Тема 2. 1. Усилительные устройства в аналоговой схемотехнике

Лекция 17 Качественные показатели и характеристики усилителей (Занятие 2.1.1 ).

 

Вопросы:

1. Основные определения. Принцип электронного усиления.

2. Параметры и характеристики усилителей.

 

Вопрос 1. Основные определения. Принцип электронного усиления.

 

Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счёт энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности.

 

Рисунок 1.1 - Обобщённая структурная схема электронного

усилителя

 

К входу усилителя подключён источник входного сигнала с действующим значением ЭДС е_и и внутренним сопротивлением R _и. Источник: микрофон, фотоэлемент, термопара, антенна и др. Маломощный входной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительно большего уровня мощности. В выходной цепи действует усиленный сигнал К U _вх с выходным сопротивлением R _вых. В качестве нагрузки могут быть, например, резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора, электронно-лучевая трубка и т.д. Разделяют нагрузки по переменному и постоянному току. Для их разделения применяют конденсаторы и трансформаторы.

На основе электронных усилителей строятся почти все другие аналоговые электронные устройства. Обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи ОС.

1.1. Классификация усилителей.

I По параметру усиливаемого сигнала:

- усилители напряжения

- усилители тока

- усилители мощности

1. Усилитель напряжения – работает при условии , что обеспечивает большие изменения напряжения на нагрузке при небольших изменениях токов во входной и выходной цепи.

2. Усилитель тока: , при которых обеспечивается прохождение заданного тока в выходной цепи при малых значениях напряжения.

3. Усилитель мощности – необходимо согласовать входные цепи с источником входного сигнала и выходные цепи с нагрузкой:

II. По форме усиливаемых колебаний:

- усилители непрерывных сигналов (усилители квазигармонических сигналов), которые изменяются во времени медленно, переходные процессы почти не проявляются. Свойства усилителей оценивают по качеству передачи гармонических колебаний.

- усилители импульсных сигналов (усилители радиолокационных, ТВ и других сигналов). Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства этих усилителей оцениваются по форме переходной характеристики.

III. По диапазону частот:

1. усилители постоянного тока (усиливают постоянную и переменную составляющую входного сигнала);

2. усилители переменного тока (усиливают переменную составляющую):

- усилители звуковой частоты: 20Гц…20кГц ;

- усилители радиочастоты , а диапазон частот превышает УЗЧ. Полоса их пропускания формируется с помощью колебательных контуров (резонансные усилители). В отличие от них все остальные – апериодические усилители.

- широкополосные усилители:  (видеоусилители).

IV. По типу усилительных элементов:

- транзисторные;

- ламповые;

- диэлектрические;

- магнитные;

- ИМС;

V. По области применения:

- микрофонные;

- трансляционные;

- измерительные;

- телевизионные;

- магнитофонные;

- радиолокационные и т.д.

Устройства на основе усилителей – в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Это устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др.

Преобразователи сопротивлений выполняют на основе применения принципа ОС в ЭУ. Они могут преобразовывать величину, знак и характер сопротивления.

1.2. Принцип электронного усиления

Минимальная часть усилителя, сохраняющая его функции, называется усилительным каскадом. Обычно он содержит один усилительный элемент, например транзистор (реже – два), и относящиеся к нему пассивные компоненты, обеспечивающие его работу.

 

Рисунок 1.2 - Принцип электронного усиления

 

Во входной цепи последовательно с источником переменного усиливаемого напряжения U _вх включен источник постоянного напряжения смещения U _см. Переменная составляющая I _{к m}, протекая через R _к, выполняющий функции коллекторной нагрузки, создаёт на нём падение напряжения U _вых. Оно снимается с коллектора и подаётся далее на сопротивление нагрузки R _н.

Работа каскада. В исходном состоянии или режиме покоя

U _вх =0

При этом:

, I _К = I _К0

 

Пусть на вход подаётся переменное напряжение:

В результате I _к измениться около значения в исходной рабочей точке также по закону sin:

В первый полупериод U _к уменьшается из-за увеличения i _к и падения напряжения на R _к. Здесь R _к играет роль преобразователя тока I в напряжение U.

При большом  усиление по напряжению осуществляется управление I _К, что можно рассматривать как результат изменения сопротивления R транзистора. Управление же сопротивления транзистора R осуществляется U _вх.

При анализе ЭУ необходимо учитывать соотношение между R _н и R _вых

 (более чем на 2 порядка)

 (более чем на 2 порядка)

Тогда для эквивалентной схемы усилителя:

Входная цепь практически не потребляет тока, т.е. работает в режиме холостого хода по входу это источник напряжения, управляемый напряжением.

Рисунок 1.3 - Схема источника напряжения управляемый напряжением

 

Усилитель тока характеризуется тем, что:

Считается, что ЭУ управляется током и значением входного тока

.

Источник сигнала работает в режиме короткого замыкания и ЭУ является источником тока, управляемый током (ИТУТ). Схема 4: источник тока – во входной цепи; источник напряжения – в выходной, значит, это источник напряжения, управляемый током (ИНУТ).

; .

 

Рисунок 1.4 - Схема источника тока управляемого напряжением

.

 

IГ

Iвых

 

Рисунок 1.5 - Схема источника тока управляемого током

Рисунок 1.6 - Схема источника напряжения управляемый током