Лекц. Электроника. Лекция 1 Электрофизические свойства полупроводников
 Скачать 1.42 Mb.
|
|
Лекция №5 Электронные усилители. Электронным усилителем называют устройство, обеспечивающее увеличение мощности электрических сигналов, поступающих на его вход. Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования энергии источника питания. Это преобразование происходит с помощью активных элементов, которые управляются входными сигналами. Входной сигнал подается через электрическую цепь, которая называется входной или входом усилителя. Электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходной цепью. Для выделения усиленного сигнала в выходную цепь включается нагрузка. Нагрузкой может служить резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора, откл. пластины ЭЛТ. Нагрузка, по которой протекает постоянная составляющая выходного тока, называется нагрузкой по постоянному току. Сопротивление цепи, по которой протекает переменная составляющая выходного тока, образует нагрузку по переменному току. Для разделения нагрузок по переменному и постоянному току применяются разделительные конденсаторы и тр-ры. Простейший усилитель содержит один активный элемент с присоединенным к нему пассивными элементами. Error: Reference source not found Рис. 1. Классификация усилителей. Классификация усилителей может быть проведена по нескольким признакам. Характеру усиливаемых сигналов: гармонических сигналов, импульсных, усилители постоянного тока; По ряду усилительных элементов: транзисторные, ламповые, диодные; По роду усиливаемой величины: усилители I,U,P. По числу каскадов: одно и многокаскадные; По диапазону частот электрических сигналов, в пределах которых усилитель может удовлетворительно работать. По виду связей усилителя с источниками входного сигнала и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях: реостатно-емкостные; трансформаторные; с гальваническими связями. Усилители низкой частоты (УНЧ): предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от единиц Гц до 10 кГц. Характерной особенностью УНЧ является отношение усиливаемых частот, составляющее от 10 до 10 тысяч. Усилители постоянного тока (УПТ): Усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие сигналы в диапазоне частот от до высшей рабочей частоты , составляющей нередко десятки и сотни килогерц. Избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно ). Они используются как на низких так и на высоких частотах и используются в качестве частотных избирательных фильтров. 4.Широкополосные или импульсные усилители. Применяются для усиления сигналов в широкой полосе частот (от нескольких килогерц и ниже) до нескольких мегагерц и выше). Основные технические показатели и характеристики усилителей. Важнейшими техническими показателями усилителя являются: Коэффициенты усиления (по I,U и P); Входное и выходное сопротивления; Выходная мощность; Коэффициент полезного действия; Диапазон усиливаемых частот; Динамический диапазон амплитуд; Нелинейные, частотные и фазовые искажения. Коэффициенты усиления. Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз сигнал на выходе усилителя больше, чем на его входе. В многокаскадном усилители , где - число каскадов усиления. В электронике получил распространенный способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (ДБ). ; Входное и выходное сопротивления. Входное сопротивление представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя. Оно равно ; Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя ; Error: Reference source not found Рис. 2. Error: Reference source not found Выходная мощность. Выходная мощность- это полезная мощность развиваемая усилителем в нагрузке. При активной характеристике нагрузки мощность равна ; Коэффициент полезного действия. К.п.д. есть отношения полезной мощности в нагрузке к мощности потребляемой от всех источников питания Диапазон усиливаемых частот. Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания усилителя, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не более чем это допустимо по техническим условиям. Динамический диапазон амплитуд. Графическая зависимость выходного напряжения усилителя от его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристикой. Error: Reference source not found Рис. 2. Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют динамическим диапазоном амплитуд D. . Нелинейные искажения в усилителях. Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызываемое нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. - сумма электрических мощностей, выделяемых на нагрузке гармониками. Для активной нагрузки Для многокаскадного усилителя В усилителях контр.- измерительной аппаратуры составляет десятые доли процента. Частотные искажения. Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на разных частотах. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей зависимость коэффициента усиления от частоты. Error: Reference source not found Рис. 3. Степень искажений на отдельных частотах выражают коэффициентом частотных искажений М, равным отношению: Обычно наибольшие искажения возникают на границах диапазона частот и . Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициента частотных искажений отдельных каскадов Его удобно выражать в ДБ . Для контрольных измерений аппарата коэффициент частотных искажений должен составлять десятые и даже сотые доли ДБ. Частотные искажения всегда сопровождаются фазовыми искажениями. Фазовые искажения. Фазовые искажения оцениваются по фазочастотной характеристике, представляющей график зависимости угла сдвига фаз между входным и выходным напряжения усилителя от частоты. Error: Reference source not found Рис. 4. Реальная ф.ч.х. (кривая 2) отличается от идеальной (кривая 1). Это означает, что различные спектральные составляющие входного сигнала задерживаются усилителем на различное время. Обратная связь в электронных усилителях. Обратной связью называется такая электрическая связь между каскадами усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя подается на его вход. Цепь, по которой осуществляется такая передача энергии, называется цепью ОС. Error: Reference source not found Рис. 5. - коэффициент усиления усилителя; - коэффициент передачи цепи ОС. Если электрические колебания из выходной цепи поступают во входную в фазе с электрическими колебаниями входного сигнала, то это- положительная ОС. При противофазности указанных электрических колебаний образуется ООС. По принципу действия различаются ОС по напряжению и ОС по току. При ОС по напряжению цепь ОС включается параллельно нагрузке. Error: Reference source not found Рис. 2. При этом . При ОС по току цепь ОС включается последовательно с нагрузкой. При этом . Error: Reference source not found Рис. 3. Напряжение ОС может подаваться на вход усилителя либо параллельно либо последовательно с напряжением входного сигнала. В первом случае ОС называется параллельной, а во втором последовательной. Error: Reference source not found Error: Reference source not found Рис. 4. рис. 5. Влияние ОС на коэффициент усиления. Для вывода коэффициента усиления усилителя охваченного ОС рассмотрим схему: Error: Reference source not found Рис. 6. - может принимать значения от ОТО +1 при ПОС и ОТО до –1; при ООС . разделив обе части уравнения на получим: ; Для вещественных значений коэффициент усиления усилителя К и коэффициент передачи цепи обратной связи запишем для ООС, что ; т.е. коэффициент усиления усилителя, охваченного ООС уменьшается в раз. Введение ООС улучшает ряд параметров усилителя: Повышает стабильность коэффициента усиления, например. Предположим, что К изменился на 10% т.е. на 8 тогда т.е. изменился менее 1%. Таким образом, отрицательная обратная связь препятствует любым изменениям величины коэффициента усиления. 2. Увеличивается входное сопротивление усилителя в раз для последовательной ООС. 3. Уменьшает нелинейные и частотные искажения. ; Наибольший вклад в уровень нелинейных искажений вносит выходной каскад усилителей. Поэтому ООС часто вводят именно в выходном каскаде. Введение ООС позволяет получить более равномерную амплитудно-частотную характеристику усилителя. т.е. спад характеристики на низких частотах. Так как то . Предполагая, что обратная связь глубокая , получим т.е. частотные искажения с ООС значительно уменьшаются. На рис. 7. показан амплимтудно-частотные характеристики усилителя без ОС и с ООС. Error: Reference source not foundРис. 7. - характеристика без ОС; - характеристика с ООС. Лекция №6 Усилители переменного напряжения. Назначение усилителя состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала. Среди усилителей переменного напряжения наиболее видное место занимают УНЧ, усиливающие электрические колебания в диапазоне частот от единиц Гц до десятков кГц. УНЧ применяют в радиоприемниках и радиотрансляционных устройствах, системах автоматического регулирования и телеметрии. Напряжение на входе может меняться от долей микровольта до нескольких вольт. Значение напряжений усиленных электрических колебаний могут быть до сотен вольт, а по мощности до сотен ватт и киловатт. Для получения такого усиления усилители строятся по многокаскадной схеме Error: Reference source not found Рис. 1. В качестве нагрузок УНЧ могут использоваться резисторы, трансформаторы, обмотки электродвигателей, динамические головки громкоговорителей и т.д. Из трансформаторных УНЧ наибольшее применение получили усилители с ОЭ и ОИ, так как они обеспечивают наибольший коэффициент усиления при сравнительно высоким входным сопротивлением. Схемы УНЧ предварительного усиления. Простейшую схему резистивного усилителя с ОЭ можно представить в следующем виде. Error: Reference source not found Рис. 2. Схема с фиксированным базовым током. Назначение элементов в схеме: - источник постоянного напряжения за счет энергии которого происходит усиление электрических колебаний; - сигнал электрических колебаний, который должен быть усилен; - разделительный конденсатор, служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала; - сопротивление в цепи базы транзистора, обеспечивает выбор исходной рабочей точки на характеристиках тр-ра и определяет режим работы по постоянному току; - нагрузочное сопротивление, служит для выделения усилительного сигнала электрических колебаний; - разд. Конденсатор, служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока коллектора через нагрузку; - транзистор, служит для преобразования энергии источника постоянного напряжения в энергию усиленных электрических колебаний. Принцип работы усилителя. Источник сигнала создает на входе усилителя переменное напряжение изменяющееся по закону При неработающем источнике усилитель находится в режиме покоя (интервал времени 0….t), который характеризуется постоянными напряжениями ; и постоянными токами ; . Изменение базового тока вызывает изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда оказывается значительно больше амплитуды . Рис. 3 Кроме того напряжение сдвинуто на по отношению к напряжению . Усилители у которых фаза выходного напряжения противоположна фазе входного напряжения называются инвертирующими. Процесс работы усилителя можно отразить на входных и выходных статистических характеристиках транзистора, пользуясь понятием динамического режима работы транзистора. Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются. Графический анализ работы усилителя начнем с построения нагрузочной прямой, положение которой на выходных статистических характеристиках тр-ра определяется уравнением динамического режима для выходной цепи. Error: Reference source not found Error: Reference source not found Рис. 4 Пусть ; Находим две точки А на оси тока и В на оси напряжений. Для точки А должно удовлетворятся условие Для точки В Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку О следует располагать на средине рабочей части нагрузочной прямой. Выбранная рабочая точка О однозначно определяет отсутствие входного сигнала. Ток базы равен значению для кривой на которой находится выбранная точка О. Установив постоянный ток базы , на входных характеристиках находим напряжения смещения . Для получения выбранного режима необходимо в усилителях обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор . Величину можно рассчитать по формуле ; ; Достоинства: один источник питания, малое число деталей, большое сопротивление (десятки кОм.). Недостатки: схема непригодна для работы в широком температурном диапазоне; большой разброс и нестабильность параметра делает режим работы усилителя неустойчивым. Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения. Схема с фиксированным напряжением смещения на базе. Error: Reference source not found Рис. 5 В этой схеме сопротивления и , подключенные параллельно , составляют делитель напряжения. Сопротивление делителя определяют из очевидных соотношений: Для повышения стабильности режима работы схемы ток выбирают в пределах Сопротивления и включены параллельно друг другу. Поэтому необходимо чтобы , т.е. делитель должен обладать большим сопротивлением (несколько кОм). Для стабилизации рабочей точки на характеристиках приходится принимать различные меры. С помощью термосопротивлений: Error: Reference source not found Рис. 6. Включение терморезистора позволяет при повышении температуры уменьшить отрицательное напряжение на базе за счет уменьшения сопротивления термотранзистора. С помощью полупроводникового диода. Error: Reference source not found Рис. 7. В этой схеме диод включен в обратном направлениии, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллекторного перехода тр-ра. Наибольшеее распространение получила схема термостабилизации режима с помощью резистора включенного в цепь эмиттера. Error: Reference source not found Рис. 8. Пусть по какой-нибудь причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллектроного тока возрастает. Увеличение приводит увеличению и падению напряжения на , что в свою очередь приводит к уменьшению . Наоборот, если уменьшается, то уменьшается падение напряжения на , что приведет к увеличению . Для отвода переменной составляющей тока эмиттера от , сопротивление шунтируется конденсатором достаточно большой емкости (порядка десятка микрофарад). Наиболее важные показатели характеризующие работу усилителя при малом сигнале могут быть определены графическим или аналитическим путем. Графическим путем по входным и выходным статистичеким характеристикам можно определить следующие величины: входное сопротивление ; Коэффициент усиления по напряжению ; где ; Коэффициент усиления по току ; ; Аналитический расчет усилителя. Error: Reference source not found Рис. 9. Для них можно записать систему уравнений: Из приведенной схемы усиления следует, что Знак минус отражает тот факт, что отличается от на . Решая совместно уравнения получим: , где ; ; ; ; Error: Reference source not found Рис. 10. Поскольку в обычных каскадах то: ; ; ; . |