Тема5(2ч):Усилители

Лекция 5 (2ч)

Электронные усилители (общая база, общий эмиттер, общий коллектор). Усилители Постоянного Тока (дифференциальные усилители). Эмитерный повторитель, усилители мощности.

Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (следовательно и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку.Источниками сигналов могут быть различные устройства, преобразующие неэлектрическую энергию в электрическую. Например: микрофоны, пьезоэлементы, датчики и т.д.

Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, громкоговорители, индикаторные устройства, осветительные, нагревательные и другие приборы.

Классификация усилителей, основные характеристики

Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. по типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения).

Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая), через разделительный конденсатор (емкостная) и через трансформатор (трансформаторная).

Все характеристики можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным относятся: допустимые значения входного и выходного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость.

Основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления. Так же к техническим показателям усилителей относятся ширина полосы пропускания , чувствительность, выходная мощность , искажения вносимые усилителем. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т.е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды выходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т.е изменением его фазы.

Если в усилителе имеются несколько каскадов усиления с коэффициентами то коэффициент усиления усилителя

в современных усилителях коэффициент усиления очень большой, поэтому его выражают в логарифмических единицах (в Дб):

;

Тема 6 (2ч): Операционные усилители.

Лекция 6 (2ч)

О перационное устройство, технические характеристики ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие ОУ, условно-графическое обозначение ОУ.

Решающие устройства на ОУ: Интегратор, диффиренциатор, сумматор на ОУ. Компараторы напряжений.

Операционным усилителем называется дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над электрическими сигналами.. Обычно ОУ имеет 3-4 балансных каскада. В качестве выходного каскада в ОУ обычно используют бестрансформаторный услитель мощности.

Коэффицент усиления ОУ - достигает 10⁶. Обычно ОУ изготавливают как интегральные микросхемы. ОУ имеет два входа инвертирующий- И и инвертирующий - Н. (см. Рис1).

1.6.3 Электрическая схема приведена на рис.1, маркировка ОУ на рис.2 и в таблице 1. Обозначение интегральных микросхем (ИМС) состоит из четырех элементов. Первый из них – цифра, означающая группу ИМС.

Она определяется конструктивно-технологическим исполнением и включает следующие цифры: 1,5,6,7- полупроводниковые ИМС; 2,4,8-гибридные; 3- прочие (пленочные,

Питание ОУ-ля обычно дву–полярное -Еп / +Еп.

вакуумные, керамические). Второй элемент – две или три цифры (от01 до 99 или от001 до 999), указывает на порядковый номер разработки серии ИМС.

Первый и второй элементы образуют серию ИМС. Третий элемент- две буквы,

соответствующие подгруппе и виду ИМС, определяющие основное функциональное назначение ИМС (Табл1). Четвертый элемент- число, обозначающее условный или порядковый в данной серии номер разработки. При необходимости разработчик ИМС имеет право после условного номера разработки дополнительно поместить букву (от А до Я), обозначающую отличие электрических параметров ИМС одного типа (например, 140УД1А, 140УД1Б). В начале обозначения ИМС, используемых в устройствах имеющих широкое применение, добавляется буква «К»(например, К140УД1А)

Рис.2

Аналоговые интегральные микросхемы

1.6.3.1.1.1.1 Таблица1

2 Подгруппа и вид ИМС	Буквенные обозначения
Генераторы сигналов
Гармонических Прямоугольной формы Линейно изменяющихся Специальной формы Шума	ГС ГГ ГЛ ГФ ГМ
Детекторы
Амплитудные Импульсные Частотные Фазовые прочие	ДА ДИ ДС ДФ ДП
Коммутаторы и ключи
Тока Напряжения прочие	КТ КН КП
Модуляторы
Амплитудные Частотные Фазовые Импульсные прочие	МА МС МФ МИ МП
Преобразователи
Частоты Фазы Длительности импульсов Напряжения Уровня(согласователи) Код-аналог прочие	ПС ПФ ПД ПН ПУ ПА ПВ ПП
Усилители
Высокой частоты Промежуточной частоты Низкой частоты Импульсных сигналов	2.1.1 УВ УР УНЧ УИ
Схемы вторичных источников:	2.1.2
Выпрямители Преобразователи Стабилизаторы напряжения Стабилизаторы тока прочие	2.1.3 ЕВ ЕМ 2.1.4 ЕН ЕТ ЕП
Фильтры	2.1.5
2.1.6 Верхних частот Нижних частот Полосовые Режекторные Прочие	2.1.7 ФВ ФН ФЕ ФР ФП
2.1.8 Формирователи импульсов	2.1.9
2.1.10 Прямоугольной формы 2.1.11 Специальной формы Прочие	2.1.12 АГ АФ 2.1.13 АП
2.1.14 Триггеры	2.1.15
2.1.16 Шмидта Прочие	2.1.17 ТЛ 2.1.18 ТП
2.1.19 Микросборки(Наборы элементов)	2.1.20
2.1.21 Диодов Транзисторов Резисторов Конденсаторов Комбинированные прочие	2.1.22 НД 2.1.23 НТ НР НЕ НК НП
2.1.24 Многофункциональные аналоговые ИМС	2.1.25 ХА

Основными характеристиками ОУ являются передаточные характеристики: амплитудная, частотная, фазовая. Амплитудная характеристика на микросхеме К140УД8 по неинвертирующему входу приведена на рис.3. Напряжение смещения Ucм = ±(1÷5)мв. Обычно ОУ балансируют (т.е добиваются «0» на выходе ОУ при замкнутом входе) с помощью внешнего балансного потенциометра.

Параметры, характеризующие ОУ подразделяются на статические и динамические.

К статическим параметрам ОУ относятся:

1.Коэф-т. усиления по напряжению К. К = 10⁴÷10

2. Входное сопротивление R _вх , Ом R_вх = 10⁴÷10⁶

3. Выходное сопротивление R вых,Ом R_вых = 10¹÷10²

4.Входное напряжение смещения U cм,мВ U_cм = ±(1÷5)

Основные динамические параметры:

1. Частота единичного усиления f, Гц (при К_u=1) f _c = 10⁴ ÷10⁶

2.Время установления выходного напряжения t _уст,мкс t _уст = 0,05÷2

В зависимости от того куда подается входной сигнал различают инвертирующие и неинвертирующие ОУ.

Для построения различных усилителей и улучшения стабильности работы ОУ применяется отрицательная обратная связь (О.О.С). Например, в неинвертирующем ОУ (рис.4) входное напряжение подается на неинвертирующий вход, а с выхода через делитель R₁R₂ часть выходного напряжения подается на инвертирующий вход. Обычно R₂ значительно больше чем R_вых и R_1, но меньше R_вх. Для идеального усилителя R_вх =∞, R_вых=0, Кu=∞. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя можно найти по формуле:

Uвх =UвыхR1/(R₁+R₂) или К= Uвх / Uвых=1+R₁/R₂ (1)

Для инверитрующего усилителя (рис.5) входное напряжение и напряжение обратной связи подаются на инвертирующий вход, неинвертирующий обычно заземлен.

Для идеально ОУ когда можно пренебречь входным током

(Rвх=∞) входной ток усилителя i₁ приблизительно равен току обратной связи i₂, или с учетом направлений: i₁ = - i₂.

Поскольку для идеального ОУ потенциалы входа и выхода одинаковы, то можно записать:

U_вх =R₁*i₁, U_вых =i₂*R₂.

Учитывая равенство токов i_1, i₂ и их знаки имеем: U_вх/R₁= - U_вых/R₂ или:

К = U_вых/ U_вх = - R₁/R ₂ (2)

Знак минус показывает, что фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

Таким образом, коэффициент усиления К обеих типов ОУ зависит только от отношения сопротивлений R₁/R₂ и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Поэтому коэффициент ОУ очень стабилен.

На основе ОУ можно создавать устройства, выполняющие различные математические действия: масштабные множители, сумматоры, диффиренцирующие и интегрирующие устройства, устройства нелиненых преобразований.

На рис.6 представлен сумматор:

Несколько сигналов подаются через резисторы на инвертирующий вход ОУ. Обратная связь через R2 также подается на инвертирующий вход. Так как Iвх=0, то по

первому закону Кирхгофа имеем:

i₁₁+i₁₂+i₁₃= - i₂

Учитывая что: i₁₁ = Uвх₁/R₁₁, i₁₂ = Uвх2/R₁₂, i₁₃ = Uвх₃/R₁₃

получим:

Uвых = -R2/R₁(Uвх1+ Uвх2+ Uвх3) (3)

где: R₁= R₁₁= R₁₂ =R₁₃.

Следовательно данная схема производит сумматоррование.

На рис. 6 представлена схема диффиренцирующего усилителя. Для идеального ОУ

i₁ = С *dUвх/dt, а i₂ = Uвых/R, поэтому учитывая, что i₁= - i₂ имеем:

Uвых = R С *dUвх/dt (4)

Коэффициент передачи дифференцирующего звена имеет вид:

К= р•Т/(1+ р•Т) (4б)

где Т = RC, p = jω

2.1.25.1.1.1 Для интегрирующего усилителя (рис.8) справедливы соотношения

i₁=Uвх/R, i₂= С *dUвых/dt,

поэтому: Uвых =1/RС *ì Uвх/dt +U₀ (5)

Из выражения (5) видно, что данная схема производит интегрирование.

Коэффициент передачи дифференцирующего звена имеет вид:

К = Т/(1+ р•Т) (5б)

где Т = RC, p = jω.

Часто необходимо моделировать нелинейные преобразования.

Часто необходимо что бы передаточная характеристика устройства имела вид:

Подобные характеристики могут быть смоделированы схемой приведенной на рис.9.

Тема7 (2ч): Управляемые источники (на CPC)

Лекция 7 (2ч)

Источник напряжения или тока управляемый напряжением (на CPC)

Тема8 (2ч): Импульсные устройства.

Лекция 7 (2ч)

Электронный ключ, Триггер (R-S, D,J-К,Шмидта), мультивибратор, одновибратлор.

Электронный ключ- устройство преобразующее сигнал высокого уровня в сигнал низкого уровня. Э.К. может быть реализован на базе усилителя с биполярным транзистором включенног по схеме с общим эмиттером согласно схемы на рис …. В исходном состоянии транзистор закрыт-напряжение Uкэ = Еп(высокий уровень).При подаче на вход усилителя импульсного положительного сигнала(стпеньки), транзистор входит внасыщение, а напряжение Uкэ ~ 0(низкий уровень).

Электронный ключ можно рассматривать также как инвертор, он выполняет логическую операцию НЕ.

Динамические свойства ключа определяются временем включения
t и выключения. Для уменьшения времени вкл t резистор в цепи базы шунтируется конденсатором, а для умень­шения времени выкл в цепь базы включается ЭДС -V.

Применение транзистора в качестве ключа вместо других типов клю­чей, например электромеханических, имеет ряд преимуществ: транзи­сторный ключ не содержит подвижных частей, подверженных износу, имеет большое быстродействие и малые размеры. Для управления транзисторным ключом требуется источник энергии малой мощности.

Дата добавления: 2015-05-06