Электронные усилители

В большинстве случаев сигнал, получаемый от измерительного элемента, совершенно недостаточен для управления исполнительным элементом. Поэтому этот сигнал увеличивается по амплитуде или мощности в усилителях. Таким образом, усилительные элементы служат для увеличения амплитуды или мощности сигналов, получаемых от измерительных элементов, до величины, достаточной для управления исполнительными элементами.

В зависимости от вида энергии, подводимой к усилителям, они подразделяются на электрические, пневмогидравлические и механические. Электрические усилительные устройства в свою очередь делятся на электронные, магнитные и электромашинные усилители.

Электронные усилители предназначены для увеличения амплитуды напряжения, силы тока или мощности электрических колебаний. Электронный усилитель преобразует энергию источника питания в электрические колебания соответствующей частоты, формы, мощности и т. д. Это преобразование осуществляется с помощью электронных ламп или транзисторов, управляемых электрическими сигналами, которые должны быть усилены.

Для усилителя необходима линейная зависимость выходного сигнала от входного: отношение этих сигналов характеризует усилительные свойства электронного усилителя. В зависимости от того, что принимается за выходную величину, различают коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности .

Простейшим типом усилительной лампы является триод. Если в анодную цепь лампы (рис.2.8, а) включить резистор R_a, то протекающий ток 1_а создаст в нем напряжение U_a=I_aR_a.

Рис.2.8. Схема электронного лампового усилителя и его характеристики: а - схема усилителя; б - характеристики

При подаче на сетку какого-то напряжения U_BX в соответствии с его изменением изменяются анодный ток 1_а и напряжение U_а (рис.2.8 б). Рабочий режим задается выбором напряжения U_CO, которое определяет начальные значения тока I_а0 и напряжения U_a0.

Величина изменения I_а анодного тока сначала будет определяться приращением SU_ВХ, где S - крутизна характеристики лампы. Так как изменение анодного тока повлечет за собой изменение анодного напряжения на величину U_a, то произойдет дополнительное изменение анодного тока противоположного знака, равное , где R_i - внутреннее сопротивление лампы. Это явление называется реакцией анода. Результирующее изменение анодного тока равно:

Так как , то после подстановки этого значения в уравнение результирующего изменения анодного тока получим:

или

где - коэффициент усиления лампы.

Выходное напряжение представляет собой изменение анодного напряжения

Умножая обе части выражения на R_a и учитывая, что отношение U_BЫX/U_BX представляет собой коэффициент усиления каскада k, окончательно получим:

Увеличивая R_a, можно повышать коэффициент усиления, но даже при R_a >>R_i значение k не превосходит . Поэтому обычно выбирают R_a не более 5÷10R_i.

Когда необходимо получить усиление большее, чем может дать один каскад, необходимо применять несколько каскадов, которые могут соединяться различными способами в зависимости от характера усиливаемого напряжения. Если усилению подлежит напряжение переменного тока, то связь между каскадами осуществляется с помощью емкости или трансформатора, а в качестве нагрузки используется резистор, дроссель или первичная обмотка трансформатора.

В усилителях напряжения нагрузкой обычно является резистор. Схема усилителя на резисторах приведена на рис, 2.9, а. Основной нагрузкой каскада является резистор R_a. Цепочка, состоящая из емкости С_c и резистора R_a, служит для связи между каскадами, обеспечивая разделение цепей по постоянному току. Резистор R_a, как правило, имеет сопротивление намного больше R_a и служит также для подачи на сетку лампы напряжения смещения, необходимого для получения определенного режима ее работы.

Рис.2.9. Схемы усилителей; а - на резисторах;

б - с трансформатором; в - с дросселем

В усилителях напряжения лампы обычно работают в режиме класса А. Напряжение смещения образуется за счет постоянной составляющей анодного тока лампы, создающей на резисторе, включаемом в цепь катода, падение напряжения. Это следует учитывать при выборе величины напряжения источника питания Е_a. Такой способ подачи отрицательного напряжения на сетки лампы называется автоматическим смещением.

Преимуществом схемы усилителя с трансформатором (см. рис.2.9) является удобство согласования нагрузочного сопротивления с анодной цепью лампы и разделение цепей по постоянному напряжению. Трансформаторные усилители применяются преимущественно для усиления мощности.

Схема усилительного каскада с дросселем показана на рис.2.9, е. Преимуществом этой схемы является незначительное падение напряжения на нагрузке за счет постоянной составляющей.анодного тока, так как величина активного сопротивления дросселя мала. Это позволяет снизить напряжение источника питания Е_a. Связь между каскадами в этом случае осуществляется также при помощи конденсаторов.

В системах автоматики применяют также усилительные устройства, реагирующие на фазовый сдвиг одного переменного напряжения по отношению к другому. Усилители такого типа называется фазочувствительными.

Рассмотрим схему фазочувствительного усилителя, наиболее часто применяемую в автоматических устройствах (рис.2.10, а). В этой схеме напряжения на анодах ламп находятся в противофазе, а на сетках фазы напряжений совпадают.

Ток I₁ протекает через лампу V1 в течение одного полупериода, а ток I_i через лампу V2 в течение другого полупериода (рис.2.10, б). Через нагрузку W_y являющуюся обмоткой двигателя, протекает ток I=I₁+I₂ в течение полупериодов. Когда U_BX=0, обе выпрямленные полуволны одинаковы (кривые 0) Если появляется напряжения U_BX, совпадающее по фазе с напряжением анода V1, то I₁ возрастает, а I₂ уменьшается (кривые 1). При изменении фазы напряжения на 180° ток I₂ возрастает, a ток I₁ уменьшается (кривые 2).

При U_BX =0 ток I не содержит основной гармоники. Когда подается напряжение U_BX, в токе I₁ появляется переменная составляющая основной частоты (кривая А). При изменении фазы U_вх переменная составляющая основной частоты также меняет фазу на обратную (кривая Б)

Рис.2.10 Фазочувствительный усилитель:

а - принципиальная схема; б - характеристики

Такая зависимость фазы переменной составляющей тока от фазы напряжения может быть использована для управления вращением двухфазного реверсивного асинхронного двигателя РД, работа которого рассмотрена ниже.

В настоящее время в регулирующих приборах широкое применение находят полупроводниковые усилители на транзисторах, которые имеют по сравнению с усилителями на лампах ряд преимуществ: малые габариты и массу, отсутствие накала, больший срок службы и др. Транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя или более взаимодействующими электронно-дырочными переходами. Основным типом современных транзисторов является плоскостной транзистор с двумя р-n -переходами.

Схема усилителя с транзистором типа п-р-п приведена на рис.2.11, а. Транзистор типа п-р-п представляет собой систему из трех кристаллов; два крайних с электронной проводимостью и средний с дырочной проводимостью. Контактный слой между кристаллами с различными типами проводимости обладает выпрямительной способностью: при одной и той же величине напряжения сила тока получается больше в прямом направлении, чем в обратном.

На рис.2.11, а к левому электронно-дырочному переходу батарея Е_ЭБ подключена в прямом направлении, а к правому переходу батарея Е _КБ в обратном.

Таким образом, через левый переход устанавливается поток электронов в направлении от п к p-области, в то время как поток электронов из правой n-области в p-область отсутствует, так как батарея Е_ЭБ имеет обратную по сравнению с батареей Е_КБ полярность. Электроны, попавшие в р-область через левый переход, диффундируют к правому переходу и втягиваются в правую п- область благодаря электрическому полю, создаваемому батареей E_КБ в этой области. Следовательно, левая n-область эмиттирует электроны в правую n-область, которая играет примерно такую же роль, как и анод в электронной лампе. В соответствии с выполняемыми функциями левую n-область называют эмиттером Э, а правую - коллектором К. Средний кристалл, в данном случае р- область, называется базой Б.

Рис.2.11. Схемы электронного транзисторного усилителя

При определении полярности батарей Е_ЭБ и Е_КБ следует руководствоваться следующим правилом: к электродам эмиттер-база всегда должно подаваться прямое напряжение, а к электродам коллектор-база - обратное.

Применительно к транзистору с переходом типа р - п - р батареи должны быть подключены так, как это показано на рис.2.11, б. Все вышесказанное о транзисторах типа п - р-п справедливо и для триодов типа р - п - р с тем отличием, что вместо электронной проводимости все токи определяются в этом случае дырочной проводимостью.

Так как при движении электронов в средней p-области (в триоде n- р - п) или дырок в средней n-области (в триоде р - п - р) происходит частичная рекомбинация электронов или дырок, то не весь их поток, посылаемый эмиттером, достигает коллектора. Очевидно, справедливо следующее соотношение между токами эмиттера (I_Э), базы (I_Б) и коллектора (I_К): I_K = I_Э - I_Б.

Коэффициент , характеризующий степень использования тока эмиттера, служит одним из основных параметров транзистора и называется коэффициентом передачи эмиттерного тока. Для повышения коэффициента а толщину базы выбирают порядка десятков микрон. Благодаря этому, а также ввиду малой скорости рекомбинации число собираемых коллектором электронов (или дырок) удается доводить до 95÷98% от общего числа эмиттируемых электронов (дырок). Таким образом, изменение тока коллектора почти равно изменению тока эмиттера.

Вторым важным параметром транзистора является коэффициент передачи базового тока . Очевидно, что , а так как , то всегда гораздо больше 1.

В отличие от обычных электронных ламп вольтамперные характеристики транзистора определяют зависимость напряжения на коллекторе U_K от тока коллектора I_к, который рассматривается как независимая переменная, в то время как в лампах анодный ток определяется как функция анодного напряжения. Ток эмиттера является для семейства характеристик U_K = f (I_К) параметром (вместо напряжения сетки в лампе).

Анодносеточные характеристики лампы (зависимость анодного тока лампы от напряжения на сетке) в случае транзистора заменяются характеристиками, выражающими зависимость напряжения на коллекторе от тока эмиттера. Следовательно, в отличие от электронной лампы транзистор представляет собой устройство, в котором управление осуществляется током, а не напряжением. Усиливаемое напряжение в схемах с заземленной базой подается в цепь эмиттер-база, а нагрузочное сопротивление, включается' в цепь коллектора (см.2.11, б). При правильном выборе рабочей точки на характеристиках транзистора и усиления относительно небольших сигналов обеспечивается практически линейная связь между током эмиттера I_э и напряжением сигнала.

Сопротивление перехода коллектор-база r_к во много раз больше, чем входное сопротивление транзистора r_вх, т.е. сопротивления эмиттер-база. Так как нагрузочное сопротивление в схеме усилителя включается в цепь коллектора, его величина выбирается порядка r_к. В результате относительно малое изменение напряжения сигнала приводит к очень большому изменению выходного напряжения, т. е. имеет место усиление по напряжению. Для определения величины усиления необходимо учесть, что входное напряжение U_вх может быть представлено в виде

Выходное напряжение на нагрузочном сопротивлении равно . Таким образом, коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе имеет вид:

Ранее указывалось, что коэффициент а близок к единице, а сопротивление r_вх относительно мало, так как батарея Е_ЭБ подключена к левому электронно-дырочному переходу в прямом направлении. Поэтому коэффициент усиления по напряжению, приблизительно равный отношению сопротивления нагрузки к входному сопротивлению, может быть доведен до весьма больших величин.

Следует подчеркнуть, что усиление по напряжению сопровождается также и усилением по мощности. Действительно, входная мощность равна , а выходная мощность, выделяемая в нагрузочном сопротивлении, равна . Следовательно, коэффициент усиления по мощности равен

Это означает, что усиление по мощности приблизительно равно усилению по напряжению.

Рассмотренное соединение называется схемой с общей базой. Она наиболее удобна для объяснения способа усиления, но не является единственно возможной схемой полупроводникового усилителя. Возможны также схемы, имеющие общий эмиттер и общий коллектор.

Соединение отдельных каскадов усиления в многокаскадном усилителе вызывает известные трудности в связи с малым входным и относительно высоким выходным сопротивлением транзисторых каскадов. При одном из способов соединения между каскадами включают трансформатор Т1 (рис.2.12, а), который изменяет величину выходного сопротивления в зависимости от коэффициента трансформации. Подбирая необходимые значения коэффициента трансформации, можно обеспечить соотношение сопротивления в многокаскадном усилителе где i- номер каскада. Однако в связи с малой Полосой пропускания частотной характеристики трансформаторов, в усилителях не всегда возможно их использование.

Рис.2.12. Схемы многокаскадных транзисторных усилителей;

V1 - V3 - транзисторы; Б - база; К - коллектор; Э - эмиттер; Е_К - э.д.с. на коллекторе; I_Б, I_К, I_Э -соответственно токи базы, коллектора и эмиттера

Лучшие результаты дает использование эмиттерных повторителей (рис.2.12, б), которые включаются между усилительными каскадами. Отрицательная обратная связь, имеющая место в эмиттерном повторителе, повышает входное и снижает выходное сопротивление транзисторных каскадов усиления, что обеспечивает их согласование. Возможно также применение так называемых составных транзисторов (рис.2.12, в), которые позволяют получить очень большой коэффициент усиления (порядка нескольких тысяч) на одном каскаде.

В системах управления часто применяются низкочастотные сигналы. Поэтому усилители в таких системах должны иметь коэффициент усиления, отличный от нуля в области низких частот, начиная от нулевой. Усилители с такой полосой пропускания называются усилителями постоянного тока (УПТ). По принципу работы УПТ можно разделить на две основные группы: непосредственного действия и с дополнительным преобразованием сигнала.

Схемы УПТ непосредственного действия должны иметь цепи межкаскадной связи, полоса пропускания которых не ограничена со стороны низких частот. Так как ни конденсаторы, ни трансформаторы не пропускают постоянный ток то в УПТ этого типа необходимо использовать гальваническую связь между каскадами.

Рис.2.13. Схема усилителя постоянного тока

Для этого сетку лампы последующего каскада следует непосредственно соединить с анодом лампы предыдущего каскада или в транзисторных усилителях базу транзистора последующего каскада с коллектором транзистора предыдущего каскада. Это приводит к трудностям в согласовании режимов соседних каскадов по постоянному току в отличие от усилителей переменного тока, где разделительные конденсаторы и трансформаторы изолируют каскады по постоянному току и позволяют изменять постоянные напряжения в любом из них.

Для согласования режимов соседних каскадов по постоянному току используется ряд способов, наиболее универсальным из которых является потенцио-метрическая межкаскадная связь (рис.2.13). При этом потенциометры (Rl, R2) подключаются к дополнительному источнику питания, создающему необходимый потенциал на сетках ламп или базах транзисторов (VI - V3). Основным недостатком таких усилителей является нестабильность выходного напряжения вследствие колебаний напряжений источников питания, изменения сопротивлений резисторов и параметров активных элементов. Возникающий дрейф нуля ограничивает чувствительность УПТ.

Для устранения этого недостатка применяют УПТ с дополнительным преобразованием сигнала с помощью модулятора в переменное напряжение, которое далее усиливается обычным усилителем переменного тока и затем выпрямляется.

Дата добавления: 2014-01-11