Параметры усилителя

Работа усилителя оценивается следующими параметрами:

1. Коэффициент усиления .

Иногда коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах дБ.

Учитывая, что в устройствах автоматики и связи пределы изменения мощности, напряжения и тока достаточно велики (несколько порядков), то для упрощения расчетов вводится понятие «уровень» Различают абсолютные и относительные уровни. Абсолютные уровни определяются относительно одноименных величин принятых за единицу, Р_o, U₀, I₀.

В соответствие с международными соглашениями (МККТТ) принято Р₀ = 1 мВт, U₀ и I₀ определяются для заданного сопротивления, например, для R₀ = 600 Ом, I₀ = 1,29×10^-3 А, U₀ = 0,775 В., при этом Р₀ = I₀ U₀ = 1мВт.

Абсолютные уровни определяются как логарифм отношения,

А_P(дБ) = 10lg P/P₀, A_U(дБ) = 20 lg U/U₀, A_I(дБ) = 20 lg I/I₀.

Если Z_вх = Z_вых, то относительные уровни равны разности абсолютных.

Если Z_вх ≠ Z_вых, то относительные уровни определяются с учетом неравенства этих сопротивлений.

Важнейшими параметрами усилителя являются входное и выходное сопротивления, их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства, как с источником сигнала, так и с нагрузкой:

при R_н = const;

,

где напряжение и ток на выходе усилителя при подключенной нагрузке.

Часто интересуются только активными составляющими входных и выходных сопротивлений.

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя:

К₀ = К₁К₂К₃ … К_n;

К₀(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) + … + К_n(дБ),

где К₁, К₂, … К_n - коэффициенты усиления отдельных каскадов.

2. Выходная мощность усилителя - мощность, выделяемая на нагрузке с заданным коэффициентом нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

3. Чувствительность усилителя – минимальное значение входного сигнала, при котором обеспечивается номинальное значение выходной мощности.

4. Амплитудная характеристика усилителя – зависимость К_U = f(U_вх) при f = const.

Рис. 4. Амплитудная характеристика усилителя

5. Динамический диапазон – отношение U_{вх max} к U_{вх min}:

.

Динамический диапазон обеспечивает работу усилителя на линейном участке амплитудной характеристики.

6. Частотная характеристика усилителя – К_U = F(f) при U_вх = const.

Рис. 5. Частотная характеристика усилителя

7. Диапазон усиливаемых частот – полоса частот Df = f_в – f_н, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за заданные пределы. Как правило, диапазон частот определяется по уровню 3 дБ или в 1,41 раза.

8. Коэффициент частотных искажений:

9. Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении спектрально чистого синусоидального сигнала выходной сигнал не является синусоидальным. В выходном сигнале кроме основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляются высшие гармонические составляющие.

Для иллюстрации возникновения нелинейных искажений запишем квадратичную зависимость тока базы I_б от напряжения база – эмиттер U_б-э:

I_б = f(U_б) = А(U_б0 + U_вх)²,

где А – постоянный коэффициент, имеющий размерность проводимости.

; .

Таким образом, при аппроксимации входной характеристики квадратичной зависимостью на выходе появляются составляющие с удвоенной частотой входного сигнала. При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным сигналом, а все остальные составляющие – следствием нелинейных искажений.

10. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармонических составляющих и при усилении синусоидального сигнала оценивается или коэффициентом нелинейных искажений К_ни или коэффициентом гармоник К_г.

11. Линейные искажения (частотные) обусловлены зависимостью от частоты коэффициента усиления, реактивных составляющих схемы. Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды сигнала, а зависит только от частоты. В общем случае:

.

На практике отдельно рассматривают модуль и аргумент коэффициента усиления (АЧХ и ФЧХ).

12. Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, но вызывают изменение формы сигнала из-за фазового сдвига отдельных гармонических составляющих сигнала.

Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Частотные и фазовые искажения обусловлены одними и теми же причинами и проявляются одновременно. Большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые и наоборот.

Рис.6. Фазовые искажения сигнала

Понятие о классах усиления

В зависимости от величины и знака напряжения смещения U_см и напряжения входного сигнала U_с существует несколько принципиально различных режимов работы усилителя, называемых классами.

Режим работы усилителя в классе «А»

В этом режиме ток выходного каскада усилителя протекает в течение всего периода изменения входного напряжения. Режим класса А имеет место при выборе рабочей точки в средней части нагрузочной характеристики. Форма выходного сигнала соответствует форме входного со сдвигом на 180°. Транзистор работает в линейной области, выходное напряжение U_вых имеет минимальные нелинейные искажения. Усилитель в этом режиме имеет низкий КПД (не более 0,5), как правило, используется в маломощных каскадах усиления.

Рис. 7. Режим работы усилителя в классе «А»

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером (ОЭ) больше чем в схеме с общей базой (ОБ) и составляет сотни Ом, выходное сопротивление R_вых меньше чем в схеме с ОБ и составляет единицы и десятки кОм.

В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ дает усиление по току , которое находится в пределах 10 – 150. Усиление по напряжению К_U приблизительно составляет несколько сотен. Усиление по мощности при согласовании сопротивлений на входе и выходе усилителя достигает 10⁴.

Схема с общей базой

На вход усилителя подается напряжение смещения и усиливаемое напряжение. Напряжение смещения снимается с R_б и подается в цепь база – эмиттер, оно необходимо для выбора (фиксации) рабочей точки. В коллекторной цепи усилителя включено R_к, с которого снимается усиленный сигнал. При подаче на вход усилителя переменного сигнала ток эмиттера I_э начинает изменяться по закону входного напряжения. Соответственно току эмиттера изменяется и ток коллектора I_к = aI_э. Коэффициент усиления a, как правило, изменяется в пределах 0,9 – 0,99. Падение напряжения, снимаемое с R_к, и является усиленным сигналом. Фазы входного и выходного сигналов в схеме с ОБ совпадают. Входное сопротивление R_вх = DU_э/DI_э очень мало, потому что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и незначительное изменение U_э ведет к значительному изменению I_э. Выходное сопротивление велико и составляет сотни КОм или единицы МОм. Усиление по току

При почти равных токах на входе и выходе и различных R_вх и R_вых усиление по напряжению К_U можно получить порядка 10³. Усиление по мощности К_Р = aК_U» 10³.

Схема с общим коллектором

В схеме с общим коллектором выходное напряжение совпадает по фазе с входным. Наиболее важной отличительной особенностью схемы является высокое входное сопротивление и низкое выходное. В схеме с ОК

U_вх > U_вых, К_U < 1,

имеет несколько большее значение, чем в схеме с ОЭ. Усиление по мощности К_Р меньше, чем в схеме с ОЭ.

Схема	Усиление (порядок)	Сопротивление (порядок)	Фазовый сдвиг Uвых относит. Uвх
КU	Кi	КР	Rвх	Rвых
ОБ	10^3	Кi < 1	10^3	1 – 10	10^5 – 10^6	0°
ОЭ	10^2	10^2	10^4	10^2 – 10^3	10^3 – 10^4	180°
ОК	КU < 1			10^4 – 10^5	10 – 10^3	0°

Работа усилителя в режиме класса «В»

В этом режиме ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода входного сигнала. В этом режиме напряжение смещение близко к нулю.

Рис. 7. Работа усилителя в режиме класса «В»

Ток коллектора выходного транзистора также незначителен I_к ® I_кmin» 0. При малых токах коллектора транзистор находится в режиме отсечки, энергия от источника не потребляется. Рабочая точка находится в нижней части нагрузочной линии. Поэтому режим работы усилителя в классе «В» наиболеепредпочтителен в усилителях средней и большой мощности.

В этом режиме достигается высокий КПД = 0,7 и более. Однако этот режим пригоден для усиления только одной полуволны входного сигнала. Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволн применяются двухтактные схемы усиления.

Усилитель класса «АВ»

В этом режиме ток через транзистор протекает больше половины периода изменения входного сигнала. В этом случае U_см ³ U_бэ.При достаточно высоком КПД этот режим обеспечивает меньшие нелинейные искажения.

Усилитель класса «С»

В этом режиме ток коллекторной цепи транзистора ток протекает в течение интервала времени, меньшего половины периода входного сигнала, и транзистор больше половины периода находится в состоянии отсечки. Режим класса «С» применяется в резонансных усилителях.

Усилитель класса «Д»

Транзистор работает в ключевом режиме и может находиться в двух состояниях:

1) «включено» – транзистор находится в состоянии насыщения;

2) «выключено» – транзистор находится в состоянии отсечки.

Выходное напряжение усилителя, работающего в классе «Д», всегда имеет прямоугольную форму. Реализуется максимальный КПД и усиление. Режим класса «Д» применяется в импульсных источниках напряжения.

УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

ВИДЫ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ

Обратной связью называют передачу части мощности с выхода устройства или какого-либо промежуточного звена на его вход. Блок-схема усилителя с обратной связью приведена на рис. 1. Доля мощности, передаваемая с выхода на вход, обычно мала по сравнению с мощностью, отдаваемой нагрузке, но иногда может превышать мощность усиливаемого сигнала. Цепи, через которые осуществляется передача энергии, называются цепями обратной связи. Обратная связь может возникать за счет нежелательного влияния выходных цепей на входные. Такая ОС называется паразитной, а цепи по которым этот сигнал поступает называются паразитными.

Различают два вида специально вводимой обратной связи:

1) положительную, если в результате введения коэффициент усиления возрастает. При положительной обратной связи фаза напряжения, подаваемого с выхода усилителя на его вход (фаза напряжения обратной связи), совпадает с фазой входного сигнала;

2) отрицательную, если в результате введения обратной связи коэффициент усиления уменьшается. При отрицательной обратной связи фаза напряжения обратной связи противоположна фазе входного сигнала. В усилителях обычно применяется лишь отрицательная обратная связь, которая способствует улучшению его качественных показателей. Положительная обратная связь применяется главным образом в генераторах.

Усилители с обратной связью различают по способу получения напряжения обратной связи и по способу подачи этого напряжения на вход усилителя. По способу получения сигнала обратной связи различают обратную связь по напряжению, когда напряжение обратной связи пропорционально напряжению на выходе усилителя (рис. 2, а), обратную связь по току, когда напряжение обратной связи пропорционально току через нагрузку = (рис. 2, б), и комбинированную обратную связь (рис. 2, в). Напряжение обратной связи можно подать на вход усилителя либо последовательно, либо параллельно с входным сигналом. Соответственно различаются последовательная (рис. 2, г) и параллельная (рис. 2, д) обратные связи. Существуют и более сложные схемы обратной связи: балансная, дифференциальная и др. Петля обратной связи может охватывать весь усилитель или часть его. В усилителе могут быть и несколько цепей обратной связи, независимых или зависимых одна от другой. Рассмотрим свойства усилителя, охваченного различными типами обратной связи.

а б в

г д

Рис. 2. Способы получения сигнала ОС и подачи на вход усилителя

ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЯ

1. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определим на примере схемы рис. 3, а для случая Z_г = 0. Обозначая коэффициент усиления усилителя без введения в него обратной связи , а коэффициент усилителя с обратной связью , (и определяются в режиме холостого хода на выходе) и, считая усилитель линейной системой, можно написать:

,

где - коэффициент передачи цепи обратной связи (или коэффициент обратной связи), определяющий отношение между напряжением обратной связи и выходным напряжением. Отсюда получаем:

.

y

Z_н

Z_вх

Z_г

Z

а

б

в

Рис. 3. Схемы усилителей с ОС

Коэффициент усиления при наличии обратной связи равен:

. (*)

Усилитель с обратной связью можно характеризовать коэффициентом усиления разомкнутой петли обратной связи (модуль величины иногда называют фактором обратной связи). В частном случае при знак напряжения обратной связи противоположен знаку входного напряжения (). Напряжение вычитается из входного, поэтому обратная связь является отрицательной. Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью равен:

.

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает усиление в (1 + К_ub) раз.

При знак напряжения обратной связи совпадает со знаком входного напряжения. Эти напряжения суммируются, и обратная связь становится положительной. Коэффициент усиления усилителей с положительной обратной связью равен:

,

т. е. положительная обратная связь увеличивает усиление в (1 - К_ub) раз.

Рассмотренные закономерности изменения коэффициента усиления в усилителе, охваченном обратной связью, справедливы при любом способе получения и введения сигнала обратной связи.

Обратная связь изменяет стабильность коэффициента усиления усилителя. Нестабильность усиления можно оценить коэффициентом нестабильности:

,

где DК_u – изменение коэффициента усиления за счет каких-либо дестабилизирующих факторов.

Если в схему усилителя введена обратная связь, то коэффициент нестабильности определяется соотношением

,

где DК_uо.с – изменение коэффициента усиления усилителя с обратной связью, равное DК_uо.с = DК_u/(1 + К_ub)².

Тогда

.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент нестабильности в (1 + К_ub) раз, что является весьма ценным свойством усилителей с обратной связью. Применяя отрицательную обратную связь в многокаскадном усилителе, имеющем большой коэффициент усиления К_u, можно легко получить произведение К_ub >> 1 при малой величине b. В этом случае К_uо.с » 1/b, т. е. усиление практически не зависит от параметров усилительных элементов, параметров схемы и числа каскадов, а определяется лишь коэффициентом передачи цепи обратной связи.

2 Входное сопротивление усилителя с обратной связью.

а) Входное сопротивление усилителя с последовательной обратной связью (рис. 3, а).

Для последовательной отрицательной обратной связи

.

Последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление в (1 + К_ub) раз, что дает возможность эффективно усиливать сигналы источника с большим внутренним сопротивлением.

б) Входное сопротивление усилителя с параллельной обратной связью рис. 3, б.

Для параллельной отрицательной обратной связи

т. е. входное сопротивление усилителя с параллельной отрицательной обратной уменьшается.

Полученное соотношение справедливо для любого способа получения напряжения обратной связи на выходе усилителя. Необходимо лишь в каждом конкретном случае определять величину b.

Входное сопротивление усилителя с обратной связью зависит от способа подачи напряжения обратной связи, вида обратной связи и ее глубины, но не зависит от способа получения напряжения обратной связи.

Выходное сопротивление усилителя с обратной связью.

Выходное сопротивление усилителя с обратной связью по напряжению (рис. 3, а).

.

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает величину выходного сопротивления в (1 + К_ub) раз:

.

б) Выходное сопротивление усилителя с обратной связью по току (рис. 3,

Выходное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току возрастает:

,

Выходное сопротивление усилителя с обратной связью зависит от способа получения напряжения обратной связи, от вида обратной связи и ее глубины и не зависит от способа подачи напряжения обратной связи.

4. Нелинейные искажения в усилителе с обратной связью.

.

Отрицательная обратная связь в (1 + К_ub) раз снижает сигнал гармоник, возникающий из-за нелинейных искажений в тех каскадах усилителя, которые охвачены обратной связью. Аналогичное влияние отрицательная обратная связь оказывает на напряжение помех (фон, наводки и др.).

С целью снижения нелинейных искажений отрицательная обратная связь широко применяется в выходных каскадах, имеющих наибольший диапазон выходных напряжений.

6. Устойчивость усилителя с обратной связью. Наряду с положительными свойствами многокаскадный усилитель с отрицательной обратной связью обладает существенным недостатком – неустойчивостью работы, выражающейся в появлении собственных колебаний при отсутствии сигналов на входе – самовозбуждении. Независимо от частоты, на которой произошло самовозбуждение, усилитель практически перестает реагировать на внешний сигнал.

Причина самовозбуждения усилителя заключается в том, что на некоторой частоте отрицательная обратная связь превращается в положительную, причем эта частота может находиться за пределами полосы пропускания усилителя.

Если суммарный сдвиг фаз в усилителе, охваченном отрицательной обратной связью, j_о.с = j + j_b равен нулю или 2p, то при К_ub = 1 коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью стремится к бесконечности. Поскольку при этом на входе усилителя всегда имеется напряжение тепловых и других шумов с непрерывным частотным спектром, то при отсутствии входного сигнала на выходе усилителя появляются колебания – усилитель самовозбуждается. Таким образом, условием самовозбуждения усилителя является равенство , т. е. j_о.с = 0 или 2p; К_ub = +1.

Чем больше каскадов охвачено обратной связью и чем больше коэффициент усиления разомкнутой петли К_ub, тем больше вероятность самовозбуждения. Поэтому для исключения самовозбуждения целесообразно охватывать петлей обратной связи возможно меньшее число каскадов и применять в этих каскадах специальные цепи связи с малым фазовым сдвигом.

При построении усилителей с отрицательной обратной связью наилучшей схемой межкаскадной связи является RC-связь, которая приводит к монотонно изменяющимся фазовым сдвигам, не превышающим 90° на каскад. Один реостатный каскад с частотно-независимой отрицательной обратной связью устойчив при любой величине К_ub. Теоретически устойчив при любом К_ub и двухкаскадный усилитель с частотно-независимой обратной связью. Можно рассчитать допустимую величину коэффициента усиления разомкнутой петли К_ub для трех-, четырех- и т. д. каскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью. В реальных усилителях допустимая величина К_ub меньше расчетной. Например, двухкаскадный усилитель работает устойчиво, если К_ub £ 5, а трехкаскадный – при К_ub £ (3 – 4). Не рекомендуется охватывать отрицательной обратной связью более трех усилительных каскадов. В усилителях, содержащих более трех усилительных каскадов, рекомендуется применять многопетлевую обратную связь с разбиванием усилителя на группы. При необходимости создать двух- и трехкаскадные усилители с глубокой отрицательной обратной связью (К_ub» 1000) в усилительный тракт следует включить специальные фазокомпенсирующие четырехполюсники. Компенсирующие четырехполюсники, представляющие собой последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и емкости, включаются в цепи межкаскадной связи. Компенсирующая цепь уменьшает величину на тех частотах, где диаграмма устойчивости подходит к точке самовозбуждения. Применять в усилителях с обратной связью трансформаторы нецелесообразно, т. к. последние на высоких частотах могут давать сдвиг фаз в несколько сотен градусов, что отрицательно сказывается на устойчивость работы усилителя.

Дата добавления: 2014-01-07