10.Что такое усилитель напряжения и усилитель тока

Электронным усилителем называется устройство, позволяющее преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе без существенного искажения их формы. Эффект увеличения мощности возможен при наличии в устройстве некоторого внешнего источника, энергия которого используется для создания повышенной мощности на выходе. Этот источник энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиленных сигналов, называется источником питания.

Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала при помощи усилительных, или активных элементов. Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь усилителя, к которой нагрузка подключена, – выходной цепью, или выходом усилителя. Источник входного сигнала, который нужно усилить, называется источником сигнала, или входным источником или генератором, а цепь усилителя, в которую вводят входной сигнал, называется входной цепью, или входом усилителя.

Любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента.

Обобщенная структурная схема усилительного устройства приведена на рисунке 3.1. Для обеспечения усиления сигнала усилитель (У), последовательно с которым соединен источник питания Еп, должен включать в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U1. К входной (управляющей) цепи усилителя подключен источник ЕС усиливаемого сигнала (при этом Zc – комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а к выходной – нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.

Рисунок 3.1. Обобщенная структурная схема усилительного устройства

Обычно, в первом приближении, сопротивления считают активными, учитывая их комплексность только при рассмотрении специфических вопросов.

Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.п.

Деление усилителей на типы обычно осуществляют по назначению усилителя, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых частот, виду используемых активных элементов.

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование – усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относят к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала. Ниже будут приведены необходимые соотношения, характеризующие усиление напряжения, тока и мощности.

В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных электрических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления электрических импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их формы. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы выходного сигнала. В пределах данного курса мы будем изучать усилители гармонических сигналов.

Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы.

Усилители постоянного тока (УПТ) (точнее, усилители медленно меняющихся напряжений и токов) предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от низшей частоты fн, равной нулю, до верхней рабочей частоты fв усилителя, составляющей нередко десятки и сотни килогерц. Эти усилители широко применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты. Для усилителей низкой частоты (УНЧ) справедливо неравенство fв – fн >> fн. Частотный спектр (УНЧ) лежит в пределах от десятков герц до десятков (сотен) килогерц. В усилителях высокой частоты усиление сигнала осуществляется в диапазоне частот, определяемых неравенством fв – fн << fв.

11. (из интернета) частотные и фазовые искажения

Частотные искажения. Частотные искажения вызываются тем, что колебания различных частот при известных условиях усиливаются неодинаково. В усилителе НЧ это объясняется тем, что нагрузкой для ламп являются не только активные сопротивления, но и емкости (междуэлектродные емкости ламп, емкость монтажа, емкость разделительного конденсатора и др.), а иногда и индуктивности ( , подводимых к его входу, и характер звучания искажается.

Искажение формы сложного колебания вследствие частотных искажений

Фазовые искажения. Фазовые искажения могут иметь место только при усилении сложных колебаний, состоящих из нескольких простых синусоидальных колебаний разных частот. Так же как и частотные искажения, они появляются в результате наличия в анодной нагрузке лампы реактивных элементов, в частности емкостей. Это приводит к появлению сдвига фаз между токами и напряжениями звуковой частоты, причем этот сдвиг оказывается различным для колебаний разных частот. В результате может получиться так, что колебания разных частот как бы сдвигаются одно относительно другого во времени и форма результирующего сложного колебания исказится. Из рис. 6 видно, как резко изменяется вид сложного колебания, состоящего из колебаний основной частоты и ее второй гармоники, вследствие появления в результате усиления фазового сдвига между этими колебаниями.

Искажение формы сложного колебания вследствие фазовых искажений: а — состав колебания на входе усилителя; б — состав колебания на выходе усилителя (1 — колебание основной частоты, 2 — вторая гармоника, 3 — суммарное колебание)

12. Шумовые сигналы появляются не только в усилителе, но и в источнике

сигнала. Поэтому шумовые свойства усилителя оценивают по коэффициенту

шума, который показывает насколько относительная шумовая помеха при

использовании данного усилителя больше относительной шумовой помехи

источника сигнала. Обычно коэффициент шума выражают в децибелах.

Коэффициенту шума в 1 дБ соответствует повышение относительной шумовой

помехи на 12%, что мало заметно. В том случае, когда коэффициент шума

усилителя составляет 1-2 дБ, то говорят, что этот усилитель малошумящий.

Рисунок 2.7 показывает типичную схему для расчета коэффициента шума.

Рисунок 2.7

На схеме изображен источник сигнала Eг, с его внутренним сопротивлением

Rг, являющимся источником шумового сигнала Eшг. Усилитель имеет входное

сопротивление Rвх. Все шумовые сигналы, рождающиеся в усилителе,

пересчитываются к его входу в виде двух генераторов шумовых сигналов:

генератора шумового тока (Jш) и генератора шумовой ЭДС (Eш). После этого

пересчета считается, что усилитель уже не шумит и соотношение между

суммарной шумовой помехой и полезным сигналом на его входе сохраняется

и на выходе усилителя. Результат расчета коэффициента шума для этой схемы

представлен на рисунке 2,8 в виде графика зависимости коэффициента шума

Kш от сопротивления источника сигнала Rг.

Рисунок 2.8

Из графика видно, что при некотором значении Rгопт коэффициент шума

будет минимальным Kш мин. Расчет, проведенный в соответствие со схемой

рисунка 2.7 показывает, что Rг опт=Eш/Jш.

13. Следовательно, для получения минимального значения коэффициента

шума следует добиваться выполнения этого соотношения. Однако источник

сигнала обычно задан и изменять его внутреннее сопротивление нет

возможности. Единственный способ добиться желаемого результата - это

подобрать параметры шумовых свойств усилителя Eш и Jш так, чтобы

выполнилось приведенное выше соотношение. Подробно об этом написано в

книге Отт Г. «Методы подавления шумов и помех в электронных системах». М.

Мир.1979г. Некоторые рекомендации по уменьшению шумовых помех сводятся

к следующему. Шумовые свойства транзисторов зависят от выбора типа

транзистора и режима работы его. Если использовать интегральный усилитель,

то повлиять на режим работы его первого усилительного каскада почти

невозможно. Данный интегральный усилитель будет давать минимальное

значение коэффициента шума только при вполне определенном значении

внутреннего сопротивления источника сигналов, причем, скорее всего совсем

не таком, какое имеет применяемый источник. Следовательно, минимальное

значения коэффициента шума можно добиться только используя на входе

усилителя одиночный транзисторный каскад с подобранным типом транзистора

и определенным режимом его работы. Краткие рекомендации сводятся к

следующему. При сопротивлении источника сигналов до 1 Мом на входе

усилителя следует применять биполярный транзистор. При сопротивлении

источника сигналов от 1Мом до 100Мом лучшие результаты получаются с

применением полевого транзистора с PN переходом в цепи затвора. Если

внутреннее сопротивление источника сигналов превышает 100 Мом, то лучше

использовать полевые транзисторы с изолированным затвором. Далее следует

иметь в виду, что результат зависит от типа и режима работы транзистора. Так,

при большом внутреннем сопротивлении источника сигналов и использовании

биполярного транзистора приходится работать с очень малым (несколько

микроампер) током коллектора.

Вопрос о понижении шумовых помех стоит не всегда, а только тогда,

когда величина усиливаемого сигнала становиться сравнимой с сигналом

шумовой помехи, то есть при усилении очень малых сигналов.

14. (помойму это и есть входной предворительный усилитель)

Выносной предварительный усилитель.

Необходимость применения выносного предварительного усилителя

возникает при использовании датчика сигнала с очень большим внутренним

сопротивлением. Таким простейшим усилителем может служить усилительный

каскад на полевом транзисторе с вынесенной нагрузкой. Схема усилителя

изображена на рисунке 5.1. Преимуществом такой схемы является подача

питания и вывод усиленного сигнала по единственному экранированному

проводу

Рисунок 5.1

Вместе с тем такая простая схема не может обеспечить достаточной

стабильности усиления. Более сложная схема, показанная на рисунке 5.2,

Рисунок 5.2

имеет значительно лучшие характеристики. В данной схеме усилителя

используется сто процентная последовательная отрицательная обратная связь

по напряжению.

15.

Применяются разные методы борьбы с вредным влиянием

напряжения смещения. Первый метод – это метод компенсации. Рисунок 6.2

поясняет суть этого метода.

Рисунок 6.2

В цепь инвертирующего входа операционного усилителя с помощью

резистора R3 и подстроечного резистора R4 вводится компенсирующее

напряжение, так чтобы при Uвх=0 напряжение на выходе так же было равно

нулю. Метод компенсации применим к любым операционным усилителям.

Однако, поскольку напряжение смещения зависит от температуры, при

изменении температуры компенсация нарушается. Лучшие результаты

достигаются применением метода балансировки. По существу напряжение

смещения возникает из-за того, что при изготовлении операционного усилителя

во входном дифференциальном каскаде операционного усилителя

технологически не удается обеспечить полную симметрию. В какой-то мере

этот разбаланс можно устранить с помощью внешнего подстроечного

резистора, подключенного к соответствующим точкам внутренней схемы

операционного усилителя. Такая возможность предусмотрена для многих

операционных усилителей. На рисунке 6.3 показан один из возможных

вариантов.

Рисунок 6.3

Операционный усилитель LF157 имеет напряжение смещения 3 мВ.

Используя балансировочное сопротивление его можно снизить в 10-100 раз.

Тем не менее, для некоторых применений этого может оказаться недостаточно.

Яркими примером является усиление сигнала от термопары. Чувствительность

термопары невелика, порядка 5 мкв/град. Если нужно измерять температуру с

точностью до 1 градуса, то напряжение смещения не должно превышать 5 мкВ.

Методы компенсации и балансировки не могут дать такого результата в связи с

тем, что эти методы не дают достаточной компенсации температурной

зависимости.

Выход был найден в использовании автоматической компенсации. Для этого

были разработаны специальные операционные усилители, имеющие в своем

составе электронные ключи, генераторы импульсных сигналов, схемы

запоминания и операционные усилители. В этом устройстве время от времени

вход операционного усилителя отключается от источника сигнала и зануляется

(Uвх=0), а выходное напряжение, существующее до этого момента,

запоминается на выходе. При этом выходное напряжение подается на вход

другого операционного усилителя, где сравнивается с нулевым потенциалом,

усиливается и подается на второй вход первого операционного усилителя в

качестве напряжения компенсации. Это напряжение запоминается и

сохраняется до следующего момента автокомпенсации. Такой процесс

позволяет получить очень низкое значение результирующего напряжения

смещения и малую его зависимость от температуры. Так усилители 140УД24 и

ICL7650 имеют напряжение смещения 2-5 мкВ и температурный дрейф

напряжения смещения порядка 0.05мкВ/град.С.

Рисунок 6.4

На рисунке 6.4 показана схема включения операционного усилителя

ICL7650 для усиления сигнала с термопары. Как и в схеме 6.1, для уменьшения

наводок со стороны питающей сети, полоса пропускания резко ограничена со

стороны высоких частот.

16.

Дословно - количество RC- или LC-звеньев в нём. Также, порядок можно определить по АЧХ фильтра: количество "горбов"=порядок фильтра(исключение - режекторный фильтр: у него АЧХ-симметричная относительно "нуля", поэтому в той окрестности можно наблюдать два близко расположенных "горба" - их надо считать за один). Чем выше порядок фильтра - тем меньше неравномерность АЧХ, но больше ослабление(в случае пассивного фильтра).

Внимание!

Выше приведённое определение взято из интернета, в учебнике нет чёткого определения, но он упоминается в 8 главе на 56 странице, я не стал её сюда полностью копировать, кто хочет тот почитает.

17.

18.

19.

20.