Электронные усилители. Параметры и характеристики усилительных устройств. Режимы работы электронных усилителей

Электронные усилители.

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала(напряжения, тока, мощности). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным и нелинейным режимами работы.

1) Пропорциональные усилители(линейные) – входной сигнал пропорционален выходному U_вых ≡U_вх

2) Релейный усиления выходной сигнал не повторяет входной.

Любой электронный усилитель можно представить в виде 4-х полюсника.

е_и , R_и – входная цепь.

При расчёте усилителя пренебрегают реактивной составляющей z_вх = R_вх и z_вых = R_вых .

Классификация электронных усилителей

По роду усиливаемой величины:

1) усилители тока I; R_вх << R_и ; R_н <<R_вых

2) усилители напряжений U; R_вх  >>R_и ; R_н >>R_вых

3) усилители мощности P; R_вх  ≈R_и ; R_н ≈R_вых

По виду усиливаемого сигнала:

1) усилители импульсов (различной формы)

2) усилители гармонических сигналов (синусоидальные сигналы различной частоты f)

По частоте усиливаемого сигнала:

1)усилители постоянного тока УПТ – усилители слабо изменяющегося сигнала(f =0-1КГц)

2)усилители переменного сигнала:

а)избирательные f_верх / f_ниж <1,1;

б)широкополосные усилители f_верх / f_ниж более 1000;

Импульсные усилители всегда относятся к широкополосным.

Параметры и характеристики усилительных устройств

1) R_вх = U_вх /I_вх

P_вх = I_вх² * R_вх = U_вх² / R_вх

2)К – величина показывающая во сколько раз выходной сигнал превышает входной.

К^∙ =А_вых^∙ / А_вх^∙ =К*е^j*φ

K_U =U_вых /U_вх

K_I =I_вых / I_вх

K_P =P_вых /P_вх

Коэффициент усиления может достигать 10¹⁷ , и поэтому их принято измерять в относительных единицах (в Децебелах)

K_IДцб =20*lnK_I

K_UДцб =20*lnK_U

K_PДцб =10*lnK_P

K_общ =K₁ *K₂ *K₃ *…* K_n

K_общДцб =K₁ + K₂ +K₃ +…+ K_n

3)Коэффициент полезного действия, Р_вых отнесённое ко всем потерям Р_о

η= (Р_вых / Р_о )*100%

4)Полезная мощность Р_вых = U_mвых² /2* R_н

Характеристики

Амплитудно-частотная характеристика(АЧХ)

К=F(f_сиг )

Δf=f_в - f_н – полоса пропускания частот усилителя.

М_Н =К_о / К_н – модуль искажения на нижней частоте.

М_в =К_о / К_в – модуль искажения на нижней частоте

Для многокаскадного усилителя

М=М₁ * М₂ * М₃ …* М_n  

М<√2

Фазово-частотная характеристика(ФЧХ)

φ=F(f_сиг )

Линейные искажения – это искажения вызванные изменением коэффициента вызванные изменением параметров ёмкости и индуктивности.

Амплитудная характеристика

U_{m вых} = F(U_{m вх} )

U_вых < U_{min вх} – то сигнал усилителя теряется в шумах усилителя.

U_вых > U_{max вх} – насыщения транзисторов.

Коэффициент нелинейных искажений

D – динамический диапазон усилителя.

D= U_{m вх max} / U_{m вх min} – чем шире диапазон тем лучше усилитель.

Переходная характеристика

Режимы усиления усилителя

Точка покоя усилителя – точка на характеристики на котором находится усилитель до получения сигнала.

Существуют четыре точки покоя(класс или режимы) усилителя

Режим усиления a

Режим усиления b

Режим усиления c

Режим усиления d

a, b, c – для усилителей и генераторов

d – для ключевых схем.

Режимы работы электронных усилителей.

1)Режим «А»

U_вх0 ≈ 0,5*U_з

γ_А – минимально

|U_{m вx} |<= U_вх0

η<=0.4 – низкое КПД

Применяют в усилителях напряжения, усилителях мощности однотактного исполнения.

2) Режим «В»

U_вх0 ≈ U_з

U_{m вx} = U_вх0

θ – угол отсечки

θ=90°

η=70%

γ_B >γ_А

Используют в двухтактных усилителях мощности.

3)Режим усиления «С»

|U_вх0 |> |U_з |

θ<90°

η_C > η_B ≈85%

γ_C >γ_А

Используют в электронных генераторах или мощных избирательных усилителей.

4)Режим «Д» - для цифровой электронной техники.

Если U_вх < U_сраб , то U_вых =0 иначе U_вых =1.

Способы фиксации точки покоя в электронных усилителях

1)Автономный источник питания – стараются не применять.

2)С фиксированным током базы

Достоинства:

1)простота и дешевизм

2)более высокий КПД каскада

Недостатки:

1)малый диапазон температур ΔТ=15-20°С

2)критичен к смене транзистора

3)не применяют серийно

3)с фиксированным напряжением базы

U_об = U_R2

I_Д – ток делителя он задается.

I_Д =(2-5) I_об , чем выше I_Д тем больше стабильность усилителя, но тем ниже КПД

Достоинство:

1) более широкий ΔТ=20-30°С

2)не критичен к смене транзистора

Недостаток меньше экономичность.

U_ок =Е_к – I_ок*R_к

t→” P ”→ I_ок и U_ок

t+Δt→” P’ ”→ I’_ок и U’_ок

Температурные стабилизации режимов работы полупроводниковых усилителей

1)Коллекторная стабилизация

S – коэффициент нестабильности;

ΔТ=20-30°С

Схема тем эффективнее чем больше сопротивление коллектора.

U_RK ≈0.5*E_k

В данной схеме наблюдается снижение коэффициента из-за обратной связи по переменному току.

2)Эммитерная стабилизация

U_об = U_R2 - U_Rэ , где U_Rэ =I_э *R_э

S=3-5

Достоинством является температурный диапазон ΔТ=70-100°С

Коэффициент нестабильности S тем ниже чем выше R_э и ниже R₁ и R_2. 

Является самым распространённым.

3) Комбинированная стабилизация включает в себя коллекторную и эммитерную стабилизацию.

 R_ф и С_р – развязывающий фильтр предназначен для исключения обратного отрицательного сигнала.

S<2-3

4)термокомпенсация – одно из сопротивлений (обычно R₂)  заменяю на термосопротивление. При увеличении температуры происходит уменьшение R_.

S≈1 – можно добиться при тщательной подборке термосопротивления.

Обратные связи в электронных усилителях

К – коэффициент усиления без обратной связи

β – звено обратной связи.

β= U_ос / U_вых – коэффициент обратной связи.

Типы обратной связи

1)по фазе U_вх и U_ос :

- положительная обратная связь(ПОС) U_с =U_вх + U_ос

- отрицательная обратная связь(ООС) U_с =U_вх  - U_ос

2)способ соединения зажимов сигнала входного с U_ос.

 - последовательная обратная связь(см. рисунок выше);

- параллельная обратная связь(U_вх и U_ос соединены параллельно).

3)род величины по которому осуществляется обратная связь:

- обратная связь по току(обратная связь в эммитерной стабилизации);

- обратная связь по напряжению(см. рисунок выше);

- обратная связь по сигналу постоянного тока;

- обратная связь по сигналу переменного тока;

4)по частоте сигнала

- частотно зависимая обратная связь;

- частотно независимая  обратная связь(когда β не является функцией сигнала);

Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителей

1) Влияние отрицательной обратной связи по напряжению(см. рисунок выше).

U_с =U_вх  - U_ос

 К_оос = U_вых / U_вх 

U_вх = U_с + U_ос

U_ос =β* U_вых

К_оос = U_вых /( U_с +β* U_вых )

К= U_вых / U_с

К_оос =К/(1+ β*К)

Достоинство:

1)стабилизация коэффициента усиления при изменении Е_к ;

2)увеличение полосы пропускаемых частот.

3)отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент нелинейных искажений γ

4)увеличивается входное сопротивление каскада R_вх

2)Воздействие положительной обратной связи на параметры каскадов

U_с =U_вх  - U_ос

К_оос =К/(1- β*К)

Достоинства(противоположны ООС):

1)увеличивается коэффициент нелинейных искажений γ

2)увеличивается нестабильность коэффициента усиления при изменении Е_к

3) уменьшение полосы пропускаемых частот

4) уменьшается входное сопротивление каскада R_вх

При

β*К=1

К_оос →бесконечности

β_ко <1/К