Полупроводниковые усилители. Структура, параметры и типы усилителей

• Название: Структура, параметры и типы усилителей
• Анкор: Полупроводниковые усилители
• Дата: 24.03.2023
• Размер: 29.84 Kb.
• Имя файла: Полупроводниковые усилители.docx
• Тип: Документы; #1012603

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее распространенными аналоговыми электронными преобразователями являются усилители электрических сигналов. Они применяются для повышения уровня весьма слабых сигналов непосредственно с датчиков, обеспечения требуемой мощности для работы силовых исполнительных агрегатов и множества других приложений. На основе усилителей строится большинство функциональных аналоговых устройств, выполняющих преобразование сигналов (фильтрацию, изменение спектра, коррекцию формы), а также математические операции (суммирование, интегрирование, дифференцирование, нелинейную обработку).

Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Структура, параметры и типы усилителей

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения интенсивности сигнала без изменения его формы. Преобразование сигнала s(t) в идеальном усилителе описывается соотношением

Для обеспечения функции усиления без искажений четырехполюсник должен быть линейным элементов с параметрами, не зависящими от формы сигнала и его уровня при заданных внешних условиях. Реальные полупроводниковые элементы электронных устройств являются нелинейными и обладают инерционными свойствами, что приводит к искажению сигналов при их преобразовании. Для описания изменения формы и спектра сигналов служат характеристики усилителя. Нелинейные искажения можно рассчитать с помощью статических входной U_вх(I_вх), выходной U_вых(I_вых) и проходной U_вых(U_вх) характеристик. Динамические свойства усилителей характеризуют зависимостью комплексного коэффициента передачи от частоты, а также переходной или импульсной функциями во временной области. Наибольшее распространение в усилительной технике получили амплитудно-частотная и переходная характеристики, типичный вид которых приведен на рис. 1.



Рисунок 1 - Амплитудно-частотная (а) и переходная (б) характеристики усилителя
Расчет электронных цепей с усилителями выполняется с использованием их схемных макромоделей, синтезированных на основе паспортных данных или экспериментальных характеристик. Типичная формальная макромодель усилителя содержит входной (Вх. Б), выходной (Вых. Б), и функциональный (ФБ) блоки (рис.4.1,б), воспроизводящие соответствующие статические характеристики (входную, выходную, проходную). Для воспроизведения динамических свойств в соответствующие блоки макромодели включают емкостные элементы, формирующие заданные частотные характеристики или временные зависимости.

Технические свойства усилителя определяются системой многочисленных параметров, среди которых можно выделить:

функциональные электрические (коэффициенты передачи напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления, граничные частоты полосы усиливаемых частот, динамический диапазон усиливаемых сигналов, входная и выходные емкости);

эксплуатационные (напряжение электропитания и потребляемый ток, уровень выходной мощности, диапазон изменения температуры и влажности окружающей среды);

конструктивно-технологические (тип исполнения и корпус, масса и габариты, способ охлаждения, наличие внешних элементов),

пользовательские (надежность, стоимость).

Параметры усилителей можно разделить на основные, присущие всем типам усилителей и индивидуальные, зависящие от особенностей приборов в соответствии с их классификацией. К основным относятся базовые статические параметры (K^u, Kⁱ, K^p, R_вх, r_вых), граничные частоты полосы пропускания (f_н, f_в); в полосе пропускания динамический диапазон амплитуд синусоидального входного напряжения  , причем значение U_max ограничено допустимыми нелинейными искажениями сигнала, а U_min определяется заданным превышением сигнала над уровнем собственных шумов.

Усилители можно классифицировать по различным признакам. По роду сигналов усилители подразделяют на преобразователи непрерывных (гармонических) и импульсных сигналов. Динамические свойства усилителей гармонических сигналов описывают в частотной области с использованием спектральных параметров частотной характеристики): полосы пропускания при заданном уровне неравномерности АЧХ, например, ± 3 дБ, граничных частот полосы пропускания, максимального значения коэффициента передачи и частоты ему соответствующей. По диапазону частот усиливаемых сигналов различают широкополосные (апериодические) и узкополосные (резонансные) усилители. В соответствии с положением полосы пропускания на оси частот выделяют усилители постоянного тока с полосой пропускания от нулевой частоты, низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. Параметры импульсных усилителей связывают, как правило, с его переходной функцией, характеризуемой временами задержки t_з и нарастания t_н, значениями выброса δ и спада Δ за время максимальной длительности импульса t_и .

Физический эффект, заложенный в принцип действия усилителя, состоит в преобразовании электроэнергии источника питания в управляемую с помощью входного сигнала небольшой мощности энергию, которая отдается нагрузке. Процесс преобразования неуправляемой мощности источника P_и в имеющую заданные параметры мощность выходного сигнала при воздействии входного сигнала с мощностью P₁ < P₂, для своего описания требует более сложных моделей, учитывающих взаимосвязь параметров электропитания с сигнальными величинами. Расчет динамического диапазона усиления базируется на расчете внутренних шумов компонентов усилителя с использованием модели, учитывающей источники внутренних шумов и позволяющей анализировать характеристики случайных процессов. Таким образом, в зависимости от поставленных задач при анализе и синтезе усилительных устройств применяется совокупность моделей различной степени сложности.

Большинство усилителей реализуется на основе каскадной структуры, базирующейся на представлении его комплексного коэффициента передачи в виде произведения коэффициентов передачи отдельных каскадов.

Если параметры каскадов выбраны таким образом, чтобы минимизировать их взаимное влияние, то допустим подход к формированию ЛАЧХ усилителя путем сложения ЛАЧХ отдельных каскадов. Такой подход существенно упрощает синтез и анализ характеристик. Выбор числа каскадов, их элементной базы и характеристик позволяет получить самые разнообразные усилители для конкретных приложений. Для удобства синтеза выделяют типы каскадов (входные, промежуточные, выходные), предназначенные для решения специфических задач. Входной каскад (предварительный усилитель) обеспечивает согласование усилителя с источником сигнала и фактически определяет шумовые параметры всего усилителя и его динамический диапазон. Промежуточные каскады формируют требуемые частотные характеристики и обеспечивают заданное усиление напряжения. Выходной каскад (усилитель мощности) согласует параметры усилителя с нагрузкой во всем диапазоне ее изменения и выдает необходимую мощность выходного сигнала.

Наряду с транзисторными каскадами усилитель содержит вспомогательные цепи (стабилизированные источники напряжения и тока, схемы межкаскадной связи), которые влияют на параметры усилителей.

В многокаскадном усилителе связь между каскадами может осуществляться через разделительные конденсаторы, с помощью трансформатора или непосредственно. Каждый способ имеет достоинства, недостатки в области применения. Трансформатор может обеспечить хорошее согласование в диапазоне частот, но на низких частотах имеет большие габариты и поэтому применяется крайне редко в основном для подключения низкоомных датчиков к входу предварительного усилителя. Разделительные конденсаторы снижают коэффициент усиления в низкочастотной области и не могут использоваться в усилителях медленно изменяющихся (квазипостоянных) сигналов. В интегральных микросхемах усилителей применяется непосредственная (гальваническая) межкаскадная связь со схемами выравнивания уровней постоянных составляющих без разделительных конденсаторов.

Основным недостатком многокаскадных полупроводниковых усилителей является существенная зависимость параметров полупроводниковых компонентов от температуры и других дестабилизирующих факторов. Для снижения влияния внешних воздействий на характеристики усилителей применяются различные схемотехнические приемы (симметрирование каскадов, компенсация воздействий). При групповой технологии в микроэлектронике удается реализовать близко расположенные компоненты с высокой степенью идентичности параметров, что позволяет уменьшить действие дестабилизирующих факторов за счет симметрирования схем.

Вместе с тем основным способом построения усилителей с высокой стабильностью характеристик служит использование свойств отрицательной обратной связи. Исходная схема усилителя выполняется с существенной избыточность значений параметров (высоким входным сопротивлением, очень большим коэффициентом усиления, широкой полосой усиливаемых частот) и требуемые параметры устройства получают введением местных и общих цепей прямой и обратной передачи сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие технологии и схемотехники позволили создать усилители с электрически управляемыми (программируемыми) свойствами (коэффициентом усиления, полосой усиливаемых частот). Это дает возможность существенно улучшить их эксплуатационные параметры за счет дополнительных аппаратных затрат.