Характеристики электронных усилителей

Усилители

 

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) сигнала по мощности

Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Таким образом, ни в одном устройстве, которое относят к классу усилителей, в явном виде усиление сигнала не происходит, а имеет место процесс управления. Т.е. входной сигнал ( ~), воздействуя на активные элементы (например, транзистор), определяет, какую долю энергии (мощности) от источника питания передать в нагрузку. И этот процесс управления внешне воспринимается как усиление. При этом мощность, отдаваемая в нагрузку, всегда больше мощности, потребляемой от источника питания.

Таким образом, к усилителям относятся устройства, в которых выполняется условие:

где - коэффициент усиления по мощности;

- мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

- мощность, потребляемая усилителем от источника входного сигнала.

Усилители, выполненные на лампах, биполярных и полевых транзисторах называются электронными.

Характеристики электронных усилителей

В общем виде любой усилитель может быть представлен в виде четырехполюсника, как это показано на рис. 1.

Рис.1. Представление усилителя в виде четырехполюсника

 

Где - напряжение, развиваемое усилителем в нагрузке;

- эквивалентное сопротивление нагрузки;
- источники постоянного напряжения.

Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления. Коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности определяются в виде:

; ;

или в децибелах:

; ; .

Эквивалентная схема усилительного каскада

Для упрощения анализа работы усилительного каскада используется его эквивалентная схема, которая приведена на рис 6.

Рис. 6. Полная эквивалентная схема усилительного каскада

 

Где: ║ ;

Для упрощения рассмотрим влияние элементов на работу усилителя отдельно для каждой области усиливаемых частот.

 

 

Область средних частот

Под областью СЧ понимают ту область, где влиянием реактивных элементов можно пренебречь, т.к. и включено последовательно с , а и включено с ним параллельно. Коэффициенты усиления для этой области определяются выражением:

где R _K~ ║ ;

║ ;

.

Из приведенного выражения видно, что коэффициент усиления увеличивается, если увеличивается R_K~, т.е. или , если применить транзистор с большим коэффициентом усиления и при уменьшении выходного сопротивления источника входного сигнала . Но при увеличении , , , т.е. автоматически приводит к уменьшению верхней граничной частоты , т.е. полосы пропускания усилителя.

На рис.7 представлена эквивалентная схема усилительного каскада для области средних частот (СЧ). Резистор показан пунктиром, его необходимо учитывать, если в схеме отсутствует (при наличии , поэтому закорачивается).

 

Рис. 7. Эквивалентная схема для области средних частот

Область нижних частот

Завал АЧХ в области нижних частот (рис.2) обусловлен наличием разделительных конденсаторов , и конденсатора в цепи эмиттера . Сопротивление конденсатора зависит от частоты

с понижением частоты его сопротивление возрастает. Конденсатор включен последовательно между источником входного сигнала и входом усилителя и совместно со входным сопротивлением усилителя образует делитель напряжения. Поэтому с понижением частоты и ростом сопротивления конденсатора большая часть входного напряжения будет выделяться на этом конденсаторе, а на вход транзистора будет поступать меньше, следовательно, уменьшится сигнал на выходе и уменьшится коэффициент усиления на нижних частотах, а коэффициент частотных искажений возрастет. Аналогично влияет и конденсатор , который совместно с образует еще один выходной делитель напряжения, и напряжение выходное с понижением частоты уменьшится.

Для области нижних частот определяют коэффициент частотных искажений для входной и выходной цепи:

= ;

где – постоянная времени для входной цепи

– постоянная времени для выходной цепи.

Суммарный коэффициент частотных искажений определяется в виде:

Из приведенного выражения видно, что с понижением частоты и уменьшением значений разделительных конденсаторов значение возрастает, следовательно, уменьшится, что и способствует завалу АЧХ на нижних частотах.

Следовательно, для уменьшения линейных искажений следует до определенных пределов увеличивать и . На рис. 8 показано как изменяется коэффициент усиления в области нижних частот () при различных значениях .

Рис. 8. Влияние С_р на АЧХ усилителя

Где < < .

Область верхних частот

 

На «завал» АЧХ в области верхних частот (рис. 2) основное влияние оказывают следующие причины:

а) зависимость коэффициента усиления транзистора () от частоты, связанное с инерционностью носителей, причем, с ростом частоты значение уменьшается;

б) наличие барьерной емкости , в которую ответвляется часть коллекторного тока, при этом ток в нагрузке, а, следовательно, и выходное напряжение уменьшается;

в) наличие емкости монтажа и емкости нагрузки , которые оказываются подключенными параллельно R_K~ и с ростом частоты уменьшают эквивалентное сопротивление нагрузки по переменному току. За счет этого на нагрузке будет уменьшаться выходное напряжение и соответственно коэффициент усиления на высокой частоте.

Частотные искажения для области верхних частот определяются следующим выражением:

где – постоянная времени транзистора, ;

верхняя граничная частота усиления транзистора;

– постоянная времени нагрузки транзистора по переменной составляющей в области верхних частот, =С₀ R_K~.

Соответственно верхняя граничная частота усиления при заданных частотных искажениях определяется в виде

.

Из приведенного выражения видно, что верхняя граничная частота будет увеличиваться, если использован более высокочастотный транзистор с меньшим значением , также при увеличении R_K и C_{0 .} Таким образом, если уменьшать С₀ (), то коэффициент частотных искажений на верхних частотах уменьшится, следовательно, уменьшаться линейные искажения на ВЧ; коэффициент усиления на верхних частотах К_В увеличится, при этом, увеличивается, и наоборот, при увеличении С₀ коэффициент частотных искажений увеличивается, К_В уменьшается, уменьшается. На рис. 9 показано изменение К_ус, при изменении С_0.

 

 

 

Рис. 9. Влияние С₀ на АЧХ усилителя

Где С₀₁>С₀₂ >С₀₃.

 

 

Площадь усиления

 

 

Для характеристики свойств усилителя, кроме диапазона усиливаемых частот, вводится понятие площади усиления.

П=К_СР· =const

В приведенном выражении для увеличения К_ср мы должны увеличивать значение R_K~, что следует из анализа в области средних частот. Но одновременно увеличение R_K~ автоматически приводит к уменьшению , т.е. значение площади усиления, определяемой как произведение К_СР и , будет оставаться примерно постоянным для данного типа усилителя. Это очень важный вывод, который говорит о том, что одновременно обеспечить большое значение К_СР и широкую полосу усиливаемых частот невозможно. Поэтому реальные усилители, как правило, выполняют многокаскадными, причем каждый каскад выполняют широкополосным ( – велико), но с малым коэффициентом усиления, а общий коэффициент усиления определяют как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов. При исследовании качественных показателей характеристик усилительного каскада используется схема, приведенная на рис.10.

 

Автогенераторы

 

 

К автогенераторам относятся устройства, которые преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный ток или напряжение определенной частоты и формы.

В большинстве случаев для автогенераторов не требуется внешнего возбуждающего воздействия, а формирование переменного напряжения или тока проходит за счет внутренних процессов.

Если на выходе генератора формируется напряжение или ток по форме близкой к синусоидальной, то они относятся к автогенераторам гармонических колебаний. Если форма выходного напряжения близка к прямоугольной, пилообразной и т.п., то такие устройства относятся к генераторам релаксационных или разрывных колебаний.

На рисунке 1 приведена блок-схема автогенератора, где он представлен в виде замкнутой системы с положительной обратной связью.

Рис.1 Блок-схема автогенератора

 

Блок-Схема состоит из следующих блоков:

1 блок – усилитель, восполняющий потери энергии в избирательной цепи и цепи обратной связи;

2 блок – избирательная цепь (в RС-автогенераторах фазирующая или частотозадающая), эта цепь определяет частоту, на которой будет работать автогенератор;

3 блок – цепь положительной обратной связи, которая принципиально необходима в автогенераторах.

Иногда в автогенераторах используют и цепь отрицательной обратной связи с целью улучшения характеристик и параметров автогенератора.

В реальных автогенераторах могут объединяться блоки 1 и 2, в этом случае будет реализован избирательный усилитель, с цепью положительной обратной связи (например, автогенератор LC). Также могут объединяться блоки 2 и 3, в случае если введена частотозависимая избирательная цепь положительной обратной связи, которой охвачен усилитель (например, в автогенераторах RS).

Для возникновения и существования колебаний в замкнутой системе необходимо выполнение двух условий самовозбуждения:

1. Баланс амплитуд:

2. Баланс фаз: , где n = 0, 1,2,….

При этом баланс амплитуд требует, чтобы общий коэффициент передачи по замкнутой петле обратной связи был больше единицы для возникновения и нарастания амплитуды колебаний и равен единице для установившегося режима.

Условие баланса фаз требует, чтобы суммарный фазовый сдвиг по замкнутой петле обратной связи был равен нулю градусов или был кратным , и т.о. система охвачена положительной обратной связью.

 

Избирательные и фазирующие цепи.

Избирательные цепи LС

В качестве избирательных LC-цепей используют последовательные и параллельные LC-контуры. Последовательные LC - контуры приведены на рисунке 2, параллельные LC – контуры на рисунке 3.

Рис. 2 Последовательная Рисунок 3. Параллельная LC-цепь LC-цепь

У последовательного колебательного контура наблюдается резонанс напряжений, на частоте резонанса его сопротивление минимальное. У параллельного контура резонанс токов, что обеспечивает максимальное возможное значение его общего сопротивления на частоте резонанса.

Т.к. параллельные колебательные контуры получили наиболее широкое распространение, поэтому будем рассматривать только эти контуры.

На рисунке 4 приведена зависимость сопротивления параллельного контура от частоты, а также ФЧХ этого контура

Рис. 4 АЧХ и ФЧХ параллельного избирательного контура

 

На частоте резонанса сопротивление контура носит активный характер (R), при характер сопротивления меняется на индуктивный (L), на высоких частотах ( он начинает принимать емкостной характер (С).

Для параллельного (и последовательного) LC – контура частота резонанса определяется следующим образом:

(1)

Размерность определяется в виде .

На значения резонансной частоты оказывают влияния потери, имеющиеся в контуре, а частности активное сопротивление катушки . После полного анализа резонансная частота в контуре определяется в виде: , где является коэффициентом затухания контура, определяющим скорость затухания амплитуды свободных колебаний, при воздействии на контур единичного скачка тока.

Максимальное значение сопротивления контура на резонансной частоте определяется в виде:

(2)

Где – волновое сопротивление контура.

Одним из важных качественных показателей контура является его добротность, который определяется элементами контура:

(3)

Учитывая выражение добротности, можно получить еще дополнительную формулу, для определения сопротивления резонансного контура на резонансной частоте:

(4)

Реальное значения Q достигает порядка 100÷200. Для повышения добротности контура, необходимо увеличивать значение индуктивности контура и уменьшать значения емкости конденсатора и сопротивление потерь .

 

Избирательные фазирующие цепи RС.

Цепь Вина.

 

Наиболее распространенной избирательной RС – цепью является цепь Вина. Схема цепи Вина приведена на рисунке 5

Рис. 5 Принципиальная электрическая схема цепи Вина

 

Обычно элементы выбираются попарно-равными, что позволяет легко перестраивать частоту настройки.

Частота квазирезонанса для данной схемы определяется: (5)

Коэффициент передачи цепи определяется в виде:

(6)

Где

подставив значения в исходное выражение получим:

(7)

Коэффициент передачи будет иметь максимальное значение, когда действительная часть выражения в знаменателе обращается в нуль, т.е. выполняется условие

При этом коэффициент передачи будет носить действительный характер

Фазовый сдвиг на частоте резонанса равен , т.к. в последнем выражении мнимая часть отсутствует.

На рисунке 6 приведена АЧХ и ФЧХ для цепи Вина

Рис. 6 АЧХ и ФЧХ цепи Вина

 

Цепи Вина применяется в автогенераторах, но из-за низкой добротности пропускает достаточно хорошо высшие гармоники. Для обеспечения малого значения коэффициента нелинейных искажений в реальных автогенераторах на основе цепи Вина приходится вводить отрицательную нелинейную обратную связь.

 

Трехзвенные RC (и CR) цепи

 

В RC – автогенераторах в качестве частотно-избирательных цепей используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. Как правило, в качестве трехфазных RC-цепей используются трехфазные фильтры высоких частот (ФВЧ), схема приведена на рисунке 7б или трехфазные фильтры низких частот (ФНЧ), схема приведена на рисунке 7а.

Максимальный фазовый сдвиг, вносимый одним звеном ФВЧ на частоте близкой к 0 стремится к 90 , для получения сдвига в 180 RC цепь должна иметь не менее трех последовательно включенных звеньев, при этом еще сохраняется приемлемый коэффициент передачи самого ФВЧ.

Рис. 7а ФНЧ

Рис. 7б ФВЧ

Обычно в RC генераторах R1=R2=R3 и С1=С2=С3. При этом для трехфазного фильтра ФВЧ частота может быть определена как: (8)

Для трехфазного ФНЧ:

(9)

Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристика трехфазного ФВЧ приведена на рисунке 8, а трехфазного ФНЧ на рисунке 9.

Рис. 8 АЧХ и ФЧХ для ФВЧ

 

Рис. 9 АЧХ и ФЧХ для ФНЧ

Снижение затухания в цепях ПОС и улучшение других параметров генератора можно достичь за счет использования так называемых прогрессивных цепочек. В таких цепочках используют резисторы, номиналы которых для каждого последующего звена берутся в n раз больше, чем в предыдущем звене, и конденсаторы, номиналы которых, наоборот уменьшаются для каждого последующего звена в n раз.

ФНЧ для получения заданной требуется применить R и С больших номиналов (по сравнению с ФВЧ) со всеми вытекающими последствиями.

Автогенераторы LC-типа

 

Рассмотрим процессы возникновения, нарастания и стабилизации колебаний у автогенератора LC-типа, схема, которой приведена на рисунке 10.

 

Рис. 10 Принципиальная электрическая схема автогенератора LC-типа.

 

Основной автогенератора является избирательный (резонансный) усилитель, в котором с помощью трансформатора (L-Lос) создана ПОС, напряжение с которой поступает на вход усилителя.

Условия баланса фаз и амплитуд здесь обеспечиваются для резонансной частоты . При подключении источника питания Ек в цепях усилителя начинает течь ток и действовать напряжение. В результате в LC-контуре возникают синусоидальные колебания с частотой , которые поддерживаются с помощью ПОС в устройстве. Частота генерации и резонансная частота определяются резонансной частотой контура: . (10)

Если частота колебаний отклонится от значения то сопротивление контура перестанет быть активным и приобретет реактивный (индуктивный и емкостной) характер, что вносит дополнительный фазовый сдвиг, и условие баланса фаз перестает выполняться. Кроме того, отклонение частоты резонансной приводит к снижению Кус, и условие баланса амплитуд тоже может быть нарушено.

Т.о., генерация автоколебаний в рассматриваемом устройстве осуществляется на частоте (или близкой к ней)

Усилительный каскад с ОЭ инвертирует сигнал (т.е. Uвх и Uвых по отношению друг к другу повернуты на 180 ), поэтому для выполнения условий баланса фаз трансформаторная ОС должна осуществлять поворот фазы сигнала на 180 . Если обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, то необходимо вторичную обмотку (Lос) включить встречно по отношению к первичной (см. рис 10). Точки около выводов обмоток указывают на синфазность напряжения на них. Обычно первичная обмотка, является индуктивностью контура, состоит из большого числа витков, чем вторичная для обеспечения равенства амплитуд Uос и Uвх.

Следует отметить, что при включении источника питания в цепь коллектора через контур начнет протекать ток. Несмотря на то, что питание осуществляется от источника постоянного напряжения, реальный ток, проходящий через контур, не остается постоянным, у него имеется переменная составляющая, амплитуда которой может иметь малое значение, но она присутствует. Это явление обусловлено шумовыми свойствами транзистора, а также флуктуационными изменениями значений резисторов, конденсаторов, индуктивностей, использованных в схеме.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, спектр этой составляющей очень широкий, в нем присутствуют практически все частоты от 0 до , в том числе и та частота, на которую настроен контур. При достаточно высокой добротности контур широкого спектра частоты выделяет сигнал с частотой, равной его резонансной, что и соответствует первому этапу, а именно этапу возникновения колебаний.

Переменное напряжение, появившегося на контуре, трансформируется в обмотку ОС и поступает на вход усилителя, усиливается последним, а также выделяется на контуре. Т.К. суммарный фазовый сдвиг по замкнутой петле ПОС равен 0 , то усиленный сигнал в контуре окажется в фазе с первоначальным сигналом, они суммируются и общая амплитуда возрастет. Возросшая амплитуда колебаний снова трансформируется в Lос, поступает на вход усилителя, усиливается, выделяется на контуре и опять суммируется с тем сигналом, который там имеется, что приводит к дальнейшему увеличению амплитуды колебаний и т.д. Т.е. система сама начинает себя «раскачивать», причем с той частотой, на которую настроен контур, т.к. только на этой частоте максимальный коэффициент усиления и наиболее благоприятнее условие для суммирования. Т.о. в системе наблюдается второй этап, этап нарастания амплитуды колебаний, как это показано на рисунке 11, и участок обозначен цифрой 1.

Амплитуда колебаний переменного напряжения нарастает, но не до бесконечности, а до того момента, когда система переходит в установившийся режим, см. рис. 11.

 

Рис. 11 Процесс нарастания амплитуды колебаний.

 

По мере роста амплитуды захватывается все более широкая область раствора характеристики транзистора. А так как размах амплитуды переменного напряжения определяется источником питания, то в конечном итоге транзистор заходит в режим ограничения, где его усилительные свойства резко падают и дальнейший рост амплитуды прекращается. Т.е. система переходит в установившийся режим, где амплитуда колебаний становится постоянной.

Работа транзистора в нелинейной области, т.е. в режиме ограничения может привести к искажению формы выходного сигнала, обусловленному наличием высших гармоник. Но применение высокодобротного контура позволяет отфильтровать высшие гармоники, поэтому выходной сигнал имеет практически синусоидальную форму.

Автогенератор RC-типа

 

В RC-генераторах в качестве частотоизбирательных (фазирующих) цепей, используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. В генераторах могут использоваться усилительные каскады, инвертирующие и не инвертирующие сигналы. В первом случае RC-цепь обратной связи должна обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на 180 , а во втором – ее фазовый сдвиг должен быть равен нулю.

Все процессы, связанные с возникновением, нарастанием и установлением амплитуды колебаний в RS – генераторах принципиально не отличаются от процессов, рассмотренных выше в автогенераторах LC – типа. Рассмотрим только некоторые особенности, присущие автогенераторам RC типа, на примере автогенератора с мостом Вина, принципиальная схема которого, приведена на рисунке 12.

Рис. 12 Принципиальная электрическая схема автогенератора с мостом Вина.

Анализ цепи Вина приведен выше, поэтому известно, что частота квазирезонанса определяется по формуле:

(11)

Она же определяет и частоту, которую будет генерировать автогенератор. Коэффициент передачи на частоте квазирезонанса , фазовый сдвиг , поэтому необходимо использовать двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1 и VT2, который обеспечивает фазовый сдвиг на 360 .

Т.к. Коэффициент передачи цепи Вина на частоте квазирезонанса равен , то коэффициент усиления усилителя для выполнения условия баланса амплитуд должен быть равен и больше 3. Но двухкаскадный усилитель обеспечивает значительно большой коэффициент усиления, и для его снижения усилитель дополнительно охватывают общей обратной связью (ООС) по напряжению (цепь Rсв, Rэ1, Rл) на рисунке 12. Причем ООС выполнения с использованием нелинейных инерционных элементов, в качестве которых применяют термистор или лампочку накаливания. В настоящее время для этой цепи используют другую более сложную элементную базу, но суть от этого не меняется. У применяемых элементов сопротивление зависит от значения протекающего тока. У термистора с увеличением тока сопротивление уменьшается, а у лампочки накаливания с ростом тока сопротивление возрастает.

Эти элементы являются инерционными. Если тепловая постоянная времени инерционного элемента больше периода колебаний переменного тока, который через них протекает, то они для мгновенных значений тока ведут себя как линейные элементы, а значения их сопротивлений изменяются только в зависимости от действующего значения протекающего тока. Рассмотрим, с какой целью применяется эти элементы.

Цепь Вина имеет очень слабые избирательные свойства, и если допустить, что транзисторы в усилителе заходят в режим ограничения, то появляющиеся в результате этого высшие гармонические составляющие пройдут на выход автогенератора и форма выходного напряжения будет искаженной, т.е. появятся большие нелинейные искажения, применение нелинейных элементов позволяет избежать этого явления. Предположим, что соотношение резисторов в цепи ООС с учетом сопротивлений нелинейных элементов выбрано таким образом, что обеспечивает значение коэффициента усиления усилителя с ОС, равное трем, для выполнения условия баланса амплитуд при такой амплитуде выходного напряжения, при которой транзистор работает в линейном режиме.

Допустим, что амплитуда выходного напряжения возросла, т.е. появляется возможность перехода транзистора VT2 в нелинейный режим. Но в этот же момент возрастает ток в цепи ООС и ток протекающий через лампочку. Сопротивление лампочки тоже возрастет, а так как именно на ней выделяется напряжение общей отрицательной обратной связи, увеличивается общая глубина ООС, это приведет к уменьшению коэффициента усиления усилителя, следовательно к уменьшению выходного напряжения, что позволяет транзистору перейти в нелинейный режим. Если же произошло уменьшение выходного напряжения, то амплитуда будет возрастать, т.е. наблюдается процесс стабилизации амплитуды выходного напряжения, при этом работа транзистора будет осуществляться в линейной области, нелинейные искажения выходного сигнала будут минимальными, несмотря на низкую добротность цепи Вина.

На примере автогенератора с цепью Вина хорошо показать разные типы обратных связей, применяемых в электронных схемах.

Перечислим эти связи:

1) Цепь вина образует: положительную, параллельную, общую частотозависимую, линейную обратную связь по переменному напряжению.

2) За счет Резисторов Rэ1 и Rэ2 в каскадах на транзисторах VT1 и VT2 введена отрицательная, последовательная, местная частотонезависимая, линейная обратная связь по постоянному току для стабилизации положения рабочей точки.

3) За счет элементов Rсв, Rэ1 и Rл введена отрицательная, последовательная, общая нелинейная, инерционная обратная связь по переменному напряжению, которая служит для стабилизации значения амплитуды выходного напряжения.

Стоит отметить, что цепь положительной обратной связи и цепь отрицательной обратной связи образуют мостовую схему (мост), два плеча которой образованы цепью Вина, а два других плеча образованных элементами Rсв, Rэ и Rл. Поэтому этот автогенератор называют автогенератором с мостом Вина.

 

 

Усилители

 

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) сигнала по мощности

Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Таким образом, ни в одном устройстве, которое относят к классу усилителей, в явном виде усиление сигнала не происходит, а имеет место процесс управления. Т.е. входной сигнал ( ~), воздействуя на активные элементы (например, транзистор), определяет, какую долю энергии (мощности) от источника питания передать в нагрузку. И этот процесс управления внешне воспринимается как усиление. При этом мощность, отдаваемая в нагрузку, всегда больше мощности, потребляемой от источника питания.

Таким образом, к усилителям относятся устройства, в которых выполняется условие:

где - коэффициент усиления по мощности;

- мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

- мощность, потребляемая усилителем от источника входного сигнала.

Усилители, выполненные на лампах, биполярных и полевых транзисторах называются электронными.

Характеристики электронных усилителей

В общем виде любой усилитель может быть представлен в виде четырехполюсника, как это показано на рис. 1.

Рис.1. Представление усилителя в виде четырехполюсника

 

Где - напряжение, развиваемое усилителем в нагрузке;

- эквивалентное сопротивление нагрузки;
- источники постоянного напряжения.

Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления. Коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности определяются в виде:

; ;

или в децибелах:

; ; .