Усилители.

Усилителями называют устройства, предназначенные для уси­ления электрических сигналов за счет источников электрического питания с помощью активных элементов — транзи­сторов.

Классификация

По типу усилительного элемента:

- лампо­вые

Д: усиление сиг­налов в широкой полосе частот, низкий уровнь шумов, отсут­ствие чувствительности к температурным и климатическим изме­нениям.

Н: ограниченный срок службы (до 5000-10000 ч), потребляют значительную энергию.

- транзисторные

Д: имеют неогра­ниченный срок службы (десятки тысяч часов), безынерционны, ус­тойчивы к вибрации, тряске, экономичны.

Н: разброс параметров однотипных транзисторов, большая темпе­ратурная зависимость, высокий уровень собственных шумов. Усилительные каскады на однотипных элементах различа­ются схемой и режимом работы усилительных элементов.

- диодные (на туннельных диодах)

По виду усиливаемых электрических сигналов:

- усилители гармонических сигналов  (важнейшим является обеспечение минимального уровня искажений)

- усилители импульсных сигналов ( используют различные ключевые режимы работы транзисторов)

По способности усиливать постоянные и переменные сигналы:

- усилители постоянного тока (усилители, обладающие способностью усиливать весьма медленные колебания, в том числе и нулевой частоты, используют в автоматике и телемеханике, измери­тельной технике и счетно-решающих устройствах);

- усилители переменного тока (усиливают только переменную составляющую сигналов, используют в ра­диотехнических устройствах)

По диапазону усиливаемых частот:

- усилители низкой частоты (УНЧ) (предназначены для усиления частот звукового диапазона (0,01...20 кГц); применяют в радиовещании, аппара­туре проводной связи)

- усилители высокой частоты (УВЧ); предназначены для усиления сигналов в радиочастотном диапазоне (применяют в радиопередающих и ра­диоприемных устройствах

По виду амплитудно-частотной характеристики:

- узкополосные усилители; 

узкополосные УНЧ имеют полосу пропускания менее 2,5...3 кГц

узкополосные УВЧ применяют в телевидении, обладают полосой пропускаемых частот 4,5...5 МГц)

- широкополосные усилители (применяют для уменьшения нелинейных искажений и повышения устойчивости усилителя)

По форме амплитудно-частотной характеристики:

- избирательные или резонансные усилители (имеют частотную характеристику полосового фильтра или резонансного колебательного контура);

- апериодические усилители (имеют частотную характеристику, по форме напоминающую характеристику LС-цепи, т.е. плавно убывающую по мере роста частоты).

По назначению усилителя:

- усилители напряжения

- усилители тока 

- усилители мощности 

Характеристики усилителей

-  Коэффициент усиления  по­казывает, во сколько раз напряжение (ток или мощ­ность) на выходе усилителя больше, чем на входе:

Кн = Uвых/Uвх

Кт = Iвых/Iвх

Км = Рвых/Рвх

- Выходная мощность — наибольшая мощность, от­даваемая нагрузке, при которой искажения не превышают допусти­мые

Рвых = Iвых* Uвых

-  Коэффициент полезного действия усилителя характеризует его экономичность и определяется как отношение полезной мощности сиг­нала, отдаваемой нагрузке, к мощности, потреб­ляемой от источника питания:

ŋ = (Рвых/Р0)*100%

- Коэффициент шума - характеризует уровень шумов (искажений случайного характера, обусловленных различными механическими, тепловыми, молекулярными, электронными процессами в радиокомпонентах.

- Амплитудная характеристика  усилителя представля­ет собой зависимость выходного напряжения сигнала от входного

- Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

- Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) — зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты.

- Фазочастотная характеристика (ФЧХ)— зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты.

- Динамический диапазон усилителя — отношение максимального входного напряжения сигнала к минимальному (Uвх.макс/Uвх.мин).

- Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) оценивает­ся областью частот, в пределах которой .частотные искажения не превышают заданных.

- Фазовые искажения - фазовые сдви­ги между выходным и входным напряжениями

- Нелинейные искажения - искажение формы выход­ного сигнала

Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется связь между выходом и входом усилителя.

Различают положительную и отрица­тельную ОС. При положительной ОС сигнал с выхода усилителя поступает на вход в фазе с колебаниями входного сигнала, в результате чего коэффициент усиления усилителя возрастает. Этот вид ОС применяется в автогенераторах. При отрицательной обратной связи (ООС) колебания с выхода на вход усилителя поступают в противофазе с входным сигналом, в результате чего его коэффициент усиления уменьшается. В усилите­лях обычно используется ООС, улучшающая их качественные пока­затели.

Различают схемы с ООС:

- по напряжению

- по току

- комбинированная

-последователь­ная

- параллельная

ООС по напряжению: последовательной параллельной

Схема предварительного усилительного каскада.

Назначением каскадов предварительного усиления является усиление сигнала до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

С - выполняет функцию гальванической развязки

Rб1, Rб2 – делитель напряжения, обеспечивает режим работы транзистора

Rк – нагрузка транзисторного каскада, предназначен для питания коллектора транзистора электрическим током

Rэ, Сэ – обратная связь усилителя, предназначены для стабилизации работы

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала без искажения, необходимо обеспечить рабочий режим, который устанавливается напряжением смещения база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта.

ВАХ

Схемы выходных каскадов усиления

Оконечным (или выходным) каскадом называется каскад усилителя, который обеспечивает получение за­данной мощности на нагрузке (громкоговорителе, электродвигателе, и т. д.) Основными усилительными элементами оконечных каскадов являются транзисторы и электронные лампы большой мощ­ности.

Различают:

- однотактные выходные каскады

- двухтактные выходные каскады

Однотактный каскад усиления

Применяют в усилителях с малой выходной мощностью с КПД до 40%. Схема включения транзистора с ОЭ. Схемы с ОК и с ОБ не применяют.

Двухтактные каскады усиления

Применяют в усилителях большой выходной мощностью с КПД более 50%. Схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. Двухтактные выходные каскады подразделяются:

- бестрансформаторные выходные каскады

- каскады с согласующими трансформаторами

Рассмотрим трансформаторный каскад с ОБ:

При отсутствии входного сигнала через транзисторы протекают малые начальные токи, так как практически заперты. При подаче синусоидального входного напряжения транзисторы открываются поочередно. Каждый транзистор работает в течение одного полупериода, а в нагрузке токи обоих транзисторов алгебраически суммируются.

Многокаскадные усилители.

Одиночные каскады не обеспечивают необходимое усиление и заданные параметры усилителей. Поэтому применяют многокаскадные усилители.

Характеристики многокаскадных усилителей:

1. Коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада.

К = к1*к2*к3*…..кn

2. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений каждого каскада.

3. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада

4. Нелинейные искажения усилителя определяются нелинейностью усилительного элемента оконечного каскада.

5. Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется шумами входной цепи и первого каскада.

Блок-схема многокаскадного усилителя:

Схема усилителя с непосредственной связью между каскадами

Усилители с непосредственной связью между каскадами характеризуются:

- простотой конструкции (содержат мало деталей),

- высокими показателями качества

- широким диапазоном рабочих частот

- малыми нелинейными искажениями

- стабильностью параметров при замене транзисторов

- стабильностью параметров при изменениях напряжения питания и температуры окружающей среды.

Усилители с RC – связями.

- имеют худшую АЧХ

- менее экономичны

Схемы усилителей постоянного тока.

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты.

АЧХ УПТ:

Для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь между каскадами.

Структурная схема УПТ

Входной сигнал постоянного напряжения U_вх преобразуется в пропорциональный ему сигнал переменного напряжения с помощью модулятора М, потом усиливается усилителем гармонических сигналов У, а затем демодулятором ДМ преобразуется в сигнал постоянного напряжения U_н.

Двухкаскадный УПТ