Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов направления 550200 (Автоматизация и управ. Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов напра. Конспект лекций для студентов направления 550200 (Автоматизация и управление) специальности
 Скачать 0.94 Mb.
|
План лекции.1. Классификация усилителей; 2. Режимы работы усилителей. В общем случае электронный усилитель представляет собой устройство, предназначенное для управления энергией, причем управляемая мощность значительно превышает мощность, требуемую для управления. Источник управляющей энергии называют ИСТОЧНИКОМ СИГНАЛА, а цепь усилителя, в которую поступают электрические колебания, – ВХОДОМ. Устройство, к которому подводят усиленные электрические колебания, называют НАГРУЗКОЙ, а цепь усилителя, к которой подключают нагрузку, –ВЫХОДОМ. Устройство, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в электрические колебания, называют ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ (рис. 2.1.1).  рис. 2.1.1. Функциональная схема усилителя. Как правило, в качестве источника питания используется источник постоянного напряжения. Наиболее простейшим элементом, используемым для построения усилителей, является транзистор. Существует несколько способов классификации усилителей. Один из них заключается в классификации по схеме включения транзистора. Различают три основные группы усилителей в зависимости от конфигурации схемы: с общим эмиттером, общей базой и общим кол лектором. Заметим, что при описании этих трех конфигураций слово "общий" можно заменить словом "заземленный". В другом способе усилители классифицируются в зависимости от выбора рабочей точки (или смещения, которым задается рабочая точка). Существует четыре таких класса: класс А, класс В, класс АВ и класс С. Для усилителя, работающего в классе А, смещение цепи база-эмиттер и входное напряжение таковы, что транзистор работает только на линейном участке ВАХ. График, представляющий зависимость между напряжениями на базе и током коллектора (1.5.2), показан на рис. 2.1.2. рис. 2.1.2. График положения рабочей точки в режиме А. Рабочая точка выбрана на середине линейного участка ВАХ. Амплитуда входного сигнала должна быть такой, чтобы не происходило ни отсечки коллекторного тока, ни насыщения транзистора. Достоинства усилителей, работающих в этом режиме: незначительная величина искажений; недостаток – низкий КПД (35 %). Для усилителя, работающего в классе В, смещение цепи база-эмиттер выбирается таким образом, что рабочая точка совпадает с точкой отсечки (рис. 2.1.3). рис. 2.1.3. График положения рабочей точки в режиме В. Как видно из графика, если в классе В работает одиночный транзистор, возникают существенные искажения. Если использовать два транзистора, каждый из которых работает во время одной из полуволн входного сигнала, и соединить выводы этих транзисторов по двухтактной схеме, то можно будет восстановить на выходе сигнал, форма которого будет подобна форме входного сигнала. Достоинства: высокое усиление по мощности и большая экономичность; недостатки: наличие переходных искажений. рис. 2.1.4. График положения рабочей точки в режиме В при двухтактной схеме включения. Снижение переходных искажений достигается работой каскада в классе АВ. В этом случае на транзисторы подается прямое смещение, обеспечивающее протекание коллекторного тока малой величины в режиме покоя. Для типичного кремниевого транзистора, работающего в классе АВ, напряжение прямого смещения устанавливается немного меньше 0.5 В. Режим класса А менее экономичен, чем режим класса В, т.к. потребляется больший ток от источника питания. Для усилителей, работающих в классе С, смещение цепи база-эмиттер выбирается таким, что обеспечивается режим глубокой отсечки. рис. 2.1.5. График положения рабочей точки в режиме С. В результате коллекторный ток течет только в течении некоторой доли полупериода входного сигнала. Т.о. результирующий коллекторный ток представляет собой импульсы, длительность которых меньше времени полупериода (рис. 2.1.5). Достоинства – высокая экономичность, недостатки - большие искажения. Еще один способ классификации усилителей основывается на функции, которую выполняет усилитель. При этом различаются усилители напряжения и усилители мощности. В некоторых случаях критерием, по которому производится разделение усилителей на группы, служит рабочая частота. При таком подходе различают усилители низкой частоты (УНЧ), усилители высокой частоты (УВЧ), усилители промежуточной частоты (УПЧ). Кроме того, при классификации по частотному признаку усилители делят на следующие классы: узкополосные, предназначенные для усиления на одной определенной частоте или в узком диапазоне частот; широкополосные, обладающие одинаковой величиной коэффициента усиления для широкого диапазона частот; перестраиваемые - усиление осуществляется на одной частоте или в узком диапазоне, на которые настраивается усилитель. Классификационным признаком может также служить вид усиливаемого сигнала. Существуют, например, усилители переменного тока, постоянного тока (УПТ) и импульсные усилители. Практически УПТ усиливает также и сигналы переменного тока. Аналогичным образом многие усилители постоянного и переменного токов свободно пропускают импульсы или сигналы прямоугольной формы. Классификационным признаком усилителей может также служить выполняемая ими функция или схема включения. По этому признаку усилители подразделяются на усилители с непосредственными связями, дифференциальные и операционные усилители. Заметим, что термин "усилитель с непосредственными связями" применим также и к УПТ. Лекция № 11. Основные технические показатели усилителей.План лекции. 1. АЧХ; 2. ФЧХ; 3. Переходная характиристика. Усилители характеризуются рядом технических показателей. В зависимости от того, какие из показателей считают основными, формируются требования к проектированию усилителей и выбираются способы их технической реализации. К основным показателям относятся: коэффициент усиления, амплитудно-фазово-частотные и переходные характеристики, коэффициент нелинейных искажений, уровень помех, чувствительность, устойчивость, входные и выходные сопротивления. Спроектированное устройство должно удовлетворять определенному сочетанию упомянутых показателей. В первую очередь усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению: или по току: или по мощности: Коэффициенты усиления определяются в установившемся режиме и определяются либо в безмерных, либо в логарифмических единицах децибелах. КU = 20lgkU ; Кi = 20lgki ; KР = 20lgkР Для характеристики усилительных свойств чаще используются коэффициенты усиления по напряжению, обозначаемой в комплексной форме . Поскольку в нагрузке усилителя имеются реактивные элементы, коэффициент усиления зависит от частоты.Коэффициент в области частот, в пределах которой он практически постоянен, называют номинальным коэффициентом усиления К0 .В общем случае, если усилитель содержит n каскадов:где – коэффициент j-ого каскада или в децибелах:Частотные свойства усилителя отображаются амплитудно и фазочастотной характеристиками. Первая из них представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты К(f). При анализе усилителей используют нормированную АЧХ: М(f) = K(f)/K0 (рис. 2.2.1). рис. 2.2.1. Нормированная амплитудно-частотная характеристика усилителя. Идеальная АЧХ – горизонтальная прямая М(f) = 1. Для каждой конкретной частоты fi значения М(fi) являются мерой частотных искажений. Часто вместо понятия "частотные искажения" вводят понятие "спада частотной характеристики" Е(f) = 1-M(f). Для оценки ширины полосы пропускания значения частотных искажений на граничных частотах принимают равными МН = МВ = 0.707 (-3дб). Тогда ширина полосы пропускания: f = fВ – fН. Если усилитель выполнен на n каскадах, результирующую АЧХ строят в соответствии с выражением: где – АЧХ j-ого каскада.В случае, когда коэффициент усиления выражен в децибелах получаем: Фазочастотная характеристика представляет собой зависимость от частоты сдвига фаз между входным и выходным сигналами, обусловленного реактивными свойствами отдельных элементов каскада. ФЧХ "n" каскадного усилителя определяется равенством: где – ФЧХ i-ого каскада.При усилении прямоугольных импульсов качество работы усилителя оценивается его переходной характеристикой. Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при воздействии на вход усилителя напряжения ступенчатой формы. Из-за наличия реактивных элементов, например, емкости, напряжение на входе устанавливается постепенно. Для оценки переходных искажений используют нормированную переходную характеристику h(t) = UВЫХ(t)/K0 при UВХ(t) = 1(t). Искажение формы импульса можно определить, зная время нарастания переднего фронта tФ (т.е. время нарастания переходной характеристики от 0.1 до 0.9), выброс вершины и спад вершины за время действия импульса длительностью tИ (рис. 2.2.2). рис. 2.2.2. Реакция усилителя на импульсный сигнал. АЧХ и переходная характеристика связаны равенствами: fВ = 0.35/tФ ; fН = /2*tИ Нелинейные искажения представляют собой искажения выходного сигнала, вызванные наличием в усилителе нелинейных элементов. Особенностью нелинейных искажений по сравнению с линейными (амплитудными и фазовыми) является появление в спектре выходного сигнала новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале. Мерой нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений где U2, U3… – амплитуды или действующие значения высших гармоник. U1 – амплитуда или действующее значение первой (основной) гармоники. В выходном напряжении наряду с основной составляющей сигнала всегда присутствует составляющая помехи. Уровень помех на выходе не должен превышать некоторой определенной доли выходного сигнала. Основные помехи, возникающие внутри усилителя, – это фон и шумы. ФОН – добавочное напряжение на выходе, вызванное питанием усилителя от сети переменного тока или наводками от внешних полей. Уменьшение фона достигается за счет: 1. сглаживания пульсацией питающего напряжения; 2. использованием отрицательной ОС; 3. рациональной конструкцией и грамотным монтажом устройства. Одной из причин возникновения помехи является нестабильность нулевого положения выходного уровня сигнала или дрейф нуля, вызванный температурной нестабильностью параметров транзисторов, изменением напряжения источников питания и параметров активных и пассивных элементов схемы. Численно дрейф нуля оценивают его значением, отнесенным к входу усилителя. Снижению уровня дрейфа способствуют стабилизации питающих напряжений и температуры, использование компенсирующих элементов, применение специальных схемных решений, введение цепей ООС по постоянному току. Одним из важнейших показателей усилителя является чувствительность. Под чувствительностью понимают меру изменения той или иной характеристики усилителя, вызванного изменением одного или нескольких элементов схемы. Например, чувствительность коэффициента усиления к параметру х будет выражаться зависимостью: Входное сопротивление усилителя представляют в виде параллельного соединения входного сопротивления RВХ входной емкости СВХ Выходное сопротивление усилителя рассматривается в качестве внутреннего сопротивления источника сигнала по отношению к внешней нагрузке. Требования к выходному сопротивлению зависят от нагрузки усилителя. Для улучшения качественных показателей усилителей широко используется ООС. При наличии ООС часть выходного сигнала пере дается на вход с противоположной по отношению к входному сигналу фазой. Поэтому введение ООС вызывает уменьшение коэффициента усиления; но при этом удается снизить уровень нелинейных искажений, повысить стабильность усилителя, улучшить АЧХ и АФХ. В ряде случаев с помощью ООС формируются необходимые функциональные зависимости выходного сигнала от входного и решают задачи, связанные с построением аналоговых и цифро-аналоговых устройств на базе усилите лей. В усилителях ООС характеризуется глубиной ОС, определяемой как отношение коэффициента усиления при отсутствии ООС к той же величине при ее действии: F = KР/Кз Глубина ОС выражается как F = 1 + KОС*КР ,поэтому коэффициент усиления усилителя при наличии ООС следовательно, введение ООС уменьшает коэффициент усиления в F раз, и улучшает стабильность коэффициента усиления в такое же число раз. При глубокой ООС, Когда KОС*КР >> 1 из выражения для Кз следует, что коэффициент усиления усилителя с ООС равен 1/ KОС и практически не зависит от КР, т.е. свойства усилителя определяются только цепями ОС. Применение ООС позволяет расширить полосу равномерно усиливаемых частот. Вместе с тем наличие реактивных элементов в усилителе приводит к снижению устойчивости усилителей с ООС. Поэтому при расчете многокаскадных усилителей с ООС важное значение приобретают вопросы устойчивости. Лекция № 12. Выбор рабочей точки усилителя. |