонения параметров усилителей на величину дрейфа нуля в эмиттерные цепи транзисторов включают одинаковые по величине сопротивления резисторы Rэ1 и Rэ2. В этом случае коэффициент передачи (усиления) синфазных сигналов уменьшается в Rк/(Rк + Rэ), уменьшается значения синфазных сигналов на коллекторах транзисторов, а следовательно, и их разность, т.е. величина дрейфа. Так как напряжения на эмиттерах транзисторов одинаковые, то эмиттеры можно соединить и вместо двух резисторов (Rэ1 и Rэ2) использовать один Rэ. Для повышения степени подавления синхронного сигнала (помехи) требуется Rэ/Rк >> 1. Eк T1 uс1 uвых Rк2 T2 Rк1 + Rн + + ‒ ‒ Е1 Е2 uс2 ‒ Rэ1 Rэ2 Дифференциальный усилитель (усиление синфазного сигнала) При подаче на входы усилителей противофазных сигналов напряжения на коллекторах транзисторов изменяются в противофазе, напряжение на нагрузке будет равно их разности: uвых = uк1 –uк2 , т.е. имеет место усиление разностного сигнала. Eк T1 uс1 uвых Rк2 T2 Rк1 + Rн + + ‒ ‒ Е1 Е2 uс2 ‒ Rэ Дифференциальный усилитель (усиление разностного сигнала) Передаточные (проходные) характеристики ДУ - это зависимости Iк1, Iк2 транзисторов Т1 и Т2 от разностного (дифференциального) напряжения между их базами uдиф. = uб1-uб1. Iк1 = 0,5α0I0 [1+th(uдиф/2φт)] uб1 uб2 Iк2 = 0,5α0I0 [1+th(uдиф/2φт)] α0 - коэффициент передачи Iэ I0 = Iэ1 + Iэ2; φт =25 мВ при Т = 300 К Iэ1 Iэ2. I0 о Iк1 Iк2 0 uдиф Iк 0,5 1 Eк T1 uвх uвых Rэ Rк2 T2 Eэ Rк1 Дифференциальный усилитель + ‒ + ‒ ‒ + Дифференциальный усилитель построен на основе моста постоянного тока, плечи которого образованы резисторами Rк1=Rк2 и биполярными транзисторами одного типа, включенными по схеме с ОЭ. Параметры транзисторов отличаются на 1÷5%. Использование двух одинаковых половин делает выходное напряжение (uвых) слабо зависящим от напряжения подаваемого на каждый из входов. Выходное напряжение зависит только от разности напряжений, подаваемых на прямой и инверсный входы. + прямой вход - инверсный вход В представленной схеме ДУ использовано двухполярное питание. Транзисторный ключ uвх uвых Rк RБ Eк T + ‒ Транзисторный ключ - это усилитель, в котором транзистор работает в импульсном режиме, т.е. когда токи и напряжения характеризуются резкими изменениями. Транзистор в этом режиме основную часть времени находится в открытом (насыщении) или закрытом ((отсечки) состоянии. Это позволяет значительно повысит коэффициент полезного действия в устройствах силовой электроники, поскольку в открытом состоянии транзистор находится в режиме насыщения и напряжение на транзисторе мало, а в закрытом состоянии (режим отсеки) ток через транзистор мал, следовательно мощность, идущая на его нагрев мала. Транзисторный ключ uвх uвых Rк RБ Eк T + ‒ uвх t uвых t t1 t2 Δtз1 Из-за инерционности транзистора включение и выключение ключа не происходит мгновенно: имеет место задержка включения (Δtз1), определяемая временем перезаряда емкостей транзистора, время, в течение которого в базу вводится граничный заряд (Δtсп), время задержки выключения (Δtз2), в течение которого из базы выводится избыточный заряд, время нарастания напряжения (Δtнар), определяемое длительностью вывода из базы граничного заряда и перезарядкой емкостей транзистора. Для сокращения указанных временных задержек принимаются специальные меры, позволяющие, например, ускорить процесс ввода в базу граничного заряда или не допустить глубокого насыщения транзистора. Δtсп Δtнар Δtз2 0 0 Си uвх uвых Rс Rз Rн Rи C2 C1 Eс T Усилитель на полевом транзисторе Назначение элементов: Т – регулирует подачу энергии от Ес в нагрузку. Ес – источник энергии. Rи – для создания запирающего напряжения на затворе при протекании начального тока истока Iин. Си –создает цепь переменному току истока. C1, C2 – разделительные конденсаторы -для развязки по постоянному току. Rс – сопротивление коллектора, на котором выделяется усиленный сигнал. Rз – для подачи запирающего напряжения на затвор Т uзи uRи T- полевой транзистор с управляющим p-n переходом Статический режим: При включении источника питания протекает ток: +Ес → Rс→ И-С Т →Rи → ﬩ → - Eс . На Rи создается напряжение URи, которое через Rз подается на затвор Т, смещая переход З-И Т в обратном направлении. Устанавливается определенная ширина канала С-И Т. Напряжение на нагрузке равно нулю Динамический режим: При подаче на вход усилителя 1 – 1' переменного напряжения uвх изменяется ширина канала С-И Т, что ведет к изменению его сопротивления, а, следовательно, и величины тока стока. Переменный ток стока протекает по цепи: C Т→ Rс→ Ec → ﬩ → Си → И Т и в обратном направлении, создавая на сопротивлении Rс напряжение, которое через С2 предается в нагрузку Rн. При этом uвых >> uвх, т.е. происходит усиление uвх. Принцип работы усилителя на полевом транзисторе Усилители мощности (УМ) Т1 и Т2 – (биполярные транзисторы с разным типом проводимости - комплементарная пара) регулируют подачу энергии от источников питания Е в нагрузку Rн. В положительный полупериод входного напряжения Т1 в режиме усиления, Т2 – в режиме отсечки. В отрицательный полупериод транзисторы меняются ролями. Искажения uвых устраняются включением диодов D1 и D2. + + ‒ ‒ Е Е Rн uвых uвх Т1 Т2 Iн D1 D2 UБЭТ2 0 Iэ1 UБЭТ1 uвх Iэ2 t t Iн 0 + ‒ uвых = IнRн Операционный усилитель (ОУ) ОУ – это высококачественный усилитель для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Свое название ОУ получили от первоначальной области их преимущественного применения для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т.п.) в аналоговых вычислительных машинах. В настоящее время ОУ выполняются в виде полупроводниковых интегральных схем, содержат большое число (десятки) элементов ( транзисторов, диодов и т.д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. ОУ удобно использовать для решения самых разнообразных задач (генерирования, преобразования маломощных сигналов), что определило их широкое применение на практике Условные обозначение операционного усилителя - U +U 0U Инвертирующий вход Неинвертирующий вход Выводы для подключения источника питания Общий вывод Выход +U -U Упрощенные обозначения ОУ
Параметры операционного усилителя Напряжения на входах и выходе ОУ uдиф u + u - uвых uдиф = u + - u - Дифференциальное напряжение ОУ проектируются так, чтобы uвых как можно больше изменялось при изменении uдиф и как можно меньше изменялось при одинаковом изменении , т.е. синфазном изменении напряжений на входах ОУ u - и - u + Передаточная характеристика ОУ Инвертирующий усилитель на ОУ uдиф uвх uвых R1 R2 i1 i2 i+ i- i- = 0 (Rвх.оу = ∞), по закону Кирхгофа i1 = i2. uдиф = 0 (КUоу = ∞), i1 = uвх / R1, i2 = - uвых/R2 uвых = - uвх (R2/R1), Кu = - R2/R1 Инвертирующий усилитель на ОУ uвх uвых uвых 0 0 0 t t uвх Входное и выходное напряжения находятся в противофазе. uдиф uвх uвых R1 R2 i1 i2 i+ i- uR2 Неинвертирующий усилитель на ОУ uвх uвых uвых 0 0 0 t t uвх Входное и выходное напряжения находятся в фазе. Кu = 1 + (R2/R1) uдиф uвх uвых R1 R2 i1 i2 i+ i- uR2 Инвертирующий усилитель на ОУ uвх uвых uвых 0 0 0 t t uвх Входное и выходное напряжения находятся в фазе Кu = 1 + (R2/R1) uвх.1 uдиф uвх.n uвых R1 Rос in iос i+ i- Rn uR1 uR1 i1 Rэ Инвертирующий сумматор напряжений на ОУ uвых = - Rос Интегрирующий усилитель на ОУ (интегратор) uдиф uвх uвых R С i1 i2 i+ i- uвых = 1 RC t 0 uвх uвых uдиф uвх uвых R С i1 i2 i+ i- uвых = RC Дифференцирующий усилитель на ОУ t 0 uвх uвых u Компаратор (от английского слова compare – сравнить) – это устройство сравнения двух напряжений и в зависимости от того на каком из входов оно выше, устанавливает на выходе плюс или минус напряжения питания. u + u - uвых при u - > u + uвых < 0; при u - < u + uвых > 0 Компаратор на ОУ uвых uвых 0 0 0 t t uдиф uдиф = u - u - + +Eп -Eп +Eп -Eп Внешний вид ОУ Вариант схемы ОУ |