Усилители переменного сигнала

УСИЛИТЕЛИ

Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором называют устройство, предназначенное для автоматического поддержания напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети. На входные клеммы стабилизатора подается напряжение на выходе блока фильтров, а к выходным подключается нагрузка. Основным параметром, характеризующим стабилизатор, является коэффициент стабилизации:

(6.10)

Простейшей схемой стабилизатора является схема парамет-рического стабилизатора, рассмотренная в теме 5.2, модуля 5. В настоящее время широкое распространение получили стабилизаторы в виде интегральных схем.

При решении многих производственных задач возникает необ-ходимость в усилении электрических сигналов, для чего использу-ются электронные усилители.

Усилитель – это электронное устройство, управляющее по-током энергии, идущей от источника питания к нагрузке.

Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада приведена на рисунке 6.6.

Рисунок 6.7. Усилитель переменного тока

В большинстве случаев транзистор в усилительном каскаде включают по схеме с ОЭ. Рассмотрим назначение элементов в этой схеме:

‑ активный усилительный элемент ‑ транзистор;

‑ резистор, через который подается напряжение питания на коллектор транзистора и на котором выделяется усиленный сигнал;

‑ элемент нагрузки, с которого снимается усиленный сигнал;

‑ резистор в цепи эмиттера, служит для стабилизации положения рабочей точки, т.к. за счет этого элемента в усилителе введена отрицательная обратная связь по постоянному току, а при отсутствии конденсатора вводится отрицательная связь и по переменному току. Одновременно резистор участвует, совместно с резисторами и , в задании начального положения рабочей точки транзистора;

‑ конденсатор в цепи эмиттера служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току;

и ‑ резисторы, образующие делитель в цепи базы транзис-тора. Совместно с резистором они обеспечивают начальный режим работы транзистора, а также участвуют в процессе стабили-зации положения рабочей точки;

, ‑ разделительные конденсаторы, которые пропускают только переменную составляющую сигнала от входного источника на вход транзистора и переменную составляющую усиленного сигнала с коллектора транзистора в нагрузку, а постоянную составляющую задерживают.

Рассмотрим принцип действия усилителя:

При подключении постоянного источника питания по схеме усилителя будет протекать постоянный ток. Источник питания и делитель напряжения обеспечивают смещение эмит-терного перехода транзистора в прямом направлении, а коллекторного – в обратном. Таким образом, задаются начальные условия работы усилителя (режим работы). Если подключить на вход усилителя источник переменного сигнала , то на вход транзистора поступит переменная составляющая сигнала, и в коллекторной цепи на сопротивлении выделится усиленный сигнал. Сигнал содержит как переменную, так и постоянную составляющие. Постоянная составляющая обусловлена шумами транзистора и отфильтровывается конденсатором . Перемен-ная составляющая усиленного сигнала проходит в выходную цепь усилителя и выделяется на сопротивлении нагрузки .

Рассмотрим основные параметры усилителя.

1 .Коэффициентом усиления усилителя называют отношение

выходной величины к входной. Для усилителя принято определять три коэффициента усиления: по напряжению по току , по мощности .

(6.11)

2. Фазо - частотная характеристика (ФЧХ) показывает зависимость фазового сдвига выходного сигнала относительно входного в зависимости от частоты. Обозначается .

3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это модуль коэффициента усиления, который является функцией частоты .

На рисунке 6.8. приведены АЧХ и ФЧХ для усилителя переменного тока. Изменение коэффициента усиления от частоты и появления фазового сдвига можно объяснить наличием реактивных элементов в схеме усилителя, сопротивление которых изменяется в зависимости от частоты.

Рисунок 6.8. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики

В том частотном диапазоне, где наблюдается изменение амплитуды, будет наблюдаться и изменение фазы, что и просматривается на рисунке 6.8. В усилителе задается диапазон усиливаемых частот или полоса пропускания усилителя , т.е. диапазон частот, в пределах которого неравномерность АЧХ составляет не более 3 Дб.

Весь частотный диапазон условно разбивают на три области: область нижних частот (НЧ), область средних частот (СЧ), область верхних частот (ВЧ). Под областью средних частот обычно понимают ту область, где изменение коэффициента усиления усилителя незначительно. В области нижних и верхних частот наблюдается, в большинстве случаев, уменьшение коэффициента усиления или «завал» характеристики. На нижних и верхних частотах, как правило, не задают коэффициентов усиления, а используют коэффициенты частотных искажений , которые показывают, во сколько раз коэффициент усиления на соответствующей частоте меньше (больше), чем коэффициент усилений на средней частоте. В соответствии со сказанным для нижних частот и верхних частот . Реальные значения лежат в пределах 1.001 … . Частотные искажения, также как и «завал» в АЧХ определяется реактивными элементами. Если на вход усилителя, имеющего частотные искажения, подать простой сигнал, состоящий из одной гармонической составляющей, то изменения формы на выходе усилителя наблюдаться не будет. Если же подать сложный сигнал, состоящий из нескольких гармонических составляющих, то из-за разного коэффициента усиления для каждой составляющей и соответственно разного фазового сдвига форма суммарного сигнала на выходе усилителя будет отличаться от формы сигнала, поданного на вход, г.е. в этом случае появится искажение формы сигнала.

4. Амплитудная характеристика показывает зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного. На рисунке 2.3 приведена идеальная амплитудная характеристика, которая представляет прямую линию и реальная характеристика, имеющая нелинейную зависимость. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя присутствует сигнал , обусловленный наличием шума элементов усилителя, наводок и т.д., т.е. формируется участок 1. По мере увеличения входного сигнала влияние шумов становится меньше и формирует-

Рисунок 6.9. Амплитудная характеристика усилителя:

а) идеальная; б) реальная.

ся квазилинейный участок 2. Если на вход поступил сигнал больше , усилитель начинает работать в режиме ограничения сигнала, участок 3. Таким образом, амплитудная характеристика является нелинейной, и этот факт обусловлен в основном наличием нелинейных элементов, в частности транзистора. Наличие нелинейности приводит и к тому, что в спектре выходного сигнала появляются более высокочастотные составляющие (высшие гармоники), которые, суммируясь с усиленным сигналом, вызывают дополнительные искажения сигнала и называются нелинейными искажениями. Для оценки нелинейных искажений введено понятие коэффициента нелинейных искажений, который определяется следующим образом:

, (6.12)

где: ‑ амплитуда усиленного сигнала; - амплитуды высших гармоник, возникших в результате нелинейных искажений.

Следует заметить, что при наличии нелинейных искажений, искажение формы выходного сигнала будет наблюдаться даже в том случае, когда на вход подан сигнал, содержащий только одну гармоническую составляющую.

5. Коэффициентом полезного действия (КПД) усилителя называется отношение мощности, выделяющейся в нагрузке к мощности, потребляемой от источника питания :

(6.13)

КПД показывает, какая часть мощности источника питания преобразуется в переменный сигнал. Значение КПД существенно зависит от выбора начального смещения.

Рассмотренная схема усилителя называется однокаскадной. Для получения требуемого значения выходного напряжения иногда не достаточно одного каскада. В таких случаях прибегают к после-довательному соединению каскадов. Первый каскад называют вход-ным, последний – выходным, а все остальные – промежуточными. Их схемные решения могут отличаться. Связь между каскадами бывает непосредственная (гальваническая) или с помощью конден-саторов, индуктивностей или трансформаторов. Для много-каскадной схемы общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

, (6.14)

где n – количество каскадов.

Дата добавления: 2015-05-06