ЛЕКЦИЯ ПЭ № 8 от 08 и 16.12. 2016 г
Электронные усилители (ЭУ) и их основные свойства. Домашнее задание: Расчет УК на БПТ
Определения,функциональная схема и параметры усиления.
2. Логарифмическая оценка параметров усиления.
3. Усилители с обратными связями. Эмиттерный повторитель.
4. Домашнее задание на простейший расчет УК на БПТ
Определения.
В широком смысле усилителем называется устройство, повы-шающее значение физической величины за счет энергии источ-ника питания. При этом различают усилители электрические, магнитные, гидравлические, пневматические и т. д.
Электрические усилители - это электронные, электромеханичес-кие, электромагнитные, диэлектрические (емкостные) и другие.
Электрическим называется усилитель для увеличения энерге-тических параметров входного сигнала за счет электрической энергии источника питания.
Электронным называется электрический усилитель для увели-чения параметров электрического сигнала (тока, напряжения, мощности), функцию усиления в которых выполняют электронные лампы или полупроводниковые приборы.
Функциональные схема.
Все усилители имеют входную цепь (источник сигнала), выход-ную (нагрузка) и цепь и питания (источник энергии).
Процесс усиления в них есть частный случай управления большой энергией источника питания, выделяемой в нагрузке, с помощью малой энергии управляющей (входной) цепи (рис.1).
При этом управляющим является усиливаемый сигнал Рвх, а управляемой величиной - энергия Р0 источника питания. В нем коэффициент усиления по мощности определяется:
К=Рвых/Рвх
Рис. 1. Общая функциональная схема электронного усилителя
Основные параметры усиления ЭУ
Основными параметрами ЭУ являются: усилительные, частотные, предельные, шумовые, параметры нелинейных искажений.
Усилительные параметры - это коэффициенты усиления по нап-ряжению току или мощности, определяемые соответственно:
КU = Uвых / Uвх; КI = Iвых / Iвх; КP= Pвых / Pвх;
Частотные параметры –определяются видом и формой АЧХ, т.е .зависимостью коэффициента усиления (или выходного нап-ряжения от частоты усиливаемого сигнала в пределах полосы пропускания усилителя, ограничи-ваемой нижней fн и верхней fв частотами, на которыхусиление падает от среднего (номинального) значения на допустимую величину (обычно в 1,7 раза), определяемую назначением усилителя: УПТ, УНЧ, УВЧ, ШПУ, УПУ и т. д. (рис.2).
Рис.2. АЧХ электронных усилителей различного назначения
Предельные параметры: допустимые максимальные значения входного сигнала (при заданном коэффициенте усиления) и напряжения источника питания.
Шумовые параметры: коэффициент шума или уровень собственных шумов на выходе усилителя, мешающий усилению слабых сигналов и определяемый физикой усилительных приборов.
Параметры нелинейных искажений: в различных усилителях обозначаются по-разному. В УНЧ – это коэффициент гармоник, кратных частоте усиливаемого сигнала и искажающих его форму, и которые воспринимаются непосредственно ухом как искажение звука.
В УВЧ опасны т. н. комбинационные составляющие второго, третьего и т.д. порядков, нарушающих достоверность слабой полез-ной информации.
2
Логарифмическая оценка параметров усиления.
В усилительной технике преимущественно используют лога-рифмические единицы измерения параметров, которые очень удобны по следующим трем причинам:
а) акустическая: звуковое давление воспринимается человече-ским ухом не пропорционально абсолютной его величине, а про-порционально логарифму звуковой энергии, поэтому мощные рас-каты грома при грозе или интенсивное звуковое давление музыки на дискотеках, в 100 тыс. раз превышающее звук нормальной речи, не повреждают слуховые центры уха;
б) математическая: операция умножения больших и громоздких числовых величин в логарифмических единицах заменяется на операцию сложения простых величин;
в) приборная: логарифмическая шкала, например, в характериог-рафе, компактно умещается на экране малых геометрических размеров прибора.
Наглядным примером в этом является нижеследующая Таблица.
Таблица взаимосвязи некоторых линейных и логарифмических значений
| К,раз | 0,5 | 1 | 2 | 10 | 100 | 1000 | 10000 | ||
| Кu,Кi дБ | - 6 | 0 | 6 | 20 | 40 | 60 | 80 | ||
| Кр, дБ | - 3 | 0 | 3 | 10 | 20 | 30 | 40 |
Ku (дБ) = 20lgKu; Ki (дБ) = 20lgKi; Kp (дБ) = 10lgKp.
3.
Усилители с обратными связями (ОС). Эмиттерный повторитель.
Для улучшения параметров усилителей в них часто применяют обратные связи.
Обратной связью называется воздействие выходного сигнала усилителя на его вход.
Существует отрицательная обратная связь ( ООС ) и положи-тельная (ПОС).
При ООС напряжение обратной связи вводится на вход усилителя в противофазе со входным напряжением, а при ПОС – в фазе с ним.
Функциональная схема усилителя с цепью обратной связи β
Здесь β - коэффициент передачи цепи ОС:
,
где Uос – напряжение, подаваемое цепью ОС на вход усилителя.
Из анализа вытекает, что при ПОС коэффициент усиления усилителя с цепью ОС.
КПОС = К / (1 - Кβ)
где К = Uвых / Uвх - коэффициент усиления усилителя без цепи ОС;
Но при ООС этот коэффициент равен:
КООС = К / (1 + Кβ).
Отметим, что при К β = 1 и ПОС приводит к самовозбуждению усилителя,превращая его в генератор, так как в этом случае в формуле Кпос= ∞.
Чаще применяются ООС, которые, в зависимости от способа подачи сигнала обратной связи на вход усилителя бывают параллельными или последовательными как по току, так и по напряжению. Действие всех их сводится в основном к следующему:
1. уменьшается общий коэффициент усиления усилителя;
2. повышается стабильность усиления при изменении температуры и режима транзистора;
3. снижается уровень нелинейных искажений;
4. изменяются необходимые в схемах входные и выходные сопротивления.
В инженерной практике наиболее распространены две схемы обратных связей – ООС по напряжению и ООС по току.
Схема ООС по напряжению
В этой схеме противофазное напряжение Uβ обратной связи с выхода усилителя подается на его вход через резистор R3 (рис. 3), понижая управляющее напряжение на базе Uб.
Принцип работы схемы заключается в том, что при изменении температуры, напряжения питания, замены транзистора или других факторов изменяются токи коллектора и эмиттера, однако, с помощью ООС эти изменения компенсируются.
Рис. 3. Схема УК на БПТ с ООС по напряжению
Наиболее наглядно принцип действия этой ООС можно представить в виде следующей взаимосвязи электрических величин:
Видно, что в результате действия ООС компенсируется первоначальное возрастание тока коллектора, вызванное повышением температуры p-n перехода транзистора.
Схема ООС по току - эмиттерная стабилизация режима БПТ.
Схема данной последовательной ООС по току в усилителях на БПТ (рис.4) применяется чаще, чем схема ООС по напряжению, так как БПТ управляется преимущественно током базы.
В ней возрастание тока эмиттера Iэ увеличивает падение напряжения U э на эмиттерном резисторе Rэ: U э = IэRэ. Разностное напряжение Uбэ между базой и эмиттером уменьшит-ся, следовательно, ток базы также уменьшится, уменьшая и ток эмиттера, что скомпенсирует его начальное увеличение:
Рис. 4. Типовая схема эмиттерной стабилизации (ООС по току).
Эмиттерный повторитель (ЭП)
Это очень важная схема последовательной ООС по напряже-нию (схема с общим коллектором).
Она называется эмиттерным повторителем, так как Uвых снима-ется с эмиттерного резистора R3 =R э (рис. 5) и причем синфазно со входным сигналом (фаза выходного сигнала повторяет фазу входного).
Однако, ее практическая ценность в другом: она – единственная, в которой Rвх > Rвых, (в противовес всем другим схемам), что чрезвычайно важно для согласования различных датчиков схем автоматики с высоким внутренним сопротивлением.
В связи с этим ЭП в инженерной практике часто называют трансформатором сопротивлений.
Рис. 5. Эмиттерный повторитель
СХЕМА СОГЛАСОВАНИЯ
4.