Специальные виды усилителей

Функциональные виды усилителей

· Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.

· Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.

Специальные виды усилителей

· Дифференциальный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход. Основная статья — Дифференциальный усилитель

· Операционный усилитель — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью. Основная статья — Операционный усилитель

· Инструментальный усилитель — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала

· Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью

· Логарифмический усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала

· Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала

· Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала

· Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)

· Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений

· Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал

1. Что называется электронным усилителем? Объяснить прин­цип действия усилителя.

Электронным усилителем называют устройство, позволяющее повысить мощность входного электрического сигнала за счет энер­гии источника питания усилителя с помощью усилительных элемен­тов (транзисторов, операционных усилителей и т.п.) при заданном уровне искажений.

Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов! Высокая чувствительность, быстродействие, компакт­ность, экономичность электронных усилителей обусловили их широ­кое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п.

В зависимости от назначения усилители подразделяются так:

усилители постоянного тока,

усилители низкой частоты (УНЧ),

усилители высокой частоты (УВЧ),

избирательные усилители,

широкополосные (видеоусилители),

импульсные,

операционные и т.д.

2. Перечислить основные параметры и характеристики усили­теля.

электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные.

К первым, в качестве основных относятся:

статический коэффициент передачи тока α в схеме с ОЭ;

граничное напряжение U_KЭ;

обратный ток коллектора I_К0;

граничная частота fгр коэффициента, т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент передачи тока α уменьшается.

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ).

Амплитудная характе­ристика (Рис.1.) усилителя представляет зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного при постоянной частоте.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (Рис.2) усилителя определяет зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала.

Рис.1. Рис.2

3. Объяснить назначение элементов, входящих в схему уси­лительного каскада на транзисторе.

Для схемы включения с общим эмиттером (ОЭ).

Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Rк, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му закону Кирхгофа для транзистора мож­но записать I_Э = I_к + I_Б, т.е. ток коллектора I_к меньше тока эмиттера I_Э на величину тока базы I_Б. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока α = I_к / I_Э. Величина α всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов α = 0,900...0,999.

Входные характеристики I_б = f(U_эб) (Рис4.) при U_KЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для U_KЭ = 0 В и U_КЭ=3 В, либо U_KЭ = 5 В.

Выходные характеристики I_к = f(U_эк) (Рис.3.) приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с I_Б=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения I_Бнас. При I_в= I_Бнастранзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.

Рис3. Рис.4.

Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рис. 5). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяе­мые между базой и эмиттером транзистора, а также источник вход­ного сигнала U_BХ.

Усилительным транзисторным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя.

Выходная цепь каскада включает источник питания U_n, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R_К. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока i_K, управляемого током ба­зы i_g, создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы U вых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.

Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исклю­чить протекание постоянного тока через источник входного сигна­ла по цепи + U_n— R_l - внутреннее сопротивление источника и_в (на рис.5 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~_Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и =0, от внутреннего сопротивления источ­ника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.

Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллекторной цепи Г задается соответствующей величиной тока базы покоя r_gn, протекающего от источника питания U_n через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения пита­ния U, часть которого, выделяемая на резисторе R2, равна значению U_бп . Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного сигнала, вно­симых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняет­ся, если точка покоя П (см. рис.4 и 3) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2...5 раз больше необходимого тока покоя базы I_БП.

Резистор R_Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор С_Э шунтирует рези­стор R_Э по переменному току, исключая тем самым проявление от­рицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие С_Э приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада. Под действием подаваемого на вход сигнала значение сопротивления усилительного элемента (транзистора) изменяется. Изменяется значение тока в выходной цепи, хотя и остается однонаправленным.

Выходное напряжение Uвых и входное Uвх находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основ­ных свойств каскада по схеме с ОЭ - фазоинвертирование.

Основным показателем любого усилителя является его коэффи­циент усиления - это величина, равная отношению выходного сиг­нала к входному. В зависимости от назначения усилителя различа­ют коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности. У любого усилителя K_P>>1, в то время как коэффициенты усиления по току и напряжению могут быть меньше единицы. Однако если одновременно K_I<1 и K_U<1, устройство не может считаться усилителем.

Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ).

Амплитудная характе­ристика определяет зависимость амплитуды или действующего зна­чения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Н.Иск. Рис.6.Амплитудная характеристика усилителя. Рис.7. Как видно из рис.6 выходное напряжение не равно нулю (Uвых.min) при отсутствии входного напряжения. Это обусловлено внутренними шумами усилителя, за счет чего ограничивается минимальное значение входного напряжения, которое может быть подано на вход усилителя и определяет его чувствительность:
Значительное увеличение входного напряжения (точка 3) приводит к тому, что амплитудная характеристика становится нелинейной и дальнейшее нарастание выходного напряжения прекращается (точка 5). Это связано с насыщением каскадов усилителя.

Допустимым считается такое значение (амплитуда) входного напряжения, при котором выходное напряжение не превышает (амплитуды) Uвых.max, которое, как видно из рис.1.3, располагается на границе линейного участка амплитудной характеристики.

Для оценки изменения коэффициента усиления с изменением частоты вводится понятие частотных искажений. Частотные искажения относятся к разряду линейных, т.е. появление которых не приводит к искажению формы исходного сигнала.

Нелинейные искажения. Если на вход усилителя подано синусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выходе будет не синусоидальным, а более сложным. Оно состоит из ряда простых синусоидальных колебаний — основного и высших гармоник. Таким образом, усилитель добавляет лишние гармоники, которых не было на входе усилителя. Линейные и нелинейные искажения сигнала - это отклонение формы выходного сигнала от формы входного.

На рис.7 Нелинейные искажения. Показано синусоидальное напряжение на входе усилителя Uвx и искаженное несинусоидальное напряжение на выходе Uвых. В данном случае усилитель вносит вторую гармонику. На графике напряжения Uвых штрихом показаны полезная первая гармоника (основное колебание), имеющая одинаковую частоту с входным напряжением, и вредная вторая гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение является суммой этих двух гармоник.

Другие виды искажений. Наличие в усилительном устройстве реактивных сопротивлений приводит к появлению фазовых искажений. Фазовые сдвиги между различными колебаниями на выходе усилителя получаются не такими, как на входе.

Фазо - частотная характеристика усилителя - это зависимость угла сдвига фазы выходного напряжения по отношению к фазе входного, представляет зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным сигналом от частоты.

Выходной сигнал усилителя является следствием входного и поэтому всегда по времени отстаёт от него.

4. Что такое обратная связь? Как она влияет на параметры и характеристики усилителя?

Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.

Рис. 8 Рис. 9. Полоса пропускания усилителя с ОС шире.

На рис. 8 показана структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиле­ния К через звено ОС с коэффициентом передачи γ поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут вхо­дить линейные, нелинейные, ча­стотно-зависимые и другие эле­менты или даже целые устройст­ва.

Существует целый ряд ква­лификационных признаков ОС.

Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то ис­пользуется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.

Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во вто­ром - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складыва­ются, либо вычитаются).

Полоса пропускания усилителя с ОС шире.

5. Как усилительные каскады различают на многокаскадные или многотактные?

Усилитель может состоять из нескольких каскадов усиления.

Различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные каскады ( многотактные ). В многокаскадных усилителях выходное напряжение (N — 1)-го каскада является входным напряжением N-ro каскада. Обычно используется гальваническая (непосредственная), емкостная, трансформаторная и оптронная связь. Для низкочастотных усилителей чаще всего используют два первых типа связи. Оптронная связь между каскадами применяется сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами. В многокаскадных усилителях на базу каждого следующего каскада поступает не только полезный сигнал, но и постоянная составляющая напряжения с коллектора предыдущего каскада.

рис.8.

Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными. Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении .Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения.

6. Как осуществляется температурная стабилизация в усили­теле? (рис.5)

С изменением температуры изменится ток покоя транзистора I_КП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера I_ЭП (например, возра­стут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на вы­ходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может приве­сти к увеличению I_БП и U_БЭП, на входных характеристиках. Так как I_Д>>I_БП, можно полагать I_Д R2= const.

Уменьшение U_БЭП, а, следовательно, уменьшение I_БП приводит к снижению I_КП и к неизменности ре­жима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффи­циент усиления параллельно R_э включен конденсатор С_Э, ем­кость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактив­ное сопротивление в полосе пропускания Х_CЭ << R_Э /10.

Если же С_Э отсутствует, то переменная составляющая тока эмит­тера Iэ создает на резисторе R падение напряжения.

Важнейшая проблема в усилителях постоянного тока – дрейф нуля. Из рис.6 Амплитудная характеристика усилителя выходное напряжение не равно нулю (Uвых.min) при отсутствии входного напряжения. Это явление называют дрейф нуля. Достичь существенного улучшения электрических, эксплуатационных и массогабаритных показателей УПТ можно за счет их построения на основе балансных схем, которые называют дифференциальными усилителями.

7. Дифференциальный усилитель выходной сигнал, которого равен разности двух входных напряжений. В настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных (параллельно-балансных или разностных) каскадов. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью. radioland.net.ua/contentid-416-...

8. Что называется операционным усилителем? Каково его условное обозначение?

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с входным дифференциальным каскадом (рис.7.6.), с очень высоким и стабильным коэф­фициентом усиления (от 1000 до 10000), широкой полосой пропус­кания (от 0 до 10...100 МГц), высоким входным сопротивлением (R_Вых >10 кОм) и малым выходным сопротивлением (R_вых<100 Ом).

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивле­ние R, выходное сопротивление U_вых.

9. Что представляет собой операционный усилитель в интег­ральном исполнении?

Применение ОУ позволяет за счет использования перечисленных свойств и различных звеньев обратной связи выполнять узлы и устройства электронной аппаратуры самого разнообразного назна­чения (различные типы усилителей - УПТ, УВЧ и др., гене­раторы электрических сигналов различной формы, стабилизаторы напряжений, активные фильтры и много других электронных уст­ройств). ОУ в настоящее время выпускаются только в микро­электронном (интегральном) исполнении и считаются базовым эле­ментом современной микроэлектроники. ОУ обладают высокой на­дежностью и механической прочностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением.

Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.II), а второй - неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При по­даче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю. Усилитель­ные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.