Основные параметры усилителей

 

       =

     =

       =

   КПД =

 

       Iвх и Iвых – входной и выходной токи;

       Uвх и Uвых – входное и выходное напряжение;

       Pвх и Pвых – входная и выходная мощность;

       Pист.пит. – мощность источника питания;

       Rвх и Rвых – входное и выходное сопротивление;

       Ki, Ku, Kp – коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности;

       КПД – коэффициент полезного действия.

 

Основные характеристики усилителя

      

f – частота усиливаемых сигналов, Гц;

fн – нижняя частота;

fср – средняя частота;

fв – верхняя частота;

Kuср – средний коэффициент усиления по напряжению;

j - начальная фаза сигнала.

Усилитель с общим эмиттером (ОЭ)

Схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ):

 

Назначение элементов в этой схеме:

- U_ВХ – источник входного сигнала;

- E_K – ЭДС коллектора, источник питания, с него подаётся постоянное напряжение, служащее источником энергии для усиления;

- R_Н – нагрузка, сопротивление следующего каскада, выход схемы;

- VT – транзистор, который усиливает входной сигнал;

- R_К – коллекторная нагрузка, определяет уровень усиления выходного сигнала;

- R1, R2 – делитель напряжения, задаёт рабочую точку транзистора на его ВАХ;

- C_Р1, C_Р2 – разделительные конденсаторы, не пропускают постоянный ток на вход и выход схемы.

 

Принцип работы этой схемы заключается в следующем:

Напряжение от источника питания Eк порядка нескольких вольт делится между резистором Rк и транзистором VT. Таким образом, Eк = IкRк + Uкэ.

Со входа Uвх на базу транзистора подаётся сигнал порядка нескольких милливольт. Этот сигнал определяет степень открытия транзистора, а, следовательно, и его сопротивление, а также уровень напряжения Uкэ.

Выход схемы (нагрузка Rн) подключена параллельно Uкэ. Поэтому выходной сигнал по форме повторяет входной, а по напряжению и току усиливается за счёт энергии источника питания Eк.

Пути протекания постоянных токов от источника питания Eк в этой схеме

Как видно, постоянные токи не протекает через конденсаторы (так как их сопротивление постоянному току крайне велико).

 

Пути протекания переменных токов в начальный момент времени в этой схеме:

 

 

Как видно, переменные токи в этой схеме не протекают через резисторы, поскольку они текут по пути наименьшего сопротивления.

 

Способы подачи напряжения питания на усилитель

 

Подача питания фиксированным напряжением:

Формулы сопротивлений резисторов при фиксированном напряжении:

 

 

где Iд – ток делителя напряжения;

I_Б0 – ток базы покоя;

U_БЭ0 – напряжение база – эмиттер покоя;

Eк – ЭДС коллекторного источника питания.

 

Подача питания фиксированным током:

Формула для сопротивления резистора R1 при фиксированном токе:

 

 

Обратная связь в усилителях

 

Обратная связь – это явление, когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход. Цепь, по которой осуществляется такая передача энергии, называется цепью обратной связи (ОС).

 

Структурная схема усилителя с обратной связью:

 

 

Основным параметром ОС является коэффициент обратной связи b:

 

 

где Uос – напряжение обратной связи.

 

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с обратной связью:

 

 

Знак «+» берётся, когда обратная связь отрицательная, знак «-» - когда положительная.

Виды обратной связи

 

Если электрические колебания из выходной цепи поступают во входную цепь в фазе со входными, то это – положительная ОС (ПОС). При противофазности колебаний образуется отрицательная ОС (ООС).

 

При ПОС все параметры усилителя ухудшаются: увеличиваются нелинейные и частотные искажения, снижается температурная стабильность режимов усилительных элементов, уменьшается входное и увеличивается выходное сопротивление схемы. Зато увеличивается коэффициент усиления.

ООС улучшает все параметры усилителя, кроме коэффициента усиления, который уменьшается.

По способу подключения цепи ОС к выходу усилителя или по способу получения напряжения ОС различают следующие виды:

       - обратную связь по напряжению, когда обратная связь включена параллельно нагрузке:

 

 

       - обратную связь по току, когда обратная связь включена последовательно с нагрузкой:

 

Для определения вида ОС можно использовать следующее правило. В режиме короткого замыкания нагрузки ОС по напряжению исчезает, по току – сохраняется.

Наоборот, в режиме холостого хода на выходе сохраняется ОС по напряжению, а ОС по току – исчезает.

       По способу подачи напряжения ОС на вход усилителя различают:

- последовательную обратную связь, когда обратная связь включена последовательно со входом:

- параллельную обратную связь, когда обратная связь включена параллельно входу:

 

 При определении способа введения ОС можно использовать аналогичное правило. При замыкании источника сигнала последовательная ОС сохраняется, параллельная исчезает. При холостом ходе на входе усилителя сохраняется параллельная ОС, последовательная исчезает. Отсюда следует важный вывод: параллельная ОС наиболее эффективна при большом сопротивлении источника сигнала, последовательная – при малом сопротивлении источника сигнала.

Усилитель с последовательной ООС по току:

Элементом обратной связи здесь служит резистор Rэ.

Усилитель с параллельной ООС по напряжению:

Элементом обратной связи здесь служит резистор Rб.

 

 

Каскады предварительного усиления

Режимы работы усилителей

В зависимости от положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике различают 4 режима работы усилителей: A, B, C, D.

Режимы работы отличаются углом отсечки Q. Угол отсечки показывает, в течении какой части периода через транзистор протекает ток.

Режим A – исходная рабочая точка выбирается в линейной части ВАХ транзистора:

Благодаря этому нелинейные искажения практически отсутствуют, однако КПД усилителей в режиме A не превышает 25%. Транзистор пропускает ток в течение всего периода, поэтому угол отсечки Q составляет 180°.

Режим A используется в однотактных предварительных усилителях, где большее значение имеет отсутствие искажений, чем большой КПД.

Режим B – рабочая точка выбирается на границе между активным режимом и режимом отсечки:

Из-за этого увеличиваются нелинейные искажения сигнала. Но КПД получается большим – 60 – 70 %. Транзистор пропускает ток только в половину периода, поэтому угол отсечки Q равен 90°.

Режим B используется в двухтактных усилителях мощности, где сигнал делится на две половины и каждая усиливается своим транзистором, а на выходе оба сигнала складываются.

Режим AB – рабочая точка выбирается между режимами A и B:

Благодаря этому нелинейные искажения получаются больше, чем в режиме A, но меньше, чем в режиме C. УКПД находится в пределах 25 – 60 %. Угол отсечки Q составляет 90° – 180°.

Режим AB, как и режим B, используется в двухтактных усилителях.

Режим C – рабочая точка выбирается в области отсечки:

КПД таких усилителей получается самым большим (до 85%). Однако и искажения получаются максимальными. Угол отсечки Q меньше 90°.