Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
14.1. Общие сведения об усилителях электрических сигналов Усилителем называется устройство, способное путем затраты небольшого количества энергии управлять потоком гораздо большей энергии, получаемой от какого-либо источника [44]. Если управляющая и управляемая величины (энергия) являются электрическими, усилитель называют усилителем электрических сигналов. Классификация (рис. 14.1) чаще всего делается по диапазону частот усиливаемых сигналов, называемому полосой пропускания. С этой точки зрения считается, что, например, усилитель постоянного тока (УПТ) имеет полосу пропускания ∆f = (0- 10 6 ) Гц, усилитель звуковых частот (УЗЧ) – (20-20∙10 3 ) Гц, широкополосный усилитель – (20 - 100∙10 6 ) Гц. Рис. 14.1. Примерная классификация усилителей электрических сигналов Усилители с линейным режимом работы предназначены для получения выходного сигнала, близкого по форме к входному, те. мгновенные значения выходного электрического сигнала должны быть пропорциональны мгновенным значениям входного сигнала чаще всего это синусоидальные сигналы. Простейшую часть усилительного устройства часто называют усилительным каскадом, а цепь, в которую включен каскад, трактом рис. 14.2). Рис. 14.2. Структурная схема включения каскада в усилительный тракт В усилителях с нелинейным режимом работы мгновенные значения входного и выходного сигналов непропорциональны. К ним относятся усилители – ограничители, нелинейные импульсные усилители, ключевые схемы. В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения (УН), усилители тока (УТ), усилители мощности (УМ, однако в конечном итоге в усилителях преобразуется (усиливается) мощность. Как правило, схема состоит из нескольких ступеней, называемых, как отмечалось выше, усилительными каскадами, каждый из которых выполняет свою функцию (рис. 14.3). Различают каскады входные предварительного усиления, промежуточные, выходные. Рис. 14.3. Каскадное соединение усилительных каскадов Первый каскад – входной, осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала Е г , имеющим внутреннее сопротивление Г. Согласование – это приведение в соответствие возможностей источника и параметров нагрузки. Каскад имеет входное сопротивление R вх1 и коэффициент усиления К. Нагрузкой первого каскада служит входное сопротивление второго каскада и т.д. Промежуточные каскады обеспечивают усиление полезного сигнала до величины, необходимой для выходного каскада. Выходной каскад обеспечивает передачу требуемого тока, напряжения или мощности в нагрузку н. Если соединение каскадов осуществлено так, что пропускается и постоянная и переменная составляющие сигнала, усилитель называется усилителем с непосредственной (гальванической) связью. Примером может быть усилитель постоянного тока (УПТ). Если связь осуществлена так, что постоянная составляющая не пропускается на выход, то такие усилители называются усилителями переменного тока. Межкаскадные связи могут быть осуществлены через Сцепи, трансформаторы, через колебательный контур. Со стороны входных зажимов усилитель характеризуется входным сопротивлением R вх = ∂U вх / ∂I вх Величина R вх различна в различных режимах, поэтому для источников входного сигнала возможны следующие режимы 1) режим холостого хода (х.х.), когда г < < R вх (Это наблюдается в усилителях на электронных лампах и полевых транзисторах 2) режим короткого замыкания (к.з.), когда г >> R вх может быть создан в усилителях на биполярных транзисторах 3) согласованный режим, когда г = R вх. Его обеспечивают в усилителях мощности, так как в этом случае происходит наибольшая передача мощности [50]. Со стороны выходных зажимов усилитель (или любой каскад) можно представить зависимым источником напряжения Е = К·U вх и выходным сопротивлением R вых . R вых может быть различно, поэтому в выходной цепи также различают три режима а) х.х. вых , когда R вых < < н ; б) к.з. вых , когда R вых >> н ; в) Согласованный, когда R вых = н, где н – сопротивление нагрузки. 14.2. Основные параметры и характеристики усилителей 1. Коэффициент усиления (передачи, преобразования) по напряжению К = U вых / U вх , где U вых , U вх – амплитудные значения переменных напряжений (выходного и входного. Часто определяют коэффициент усиления как К = U вых / Е г . При последовательном соединении каскадов (рис. 14.3) общий коэффициент усиления определяется произведением коэффициентов усиления каскадов К = U выхN / U вх1 = (U вых1 / U вх1 ) ∙ (U вых2 / U вых1 )∙ ∙ ∙ (U выхN / U выхN-1 ) = = К ∙ К ∙ ∙ ∙ К. (14.1) Обычно коэффициент усиления усилителя оценивается в децибелах (дБ) К U,дБ = 20ℓg U вых / U вх = 20ℓgК U Соответствие значений коэффициентов в относительных единицах (о.е.) ив децибелах показано в табл. 14.1. Таблица 14.1 Коэффициенты в относительных единицах (о.е.) ив децибелах Кое К, дБ 3 6 10 20 30 40 60 80 100 2 Выражение Кв дБ позволяет определять результирующий К для нескольких последовательно соединенных каскадов сложением коэффициентов, а не умножением их. 2. Коэффициент усиления потоку К = I вых / I вх или К i , дБ = К) Коэффициенты усиления потоку и напряжению, как правило, величины комплексные, зависимые от частоты – Кили К. 3. Мощность на выходе (выходная мощность) – Р вых 4. Коэффициент усиления по мощности Кр Р вых / Р вх или К р,дБ = 10ℓg (Р вых / Р вх ) = Кр) Множитель 10 взят потому, что дециБел =1/10 Бела Бел – десятичный логарифм отношения мощностей выхода и входа. 5. Коэффициент преобразования (передачи) – более общее понятие, частным случаем которого является коэффициент усиления – это отношение величины выходного сигнала к величине входного, например I вых /U вх – коэффициент преобразования напряжения U вх в ток I вых ; W = P вых / I вх – коэффициент преобразования тока в мощность. 6. Динамический диапазон усиления D = U вх мах / U вх мин дБ = 20ℓgD – это отношение наибольшего допустимого входного напряжения к его наименьшему значению U вх мах – ограничено сверху возникновением искажений на выходе U вх мин – ограничено снизу уровнем собственных шумов, когда уже невозможно различить шуми полезный сигнал. 7. Кпд – это отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания Р вых / Р ; η – характеризует энергетические показатели усилителя. Напряжение шумов и помех усилителя. Наличие шумов на выходе усилителя при отсутствии входного сигнала объясняется несколькими причинами - беспорядочными электрическими колебаниями (флуктуациями) напряжения, возникающими в резисторах вследствие неоднородности путей прохождения тока, так как в сечении резистора в каждый момент времени проходит неодинаковое число электронов из-за воздействия температуры – это тепловой шум сопротивлений - шумами транзисторов, также обусловленными тепловым действием и неоднородностями структуры - шумы, создаваемые за счет пульсаций напряжения источников питания. Шумовые свойства оценивают коэффициентом шума F =(Р вых / Р ш.вых ) / (Р ист / Р ш.ист ) = ( Р вых / Р ист ) * (Р ш . ист / Р ш.вых ) (14.4) Ввиду того, что коэффициенты усиления – величины комплексные, важнейшими характеристиками усилителей являются амплитудные (рис. 14.4), амплитудно-частотные (АЧХ), фазочастотные (ФЧХ), амплитудно-фазочастотные (АФЧХ) характеристики. Рис. 14.4. Амплитудная характеристика усилителя (ш – напряжение шума) 9. Амплитудная характеристика – это зависимость амплитудного значения напряжения й гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения. 10. АЧХ – это зависимость модуля комплексного коэффициента усиления Кот частоты f входного сигнала (риса) j в н Ke K ; f f f 0 Рис. 14.5. АЧХ и ФЧХ усилителя переменного тока 11. ФЧХ – зависимость угла сдвига фазы φ между выходными входным напряжениями от частоты f (рис. 14.5, б. На рис. 14.5 обозначено К – коэффициент усиления на средней частоте f 0 ; Кн, Кв – коэффициенты усиления на нижней (ни верхней (в) границе полосы пропускания усилителя н, В – фазовый сдвиг, соответственно на нижней и верхней частотной границе. 12. АФЧХ – это построенная на комплексной плоскости зависимость модуля коэффициента усиления |K| и угла сдвига фазы между входными выходным напряжениями от частоты. АФЧХ объединяет АЧХ и ФЧХ. АФЧХ представляет собой годограф вектора К на комплексной плоскости, длина которого соответствует модулю коэффициента усиления на данной частоте, а угол поворота относительно оси действительных чисел соответствует сдвигу фаз между входными выходным сигналами (рис. 14.6). Рис. 14.6. АФЧХ усилителя переменного тока Свойства усилителей по быстродействию характеризуются переходной характеристикой (ПХ). 13. ПХ – это зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения U вх (t) (рис. Рис. 14.7. Переходная характеристика усилителя Выброс δ (неравномерность АЧХ) – это величина максимального превышения над установившимся значением, у время установления от уровня 0,1 U вых уст до уровня 0,9 U вых уст. К – относительный коэффициент усиления (за 1 принята величина К. К = U вых / U вых уст. 14. Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) – полоса частот от низшей н до высшей в, в пределах которой К) не выходит за пределы заданных допусков. Часто рабочий диапазон частот определяют на уровне, меньшем максимального на 3 дБ, при этом К U уменьшается на границах этого диапазона враз. Коэффициент частотных искажений. Частотные искажения обусловлены отклонением частотных характеристик от идеальных и приводят к искажениям формы сигналов. Коэффициенты частотных искажений Мн, М в показывают уменьшение модуля коэффициента усиления относительно его среднего значения в области низких ивы- соких частот Мн = К / Кн М в = К / Кв) М н,дБ = 20ℓg К / Кн М в,дБ = 20ℓg К / Кв, где Ко, Кн, Кв – коэффициенты (модули) усиления на средних, низких и высоких частотах. К обычно определяют для частоты f 0 = в н f f Неравномерность АЧХ (выраженное в % максимальное отклонение коэффициента усиления в заданной полосе частот от заданного значения) также характеризует частотные свойства усилителя δ(%) = (Δ К мах / К )∙100%. 16. Фазовые искажения обусловлены отличием ФЧХ от идеальной и вызываются неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы. Фазовые искажения возникают из-за наличия в схемах усилителей реактивных (м- костных, индуктивных) сопротивлений элементов схемы и инерционности полупроводниковых приборов. Существуют теоретические условия усиления (передачи) сигнала без искажения его формы [44]. Пусть входной сигнал есть сумма m гармонических составляющих U вх = ∑ U n мах Sin (nωt + ψ n ), n=1 где n – номер гармоники, ω =2πf – угловая частота, ψ n – начальный фазовый сдвиг й гармоники. Если усилитель одинаково усиливает амплитуды гармоник с коэффициентом К на частоте й гармоники, вносит фазовый сдвиг, зависящий от частоты гармонической составляющей, н = nωτ, где τ – время сдвига, причём τ = Const, то m U вых К ∑ U n мах Sin [nω(t + τ) + ψ n ]. (14.7) n=1 Отсюда следует, что входное и выходное напряжения отличаются лишь временем сдвига τ, а форма их сохраняется неизменной. Таким образом, форма сигнала не искажается, если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, изменяется прямо пропорционально частоте. Идеальной ФЧХ является прямая, проходящая под углом к горизонтальной оси (рис. 14.8). Рис. 14.8. Отклонение реальной ФЧХ показана пунктиром) от идеальной Мерой фазовых искажений является разность ординат действительной и идеальной ФЧХ – Δφ. Частотные и фазовые искажения относятся к линейным искажениям. 17. Наряду с линейными искажениями в усилительных устройствах присутствуют и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики усилителя. Их оценивают либо коэффициентом нелинейных искажений К ни , либо коэффициентом гармоник Кг р + р +…. + р В обоих случаях в числителе К ни = р + р + р +… + р подкоренного выражения (14.8) стоит сумма мощностей р+ р +…. + р гармоник с порядком, большим Кг = р единицы. р – мощность гармоники первого порядка р – мощность й гармонической составляющей выходного сигнала 14.3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах Принципы построения и действия различных каскадов поясним на примере структурной схемы для усилительного каскада, построенного на каком-либо усилительном элементе (УЭ) (рис. 14.9). Рис. 14.9. Структурная схема усилительного каскада и осциллограммы сигналов на его входе и выходе Основным элементом каскада является управляемый (усилительный) элемент УЭ. Это может быть, в частности, биполярный или полевой транзистор. Резистор R ограничивает ток источника питания Е п . Усиливаемый входной сигнал U вх подается на вход УЭ. Выходной сигнал снимается с выхода УЭ или резистора R. Выходной сигнал U вых создается в результате изменения сопротивления УЭ, те. в результате изменения тока i в выходной цепи под воздействием U вх Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е п в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения внутреннего сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Переменный токи напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входной цепи, следует рассматривать как переменные составляющие суммарного тока и напряжения, состоящего из постоянной и переменной составляющих. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока пи напряжения п. Эти составляющие определяют режим покоя усилительного каскада. Параметры покоя по входной и выходной цепи характеризуют статический режим схемы при отсутствии входного сигнала. Если усилительный элемент – транзистор, то параметры усилительного каскада зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. Для биполярных транзисторов различают три вида каскадов с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК), общей базой (ОБ. Усилительный каскад с общим эмиттером (схема ОЭ) В схеме ОЭ (рис. 14.10) эмиттерная цепь является общей для входного контура, образованного источником входного сигнала и цепью база-эмиттер транзистора, и выходного контура, содержащего цепь коллектор-эмиттер транзистора, разделительный конденсатор Си резистор нагрузки R н Рис. 14.10. Схема усилительного каскада с транзистором, включённым по схеме с общим эмиттером Назначение и обозначения элементов в схеме Е к – ЭДС источника питания к – напряжение на коллекторе U бэ – напряжение между базой и эммитером; Е вх – ЭДС источника входного сигнала U вх , U вых – входное и выходное напряжение R ви – резистор вцепи источника сигнала б – резистор для cоздания начального тока базы I бз ; к – резистор для ограничения тока вцепи коллектора н – резистор нагрузки С с1 - разделительный конденсатор на входе С с2 – разделительный конденсатор на выходе i вх , I вых – входной и выходной токи к – коллекторный ток. Разделительный конденсатор на входе С с1 исключает прохождение постоянного тока от источника питания в цепь источника входного сигнала. Конденсатор С с1 обеспечивает прохождение в резистор нагрузки переменной составляющей U вых коллекторного напряжения к, не пропуская в нагрузку постоянный ток от источника питания Е к Величина Ек обычно составляет (В, а токи транзисторов малой мощности обычно не превышают несколько десятков mA. Для коллекторной цепи транзистора при отсутствии входного сигнала справедливо уравнение, называемое уравнением покоя выходной цепи Е к к + к к (14.9) Процесс усиления входного сигнала удобно представить графо- аналитическим способом, используя ВАХ транзистора. Подробное описание и иллюстрация такого способа представлены на рис. Рис. 14.11. Иллюстрация процесса усиления входного сигнала в схеме ОЭ Для проведения анализа работы схемы, изображенной на рис. 14.10, уравнение (14.9) выходной цепи (к = к к к) изобразим на плоскости выходных характеристик транзистора в виде прямой линии с координатами точек (к к, к = 0) и (к = 0, к Е к / к. Эта линия является вольт-амперной характеристикой (ВАХ) резистора к и её называют линией нагрузки. Точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками дают графическое решение уравнения покоя (14.9) для данного сопротивления к и различных значений тока базы I бз Во втором квадранте строим характеристику к = f (I бз ) по точкам пересечения а, п, в. Затем в третьем квадранте строим потоку I бз входную характеристику I бз = f (U бэ ), повернутую напротив часовой стрелки по сравнению се обычным изображением. Сопротивление резистора к выбирают, исходя из того, чтобы линия нагрузки располагалась ниже линий к мах, к мах, Р к мах В тоже время участок а / в / должен быть достаточно протяженным. Резистор б обеспечивает режим покоя базы. С помощью этого резистора можно выбрать положение точки п на линейном участке входной характеристики, при этом б =( к - U бп ) / I бп . (14.10) При подаче на вход каскада переменного напряжения U вх (t) ток базы будет изменяться в соответствии с входной характеристикой и будет иметь постоянную и переменную составляющую. В транзисторе будут изменяться коллекторный и эмиттерный токи, а также коллекторное напряжение к. Переменная составляющая коллекторного напряжения к (t) = U вых будет по амплитуде значительно больше U вх и противоположна по фазе (см. рис. 14.11). Если U вх (t) укладывается в линейный участок характеристики I бз = f (U бэ ), то искажений формы сигнала не будет. Если U вх (t) больше некоторого значения, появятся искажения формы – срезы, те. будут возникать нелинейные искажения. Оценку диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажения (динамического диапазона, делают по амплитудной характеристике. Диапазон работы без искажений ограничивается линейным участком амплитудной характеристики (риса. При работе усилительного каскада в режиме, соответствующем линейным участкам характеристик, те. при отсутствии искажений, параметры усилителя можно рассчитать аналитически по h- параметрам транзистора. Для этого используем схему замещения транзистора, включенного по схеме ОЭ, а в схеме каскада мысленно |