Тема 2. Усилители сигналов

Электрические параметры электронных устройств

Основные характеристики электронных устройств

Все электронные устройства характеризуются электрическими и временными параметрами.

Электронные устройства обеспечивают и сохраняют работоспособность при определенных параметрах источника питания. Поэтому электронные устройства характеризуются напряжением и полярностью источника питания, током потребления и мощностью потребления.

Наряду с перечисленными параметрами к электрическим параметрам следует отнести допустимые уровни напряжения и тока на входе и выходе электронного устройства (для генераторов сигналов входные электрические параметры лишены смысла), при которых сохраняется работоспособность устройства, входные и выходные сопротивления устройства, допустимая нагрузка, подключаемая к выходу электронного устройства. В зависимости от функционального назначения электронного устройства используют целый ряд характеристик, параметров, отражающих функциональные свойства. Например, для усилителей сигналов, коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности, для генераторов сигналов – коэффициент нестабильности амплитуды и т.д.

Временные параметры электронных устройств определяют задержки, вносимые ими и их быстродействие. Эти параметры и характеристики электронных устройств непосредственно связаны с их функциональным назначением и будут рассмотрены при изучении конкретных устройств.

В основе классификации усилителей аналоговых сигналов используются различные классификационные признаки – вид сигнала, его свойства, чувствительность, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия.

В зависимости от того, какой параметр сигнала преимущественно изменяется различаются усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности.

В зависимости от частотных свойств сигнала различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока, которые в зависимости от частотного диапазона усиливаемого сигнала подразделяются на усилители инфранизкой частоты, усилители низкой и высокой частоты, СВЧ- усилители и т.д.

В зависимости от чувствительности усилителя, а она определяется исключительно уровнем собственных шумов усилителя, различают усилители с низким уровнем шумов (высокочувствительные усилители) и усилители с обычным уровнем шумов (уровень собственных шумов не нормирован).

В зависимости от режима работы усилителя (определяется исходным смещением усилительных элементов) различают усилители класса А, В, АВ, С, Д. В Усилителях класса А угол отсечки равен 180 градусам, в усилителях класса В – 90 градусов, в классе АВ – от 90 до 180 градусов, у класса С - менее 90 градусов. Усилителях класса Д используется широтно-импулсьная модуляция сигнала, усиление ШИМ- сигнала и его демодуляция. Каждый класс усилителя характеризуется предельными значениями коэффициента полезного действия η, который определяется отношением мощности сигнала на выходе усилителя к потребляемой усилителем мощности. Для класса А – η ≤ 48%; для АВ – 48 ≤ η ≤ 78%; для В - η ≈ 78; для С - η ≤ 90%; для Д - η ≤ 98%.

В зависимости от характера сигнала – является он разностным или синфазным на входах усилителя и характера их усиления введен специальный класс усилителей – дифференциальные усилитель. Он обеспечивает усиление разностного для входов усилителя сигналов U _ВХР

K _UР = U _ВЫХР /U _ВХР > 1

и значительное подавление синфазного входного сигнала U _ВХС

K _UС = U _ВЫХС /U _ВХС << 1.

К числу важных параметров усилителя, определяющих его свойства и потребительские качества, относятся:

Коэффициент усиления по напряжению K _U = U _ВЫХ /U _ВХ; коэффициент усиления по току K _I = I _ВЫХ /I _ВХ; коэффициент усиления по мощности K _Р = Р _ВЫХ /Р _ВХ.

Входное сопротивление усилителя R _ВХ = dU _ВХ / dI _ВХ и выходное сопро­тивление R_ВЫХ = dU _ВЫХ / dI _ВЫХ.

Входное сопротивление R_ВХ определяет величину напряжения на входе усилителя U _ВХ, как часть напряжения источника сигнала E _C c сопротивлением R _C:

U _ВХ = E _C R _ВХ / (R _ВХ + R _C ).

Выходное сопротивление R_ВЫХ определяет величину напряжения на выходе усилителя U _ВЫХ (сопротивлении нагрузки R_Н, подключенной к выходу усилителя) U _Н с учетом падения напряжения на выходном сопротивлении усилителя R_ВЫХ:

U _ВЫХ = U _Н = K_U U _ВХ R _Н / (R _ВЫХ + R _Н ).

Коэффициент нелинейных искажений K _НИ характеризует искажение формы выходного сигнала и определяется отношением суммой мощности второй и высшей гармоник выходного сигнала Р _СМГ к мощности выходного сигнала основной частоты Р _F:

K _НИ = Р _СМГ /Р _F %.

Коэффициент линейных искажений K _ЛИ характеризует неравномерность усиления сигнала в рабочем диапазоне частот усилителя D _F = [ F _Н, F _В] и определяется отношением максимальной величины неравномерности коэффициента передачи усилителя Δ K _UМАX(F) к среднему значению коэффициента усиления по напряжению K _UСР для рабочего диапазона частот D _F:

K _ЛИ = Δ K _UМАХ(F) / K _UСР %.

В основе построения практически большинства усилителей сигналов используются усилители на основе биполярных и полевых транзисторов.

Рассмотрим построение усилителей сигналов переменного тока на основе биполярных транзисторов.

Технология построения усилителей на основе полевых транзисторов практически идентична технологии построения усилителей на биполярных транзисторах. Имеет место некоторая аналогия схем усилителей на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме общий эмиттер – общий исток, общий коллектор – общий сток, общая база – общий затвор.

Расчет схем таких усилителей осуществляется в 2 этапа и включает расчет по постоянному и переменному токам.

Рассмотрим технологию расчета усилителей на биполярных транзисторах.

Расчет по постоянному току. Расчет позволяет задать исходные смещения на базе, эмиттере и коллекторе транзисторов с помощью резисторов, благодаря чему транзистор работает как регулируемый генератор тока и обеспечивает усиление по току и напряжению.

Рассмотрим пример расчета по постоянному току схемы с общим эмиттером.

Для реализации усилительных свойств эмиттерный p-n -переход биполярного транзистора должен быть смещен прямо, а коллекторный p-n -переход – обратно. Следовательно, при использовании транзистора n-p-n- типа потенциал базы должен быть выше потенциала эмиттера на величину смещения эмиттерного p-n- перехода (порядка 0,2…0,5 В), а потенциал коллектора – соответственно на величину смещения коллекторного p-n- перехода (порядка 0,3…0,7 от уровня ). Задание потенциала базы обеспечивается с помощью потенциометрического делителя напряжения на сопротивлениях и : = / ( + ).

Для снижения шунтирующего действия сопротивлений и на источник сигнала необходимо, чтобы и были значительно меньше сопротивления источника сигнала . Ток делителя = / ( + ) в 3…5 раз должен превышать задаваемый ток базы транзистора.

Потенциалы эмиттера и коллектора будут зависеть от тока базы и определяются соотношениями:

= - = ;

= + = - ,

где токи эмиттера и коллектора равны соответственно = (b + 1),

= b; b - статический коэффициент усиления тока базы.

При значительных уровнях входного сигнала для эффективного использования динамического диапазона изменения выходного сигнала целесообразно задать напряжение смещения = 0,5.

Расчет по постоянному току усилителей на транзисторах, включенных по схемам с ОБ и ОК, осуществляется аналогичным образом.

Функциональные электрические схемы усилителей:

а – с ОЭ; б – с ОБ; в – с ОК

Расчет по переменному току. На этом этапе определяются номиналы элементов схемы, влияющих на работу усилителей по переменному току, т. е. при усилении сигналов, а также рассчитываются параметры усилителя.

Основными параметрами усилителя являются коэффициенты усиления по напряжению , по току , мощности , входное и выходное сопротивления. Соотношения для определения этих параметров при различных схемах включения транзисторов приведены в таблице, где – динамическое сопротивление базы транзистора; и – динамические сопротивления эмиттерного и коллекторного p-n- переходов; = j/ =

= 26 мВ/; ® µ; a – динамический коэффициент передачи тока эмиттера; b – динамический коэффициент усиления тока базы; j – фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Сравнивая различные схемы включения биполярных транзисторов в усилителе можно отметить, что наибольшим входным и наименьшим выходным сопротивлением обладает схема с ОК, наименьшее входное сопротивление обеспечивает схема с ОБ, а наибольшие коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности можно получить, используя схему с ОЭ.

При расчете усилителей необходимо выполнить требование по согласованию источника сигнала с нагрузкой. Оно заключается в том, что для максимального отбора сигнала от источника на нагрузку сопротивление нагрузки должно быть значительно больше сопротивления источника сигнала.

Для источника сигнала нагрузкой является усилитель, а ток, протекающий через , будет определяться как значением сопротивления , так и полным входным сопротивлением усилителя . Его можно вычислить, зная сопротивление базового делителя и входное сопротивление :

= || ; = || .

Для усилителя, который сам является источником сигнала, нагрузкой будет . Поэтому для достижения максимального усиления сигнала и передачи его на нагрузку сопротивление должно быть значительно больше выходного сопротивления усилителя.

Конденсаторы и обеспечивают развязку цепей источника сигнала и нагрузки по постоянному и переменному токам.

Параметр усилителя	Схема включения транзистора
ОЭ	ОБ	ОК
	b [|| ] / [+ + (b + 1)(+ )]	a [|| ] / [(1 – a) + ]	(b + 1) [|| ] / [+ + (b + 1)(+ || )]
	b/ (+ )	a/ (+ )	(b + 1) / (+ )
	+ (b + 1)(+ )	(1 – a) +	+ (b + 1)(+ || )
	||	||	||
	|| »	|| »	+ (+ ) / (b + 1)
j	180°

Указанные конденсаторы исключают влияние источника сигнала и нагрузки при их подключении на исходное смещение транзистора. Их номиналы рассчитываются в соответствии со следующими соотношениями:

для схемы с ОЭ

³ 1/[(+ )]; ³ 1/[(+ )]; ³ 1/();

для схемы с ОБ

³ 1/[(+ )]; ³ 1/[(+ )]; ³ 1/();

для схемы с ОК

³ 1/[(+ )]; ³ 1/ [(+ )],

где – нижняя граница частотного диапазона работы усилителя.

Конденсатор в схеме с ОЭ позволяет задать необходимую глубину отрицательной обратной связи. Он снижает влияние сопротивления на коэффициент усиления по напряжению. Возможно подключение к части сопротивления (= + ). При этом коэффициент усиления будет определяться частью сопротивления , которая не шунтируется конденсатором : = b [|| ] / [+ (b + 1)(+ )].

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность расчета усилителя по постоянному и переменному токам?

2. Какие элементы схемы влияют на исходное смещение транзистора?

3. Какие элементы схемы влияют на параметры усилителя по переменному току?

4. Зачем используются разделительные конденсаторы в усилителях, конденсатор в эмиттерной цепи схемы с ОЭ, конденсатор в цепи базы в схеме с ОБ?

5. Перечислите пути повышения входного сопротивления и снижения выходного сопротивления усилителей.

6. Перечислите пути повышения коэффициентов усиления по напряжению и току.

7. Как сказывается на параметрах усилителя увеличение (снижение) напряжения питания ?

8. Перечислите пути расширения амплитудного диапазона усиления сигнала.

9. Перечислите пути расширения частотного диапазона усиления сигнала.

10. В чем различие между расчетами многокаскадных усилителей переменного и постоянного тока?

Дата добавления: 2014-01-06