Классификация и основные характеристики ИМС 7 глава

Для исследования усилителя на устойчивость строят годограф.

Критерий Найквиста:

Усилитель устойчив, если годограф его петлевого усиления не охватывает точку [1,j0].

Исследование на устойчивость можно проводить по логарифмическим амплитудным и фазовым частотным характеристикам петлевого усиления. Усилитель устойчив, если на частоте w, на которой j=-p, ордината логарифмической амплитудно-частотной характеристики петлевого усиления отрицательна.

 

Вопрос 60

Усилитель с RC связью

Принципиальная схема усилителя с RC связью имеет вид:

 

R₁,R₂ – резистивный делитель цепи Б, задает РТ. R_Э – эмиттерное сопротивление, служит для температурной стабилизации РТ. R_k – сопротивление коллекторной цепи, на нем выдается усиленный переменный сигнал. R_н – сопротивление нагрузки C_p – разделительная ёмкость, C_Э – конденсатор эмиттерной цепи, устраняет отрицательную обратную связь, создаваемую R_э, в рабочем диапазоне частот С_ф – конденсатор фильтра ЧП,

 

Вопрос 61

Эквивалентная схема одиночного усилительного каскада

Анализ работы усилителя удобно проводить перейдя к его эквивалентной схеме по переменному току.

 

 

При нарисовании этой схемы предполагалось:

Т.к. X_сэ->0, то R_э отсутствует.

Т.к. Х_сф->0, то + и – Е_п имеют одинаковый потенциал.

Транзистор заменен эквивалентной схемой в системе h параметров.

Источник сигнала заменен соответствующим источником ЭДС с R_г.

В схему добавлена C₀=C_кэ+С_н+С_{сл.каск} – паразитная емкость

Т.к. в эквивалентной схеме имеются конденсаторы, то очевидно, что коэффициент усиления зависит от частоты, при этом C_p>>C₀, т.е. весь диапазон частот можно разбить на три участка:

Область средних частот, где C_p и C₀ можно пренебречь. Коэффициент усиления не зависит от частоты. Область низких частот, в ней необходимо учитывать C_p, из-за нее происходит уменьшение коэффициента. Область высоких частот, где C_p можно пренебречь, но необходимо учитывать C₀.

 

Параметры усилителя в области средних частот

В области средних частот при правильном выборе емкостей, их влиянием можно пренебречь, т.к. выполняются следующие условия:

- R₁,R₂,h₁₁>>X_cp->0

- R_H,R_k<<X_c0->¥

А потому эквивалентная схема упрощается:

 

1) R_вх – входное сопротивление усилителя.

R_вх=R₁||R₂||h₁₁

Т.к. R₁ и R₂>h₁₁, то R_вх»h₁₁

2) R_вых – выходное сопротивление

R_вых=(1/h₂₂)||R_k=R_k/(1+h₂₂R₂), т.к. 1/h₂₂>>R_k

3)

a)

б)

Знак “-“ говорит о том, что Е_г и U₂ находятся в противофазе.

Влияние Rн на коэффициент усиления. Пдключение Rн к входу усилителя эквивалентно подключению его паралельно к Rк

Частотная характеристика в диапозоне низких частот

В области низких частот X_cp возрастает и становится соизмеримым с R₁, R₂, h₁₁, R_н. На конденсаторе падает часть усиливаемого сигнала, а потому К уменьшается. Влияние C_p1 и C_p2 – одинаково. Рассмотрим как влияет C_p2 на К:

; C_pR_н=t_н ;

 

Частотная характеристика в диапазоне высоких частот

 

На высоких частотах разделительными конденсаторами можно пренебреч, т.к. X_cp<<R_вх.ус, R_н, С_р,

С_0­­ необходимо учитывать.

Эквивалентная схема усилителя на высоких частотах:

 

Вопрос 62

Частотная характеристика усилителя с RC связью

Учитывая, что t_Н>>t_В, частотную характеристику усилителя с RC связью для всего диапазона частот можно аппроксимировать следующим выражением:

Отсюда следует, что АЧХ и ФЧХ можно записать так:

ФЧХ:

Графики эти зависимостей приведены на рис.

 

 

Вопрос 63

Импульсные и широкополосные усилители

Наряду с усилением непрерывных сигналов часто возникает задача усиления импульсных сигналов, спектр которых лежит в диапазоне широких частот. Одной из основных характеристик импульсного усилителя, показывающей его искажения при усилении импульсных сигналов, является переходная характеристика.

Для идеального: ;

Для реального:

При усилении импульсного сигнала искажения состоят в следующем:

1)Искажения в области малых времен: 0<t<<t_н

Искажения состоят в том, что нарастание перепада напряжения происходит не мгновенно, а с затягиванием во времени. Это затягивание определяется величиной t_В, чем меньше t_В, тем меньше длительность фронта перепада напряжения.

2) Искажения в области больших времен:(t>>t_В)

Состоят в том, что вместо постоянного сигнала на выходе мы получаем сигнал спадающий по величине во времени.

t_н – характеризует скорость спада.

Для усиления импульсных и широкополосных сигналов обычно применяют усилители с RC-связью. В которых для расширения диапазона усиливаемых частот вводят дополнительные элементы. Изменение частотной характеристики (ЧХ) с помощью дополнительных элементов называют коррекцией характеристики усилителя.

Коррекцию ЧХ можно проводить двумя способами.

Путем введения частотно-зависимых элементов в цепь нагрузки.

Путем введения частотно-зависимых элементов обратной связи.

Коррекция в области НЧ за счет введения частотно-зависимых сопротивлений в коллекторную цепь

Элементами частотной коррекции являются R_ф, C_ф (фильтра), благодаря им на низких частотах возрастает эквивалентные сопротивления коллекторной цепи, что компенсирует уменьшение коэффициента связанное с влиянием разделительных конденсаторов.

Эквивалентное сопротивление коллекторной цепи имеет вид:

. При оптимальной коррекции наблюдается равномерное расширение диапазона усиливаемых частот без образования всяких выбросов.

Оптимальная коррекция имеет место когда выполняется условие =, где

Коррекция в области ВЧ за счет введения частотно-зависимых элементов в коллекторную цепь

Элементами частотной коррекции является катушка индуктивности L_k. Благодаря ей на высоких частотах наблюдается увеличение эквивалентного сопротивления коллекторной цепи, что компенсирует уменьшение коэффициента усиления связанного с зависимостью транзистора от частоты.

Схема усилительного каскада, зависимость сопротивления коллекторной цепи от частоты и зависимости коэффициента усиления от частоты приведены на рис.

 

Вопрос 64

Избирательные усилители

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов спектры которых находится в относительно узком диапазоне частот.

Основной характеристикой усилителя является зависимость коэффициента усиления от частоты. По ней определяются основные параметры.

1) - коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

2) - средняя частота рабочего диапазона частот.

3) - диапазон рабочих частот.

, где ω_в, ω_н – верхняя и нижняя граничные частоты.

4) Избирательность - характеризуется крутизной спадов АЧХ. Количественно избирательность оценивают коэффициентом прямоугольности, который рассчитывают так

.

Идеальный избирательный усилитель имеет , а его характеристика имеет прямоугольный вид.

По принципу действия избирательные усилители бывают двух типов:

С частотно-зависимой нагрузкой.

С частотно-зависимой обратной связью

Избирательные усилители с частотно-зависимой нагрузкой

В таких усилителях в качестве нагрузки обычно применяют параллельный колебательный контур. Благодаря его резонансным свойствам, характеристика усилителя приобретает избирательный характер, а поэтому такие усилители иногда называют резонансными.

Схема резонансного усилителя имеет вид:

Частотная характеристика избирательного усилителя определяется выражением

- сопротивление параллельного колебательного контура.

Эквивалентная схема параллельного колебательного контура имеет вид:

В нее введен резистор с сопротивлением , он учитывает резистивные потери реактивных элементов колебательного контура.

Частотная характеристика сопротивления параллельного контура имеет вид

.

Частота, на которой сопротивление контура становится резистивным называется резонансной. Она определяется так: .

- характеристическое сопротивление контура.

- добротность, - обобщенная расстройка.

Она обращается в нуль, когда частота воздействующего сигнала на контур равна .

; - полоса пропускания колебательного контура.

, при постоянной , изменяя можно изменять

Поскольку ЧХ усилителя определяется ЧХ колебательного контура, то она имеет аналогичный вид, а следовательно усилитель обладает избирательными свойствами. Подключение нагрузки к выходу усилителя ухудшает избирательные свойства, уменьшая добротность контура, для исключения этого явления в резонансных усилителях обычно применяют частичное включение колебательного контура.

Избирательный усилитель с частотно-зависимой обратной связью

Избирательные усилители с колебательными контурами обычно применяют на частотах больше 100 кГц, на НЧ их применение не выгодно по следующим причинам:

1) на низких частотах , параметры и возрастают, это увеличивает размеры этих элементов и существенно снижает их добротность.

2) Кроме того, катушки индуктивности невозможно изготовить в интегральном исполнении в виде элементов интегральных схем.

По этим причинам в области НЧ применяют избирательные усилители с частотно-зависимыми обратными связями, причем в качестве элементов обратной связи используют и .

Структурная схема избирательного усилителя с частотно-зависимой связью имеет вид.

Верхний блок- широкополосный усилитель его кооеффициент усиления постоянный в широком диапазоне частот К _u ⁰>>0. Нижний блок- цепь обратной связи режекторного типа, - частота режекции цепи обратной связи.

Для усилителя с отрицательной обратной связью коэффициент усиления определяется из выражения

На частотах

На частоте

На частотах

В результате такого анализа следует, что частотная характера коэффициента усиления усилителя имеет частотно избирательный характер. Она подобна характеристике резонансного усилителя и ее можно усилителя характеризовать добротностью (рис.8.)

В качестве цепи обратной связи (ОС) обычно применяют схему двойного Т- образного моста (рис.8.).

При таком выборе элементов, как показано на рис.8. характеристика 2Т моста имеет симметричный режекторный вид, а параметры определяются из соотношений , .

 

Вопрос 65

Усилители мощности

Обычно это выходные каскады многокаскадных усилителей. Они служат для повышения нагрузочной способности и создают на нагрузке сигнал заданной мощности. Такие усилители работают в режиме большого сигнала, а потому их основными параметрами являются следующие:

Выходная мощность:

Коэффициент полезного действия: (КПД)= ,

- мощность потребляемая источником питания.

, где - мощность выдаваемая на коллекторных переходах транзистора усилителя мощности.

КНИ – коэффициент нелинейного искажения. Под искажениями понимают – отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе.

Классификация усилителей мощности

В зависимости от рабочей точки активных элементов, это усилители класса А, АВ, В, С, Д.

По связи с нагрузкой, это: усилители с трансформаторной связью; без трансформаторной усилителя мощности.

По схемотехническому решению: однотактные усилители; двухтактные усилители.

По виду усиливаемого сигнала: апериодические усилители – они предназначены для усиления широкополосных непрерывных сигналов; резонансные усилители мощности – они предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот.

Влияние выбора рабочей точки на КПД и нелинейное искажение

Режим класса А.

Рабочая точка выбирается на середине линейного участка. Проведем графоаналитически расчет КПД и оценим качественно КНИ (рис.8.)

;

Основным недостатком режима класса А является малое значение КПД<25%. Их преимущество является малые нелинейные искажения, поскольку рабочая точка выбрана на середине нелинейного участка.

Режим класса В.

Оценим его КПД и нелинейные искажения. В режиме класса В, рабочая точка выбирается при напряжении отсечки. В этом случае U_ВЫХ создает в цепи базы тока полуволну тока. Для режима класса В КПД рассчитывают для одного полу периода.

Достоинством режима класса В является высокое КПД, а недостатком существенное нелинейное искажение, отрицательная полуволна входного сигнала отсутствует. Поэтому режим класса В в однотактных усилителях не применяются, он применяется лишь в двухтактных схемах усилителя.

 

Вопрос 66

Усилители мощности с трансформаторной связью

Схема однотактного усилителя мощности.

Транзистор VT1 работает в режиме класса А, его рабочая точка задается резисторами R₁, R₂. Трансформатор Тр1 служит для передачи сигнала от источника сигнала на входе усилителя и их согласования, а поэтому называется согласующим. Трансформатор Тр2 служит для передачи сигнала в нагрузку, через него протекает большие токи и поэтому он называется силовым или выходным трансформатором.

Входной гармонический сигнал создает в выходной цепи трансформатора ток изменяющийся по гармоническому закону, при этом и положительная и отрицательная полуволна усиливается одним активным элементом как бы за один такт, поэтому эта схема называется однотактной. С помощью трансформатора Тр2 ток I_К преобразуется в выходное напряжение, который по форме совпадает с входным сигналом.