Классификация и основные характеристики ИМС 6 глава

Усилитель имеет четыре вывода а потому представляет собой активный четырехполюсник, его функциональная схема приведена на рис..

Основные параметры и характеристики усилителя

Входное сопротивление , в общем случае величина комплексная.

Выходное сопротивление ;

Коэффициент усиления ;

В зависимости от характеристики физической величины на входе и выходе различают следующие коэффициенты усиления: а) коэффициент усиления по напряжению ; б) коэффициент усиления по току ; в) коэффициент усиления по мощности .

Коэффициент усиления – это относительная безразмерная величина. Иногда вместо них пользуются относительными логарифмическими величинами, которые измеряются в . При этом ; .

При воздействии на усилитель гармонического сигнала коэффициент усиления оказывается зависящим от частоты. Эта зависимость, характеризуются частотной характеристикой коэффициента усиления. Она является комплексной функцией от частоты:

АЧХ: ; ФЧХ: ;

Из частотной характеристики следуюь следующие параметры усилителя:

К⁰_u -коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

ω_в, ω_н - верхняя и нижняя граничные частоты рабочего диапазона частот, они определяются из выражения К_u(ω_гр)/К⁰_u= 2^-1/2

Δω=ω_в - ω_н – диапазон рабочих частот.

Вопрос 48

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала гармонического сигнала на входе U_2m=f(U_1m)|_f=Δf, когда частота входного сигнала находится в рабочем диапазоне.

Для идеального усилителя U_2m=КU_1m. График АХ есть прямая (см рис. 8).

Для реального имеются отличия:

Область 1 - область малых амплитуд входного сигнала. Отличие состоит в том, что при U_1m=0 выходной сигнал U_2m >0. Это связано с усилением собственных внутренних шумов и внешних электромагнитных наводок на элементах усилителя.

Область 2 – это область больших амплитуд входного сигнала. Отличия связаны с нелинейностью вольт – амперных характеристик активных элементов. Их выходной сигнал не может превысить напряжения питания. Из АХ вытекает два параметра усилителя:

а. D=U_m2max/U_m2min - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем качественнее усилитель.

б. Чувствительность. Различают две чувствительности:

1.)Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2).Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда: ее называют предельная чувствительность усилителя.

 

Вопрос 49

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8..

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U_2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U_2m2… амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω₀ и 2ω₀. Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω₀. будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω₀. А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

Мн=Мв= К⁰_u /К_u(ω_гр).

Фазовое искажение возникает из-за непостоянства фазового сдвига для различных гармоничных составляющих. Они обычно жестко связаны с частотными искажениями и поэтому специальными параметрами их не оценивают. Линейные искажения наблюдаются только при усилении сигнала сложной формы, т.е. сигналов, спектр которых содержит несколько гармонических составляющих.

Вопрос 50

Классификация усилителей

По абсолютному значению усиливаемых частот.

2) По характеру входного сигнала:

1. Усилители непрерывных сигналов;

2. Усилители импульсных сигналов;

По назначению:

1. Усилители напряжения;

2. Усилители тока;

3. Усилители мощности;

3). По виду используемых активных элементов:

Усилители на электронно-вакуумных лампах (ЭВЛ);

Усилители на биполярных транзисторах (БТ);

Усилители на полевых транзисторах (ПТ);

Усилители на туннельных диодах (ТД);

Параметрические усилители. В них активным усилительным элементом является реактивный элемент цепи: L, C;

Усилители на интегральных схемах;

4). По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают минимальный набор пассивных и активных элементов, обеспечивающих усиление электрического сигнала.

Однокаскадные;

Многокаскадные;

5). По виду связи между каскадами:

1). Усилители с RC-связью или с реостатно-емкостными связями (рис.8.). Каскады 1 и 2 должны иметь общую точку нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

2). Трансформаторная связь (рис.8.). При трансформаторной связи передача сигнала от одного каскада к другому осуществляется с помощью трансформатора. Каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

3). Непосредственная или гармоническая связь между каскадами (рис.). Связь между каскадами осуществляется непосредственно или через резисторы. При такой связи каскады обязательно должны иметь общую точку нулевого потенциала и такая связь применима только в УПТ.

4). Оптронная связь (рис.). При такой связи каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь применима в усилителях переме6нного тока и УПТ.

Вопрос 51

Многокаскадные усилители

Одиночный усилительный каскад имеет невысокий коэффициент усиления (10-500). Для получения больших коэффициентов усиления применяют многокаскадные усилители, в которых каскады соединяют последовательно.

Будем считать, что: 1) частотная характеристика коэффициента усиления i-ого каскада и равны К_i(jω)= К_i(ω)e^jφ; 2) каскады согласованы по напряжению т.е. выходное сопротивление предыдущего и входное сопротивление последующего связаны соотношением . Последнее означает, что каскады можно рассматривать как независимые.

Отсюда следует, что

Отсюда следует, что АЧХ коэффициента усиления есть , а его ФЧХ - . Эти соотношение говорят о том, что с увеличением числа каскадов Коэффициент усиления возрастает, а полоса пропускания многокаскадного усиления уменьшается. Так, если все каскады одинаковы и имеют граничную частоту , то общая граничная частота многокаскадного усилителя равна , где n - число каскадов.

Вопрос 52

Режимы работы активных элементов усилительного каскада

Режим работы активного элемента усилительного каскада характеризуется: а) его рабочей точкой; б) уровнем (величиной) входного сигнала; в) наличием резистора в коллекторной цепи.

Рабочая точка это совокупность постоянных напряжений и токов на выводах активного элемента при отсутствии сигнала на входе. Для биполярного транзистора рабочая точка определяется четырьмя величинами . Эти величины взаимосвязаны и потому достаточно задавать лишь две из них.

В зависимости от уровня входного сигнала различают два режима работы. 1. Режим малого входного сигнала, когда выполняется условие . В таком режиме рабочую точку выбирают из условия, когда . Чаще всего за рабочую точку принимают режим рекомендованный в справочниках для измерений параметров биполярного транзистора. Для маломощных транзисторов это составляет ;

Режим большого входного сигнала, когда . Рабочую точку выбирают по ВАХ транзистора исходя из получения , . Положение рабочей точки определяют по графикам входных и выходных ВАХ.

В зависимости от положения рабочей точки различают следующие классы работы активных элементов. Режим класса: A, В, AB, С, D.

Режим класса А. Рабочая точка выбирается на середине линейного участка ВАХ (точка А) и при воздействии входного сигнала ее положение остается в пределах этого линейного участка (участок АВ–F). Здесь КНИ→min, а КПД→max.

Режим класса В. Рабочая точка выбирается при напряжении, когда выходной ток практически обращается в ноль. Здесь .

3. Режим класса АВ. Рабочая точка выбирается на начале линейного участка.

4. Режим класса С. Рабочая точка выбирается при U_{БЭ РТ} < U_{БЭ ПОР}.

5. Режим класса Д. Биполярный транзистор работает не в усилительном, а в ключевом режиме и под действием входного сигнала находится в одном из двух состояний: насыщения или отсечки.

Вопрос 53

Принцип работы усилительного каскада на биполярном транзисторе в активном режиме

Биполярный транзистор в зависимости от наличия сопротивления в цепи коллектора может работать в двух режимах: статическом (ненагруженном) или динамическом (нагруженном).

Ненагруженным режимом работы считается режим, когда в коллекторной цепи отсутствует коллекторное сопротивление (рис.). Здесь U_бm - амплитуда гармонического входного сигнала, а U_{бэ рт} напряжение источника задающего рабочую точку транзистора, Ек – источник питания коллекторной цепи.

Схема работает так. Под действием источников напряжения в цепи базы возникает ток базы, состоящий из двух составляющих I_б=I_брт+I_бm. Под действием этих токов базы в цепи коллектора возникает ток коллектора состоящий из двух составляющих I_к= BI_б= I_крт+I_кm.

Коэффициент усиления сигнала по току составляет К_i=I_кm/I_бm =B т.к. В>>1, то происходит усиление по току.

В ненагруженном режиме U_кэ=Е_к и потому режим называют статическим. В этой схеме нет усиления по напряжению.

Для усиления сигнала по напряжению применяют нагруженный режим работы транзистора. В коллекторную цепь транзистора включают резистор R_к (рис.). Он служит для преобразования усиленного переменного тока в усиленное выходное напряжение. В таком режиме выходное напряжение связано с I_к соотношением U_кэ=Е_к - I_кR_к, его называют нагрузочной прямой. Под действием входного сигнала напряжение U_кэ изменяется во времени, а потому этот режим называется динамическим. Полезным эффектом в процессе усиления является усиление переменной составляющей входного сигнала.

U_кэ = E_к – J_кR_к = E_к – J_кртR_к – J_кmR_к = U_кэрт – U_кэm

Отсюда следует, что

где h₁₁ - входное сопротивление БТ, это сопротивление ЭП смещенного в прямом направлении.

Анализ усилительных каскадов при различных схемах включения БТ.

1.

2.

3.

4.

2. Схема с ОЭ.

1.

2.

3.

4.

Схема с ОК

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно-параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет следующие параметры:

1)R_вх - высокое 4)K_J>1

2)R_вых -малое 5)K_p=K_UK_J>1

3)K_u≤1

1.

2.

3.

4.

При анализе работы транзистора в режиме большого сигнала для расчета коэффициента усиления пользуются графо-аналитическим методом.

Считаем, что рабочая точка выбрана на середине рабочего участка и задана током базы в рабочей точке.

 

Вопрос 54

Методы задания рабочего режима (рабочей точки) активного элемента и его стабилизация.

 

В предыдущей схеме рабочая точка БТ задавалась двумя источниками ЭДС. Применять два источника напряжения не целесообразно т.к. это отдельные устройства и требуют дополнительных затрат. Для создания рабочей точки транзистора обычно используют источник Ек, а рабочую точку на базе задают с помощью резисторов путем задания необходимого тока базы или напряжения база-эмиттер. Рассмотрим основные схемы.

1) Схема с фиксированным током базы I_б.рт..

В этой схеме рабочая точка задается током базы I_б.рт..

Его величина задается сопротивлением резистора R_б. Его величина выбирается из соотношения

R_б=(E_к-U_{бэ рт} )/I_{б рт}.

а величина резистора Rк выбирается из соотношения

I _{к рт} = ВI_{б рт} отсюда, U_{кэ рт} = E_к- R_к I_{к рт.}

Преимущество схемы: простота схемы.

Недостаток: рабочая точка, т.е. U_{кэ рт} сильно зависит от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

2.) Схема с резистивным делителем в цепи базы.

В этой схеме - R₁, R₂ – резистивный делитель цепи базы, с его помощью задается необходимая величина U_{бэ рт}. (Он делит напряжение Е_к и получает необходимое напряжение на базе).

 

3.) Схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки.

 

R_Э – сопротивление эмиттерной цепи, с его помощью создается отрицательная обратная связь, которая стабилизирует положение рабочей точки. Схема работает так. С возрастанием температуры окружающей реды I_К.РТ возрастает, это приводит к тому, что U_КЭ.РТ уменьшается. Так происходило бы, если бы не было R_Э, а с R_Э происходит так. С возрастанием температуры I_К.РТ возрастает (U_К.РТ должно бы уменьшаться, но) I_Э.РТ»I_К.РТ, при этом U_RЭ возрастает, а U_БЭ.РТ=(U_Б1-U_RЭ) уменьшается, уменьшение этого напряжения эквивалентно уменьшению I_Б.РТ, что приводит к тому, что I_k0 уменьшается, а Uкэ остается постоянным, т. е. U_КЭ.РТ = const.

4.) Схема с коллекторной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме рабочая точка задается током в цепи базы который возникает за счет обратной связи. Благодаря ему происходит стабилизация выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды.

Вопрос 55

Схема усилительного каскада на полевом транзисторе (ПТ)

Составим схему на примере n-канального полевого транзистора с управляющим p-n-p переходом:

При составлении схемы на полевом транзисторе нужно помнить что:

1). Полярность питающего напряжения выбирается так, чтобы основные носители канала двигались к стоку.

2). Для управления выходным током, напряжение, подаваемое на затвор n-канального транзистора с управляющим p-n переходом, должно быть отрицательным, т.е. переход должен быть смещен в обратном направлении.

Схема приведена на рис. 8.. В ней Rc- сопротивление цепи стока служит для преобразования выходного тока в выходное усиленное напряжение.

R_з – сопротивление цепи затвора, создает путь для протекания малого тока затвора в общею точку схемы.

R_u – сопротивление цепи истока, задает рабочую точку БТ. Оно выбирается из соотношения

U_U.РТ=J_С.РТR_U;

C_p – конденсатор разделительный (разделяют, закрывают резистор).

Вопрос 56

Обратная связь в усилителях

Под обратной связью понимают передачу части выходного сигнала на вход усилителя. В усилителях возникают три вида обратной связи: внутренняя, паразитная, внешняя.

Внутренняя - имеет место во всех активных элементах и определяется их конструкцией и физическими процессами в них происходящими. Например, параметр h₁₂ в биполярном транзисторе характеризует обратную связь, которая возникает за счет модуляции ширины базы.

Паразитная – обусловлена наличием паразитных индуктивно-емкостных (L, С) связей путей, которые создают пути для передачи части выходного сигнала на вход.

Внешняя обратная связь – создается введением в схему специальных элементов.

Все виды обратной связи существенно влияют на параметры и характеристики усилителя. При этом от внутренней и паразитной стараются избавится за счет рационального выбора элементов и конструкции усилителя, а внешнюю вводят специально. Она позволяет:

Увеличить стабильность коэффициента усиления;

Расширить диапазон усиливаемых частот;

Уменьшить искажение, создаваемое усилителем;

Управлять входным и выходным сопротивлением в нужном направлении.

Структурная схема усилителя с обратной связью

Структурная схема приведена на рис.8..

сигнал на входе усилителя с обратной; сигнал на выходе усилителя; сигнал на выходе цепи обратной связи.

= + комплексная амплитуда сигнала на входе усилителя без обратной связи.

K_(jw) = - комплексная функция коэффициента передачи усилителя без обратной связи.

β_(jω) – комплексная функция коэффициента передачи цепи обратной связи.

- комплексная функция коэффициента передачи усилителя с обратной связью. Найдем его выражение:

учитывая, что получим .

Произведение Н(jω) = b_(jω)K_(jω) – называют - петлевое усиление.

В рабочем диапазоне частот K и b - действительные числа. Обычно величина b>0, а K> <0.

В зависимости от знака K различают следующие виды обратной связи:

Если K>0 – то возникает положительная обратная связь (ПОС).

При положительной обратной связи входной сигнал совпадает по фазе с сигналом на выходе обратной связи.

>К; 0<bK<1,т.е. положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления. При bK=1, K⁺_ос=∞, в этом случае усилитель превращается в генератор.

2) Если K<0 - в усилителе возникает отрицательная обратная связь. При этом входной сигнал находится в противофазе с сигналом на выходе обратной связи.

<К - отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

Вопрос 57

Типы обратной связи

В зависимости от способа снятия сигнала обратной связи с выхода и подачи на вход различают четыре типа обратной связи. Их название состоит из двух слов. Первое говорит как сигнал подается на вход, второе – как снимается с выхода:

Последовательно – параллельная обратная связь.

Параллельно – параллельная обратная связь:

Последовательно – последовательная обратная связь.

Параллельно – последовательная обратная связь.

Всякая последовательная обратная связь (по входу или по выходу) увеличивает соответствующее сопротивление в (1+bK°) раз. Всякая параллельная обратная связь уменьшает соответствующее сопротивление в (1+bK°) раз.

 

Вопрос 58

Влияние отрицательной обратной связи на параметры

Влияние на стабильность коэффициента усиления.

Идеальный усилитель должен иметь коэффициент, который бы не зависел от дестабилизирующих факторов. В реальных усилителях он не остается постоянным, вследствие зависимости параметров активных элементов от температуры и величины питающих напряжений. Покажем, что отрицательная обратная связь улучшает стабильность коэффициента К:

∆K=K-K₀; dK=DK/K₀ – нестабильный усилитель.

Обычно bК>>1, b- коэффициент передачи цепи обратной связи, состоящей из пассивных элементов, которые практически не зависят от дестабилизирующих факторов, следовательно К_ос выше К.

Влияние отрицательной обратной связи на полосу пропускания усилителя с обратной связью. Известно, что KDf=Q – добротность (Df диапозон рабочих частот)

При введении отрицательной обратной связи коэффициент усиления Кос=К/(1+bK) уменьшаеться в (1+bK) раз, а следовательно диапазон рабочих частот увеличивается в (1+bK) раз, т.е.→ Df_ос=(1+bK)Df

Влияние на искажения, создаваемые усилителем.

Считаем что усилитель идеальный, искажения не создает, а все они создаются отдельным источником напряжения – Uиск.

Если b=0, цепь обратной связи отсутствует, а U_вх=0, то выходной сигнал I_вых=Е_П

При отрицательной обратной связи 1>b>0; U_вых.ос=Е_П-bKU_вых.ос

При отрицательной обратной связи искажения, создаваемые усилителем уменьшаются в (1+bK°) раз.

 

Вопрос 59

Устойчивость усилителей с обратной связью

Устойчивость усилителя – его способность возвращаться в исходное состояние после снятия сигнала с его входа.

Усилители с отрицательной обратной связью возбуждаться не должны, но на высоких и низких частотах могут появляться дополнительные фазовые сдвиги, которые превращают отрицательную обратную связь в положительную, при которой возможно самовозбуждение. Это приводит к необходимости исследовать усилитель на устойчивость. Наиболее удобным критерием устойчивости является критерий Найквиста, он позволяет судить об устойчивости усилителя с отрицательной обратной связью по частотным характеристикам его петлевого усиления, т.е. усилителя без обратной связи.

Н_(jw) - петлевое усиление

H_(jw)=K_(jw)β_(jw)=Re[H_(jw)]+jIm[H_(jw)]