Анализ процесса усиления электрических сигналов

 

Понятие об усилении электрических сигналов.

 

Одной из наиболее важных функций некоторых электронных приборов является усиление электрических сигналов. Усилить электронный сигнал – это значит увеличить его мощность.

Усиление электрических сигналов является одной из наиболее важных функций аппаратуры связи, вещания, телевидения.

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала(напряжения, тока, мощности).

Усилитель электрических сигналов представляет собой активный четырехполюсник. К входным точкамьY подключается источник усиливаемых сигналов с ЭДС Е_1, к выходным точкам – потребитель усиленного сигнала, который будем называть нагрузкой усилительного элемента – R_н. В качестве усилительных элементов (УЭ) используют биполярные и полевые VT_ы, для получения больших мощностей – электронные лампы. В цепь УЭ включается источник питания, который обеспечивает подачу постоянного напряжения на электроды УЭ (рис. 1).

 

Принципы усиления электрических сигналов.

Пусть УЭ – бип. VT, работающий в активном режиме в схеме с ОЭ (рис. 2). На вход VT_а,т. е. на его Э_ый переход, включенный в прямом направлении, подадим электрический сигнал U_вх. При этом небольшие изменения вх. напряжения ∆U_вх вызовут значительные изменения вх. тока ∆I_б. Ток коллектора на выходе получит, благодаря этому, приращение ∆I_к = ∆I_б * h₂₁. Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки приращение напряжения U_вых = ∆I_к * R_н = ∆I_б * h₂₁ * R_н

Напряжение ∆U_вых больше, чем напряжение

∆U_вх = ∆I_бR_вх, так как сопротивление R_н > R_вх, а ток ∆I_к > ∆I_б.

Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению. Мощность на входе P_вх = ∆I²_б R_вх, а мощность на выходе P_вых = ∆I²_кR_н, а так как ∆I_к > ∆I_б и R_н > R_вх, то схема обеспечивает усиление по мощности.

Аналогично можно объяснить принцип усиления с помощью полевого VT_а и электронной лампы. При этом в них, работающих обычно без входных токов, управление происходит эффективнее, благодаря тому, что у них громадное R_вх, и изменение тока на выходе при подаче входного сигнала происходит практически в отсутствие тока на входе.

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность ~_го тока, который меняется по закону изменение поданного на вход напряжения или тока усиливаемого электрического сигнала.

Чтобы получить на выходе требуемую полезную мощность P_вых, источник питания должен затратить большую мощность P_о, и КПД У, безусловно, будет меньше 100%.

Существуют приборы, которые могут дать на выходе усиление либо по напряжению (например, повышающий тр-р), либо по току (понижающий тр-р). Но в этих приборах, не происходит усиления по мощности. Вследствие потерь в тр-ре мощность на его выходе обязательно меньше, чем на входе.

Характерная особенность эл-ых приборов, используемых для усиления, заключается в том, что они всегда обеспечивают усиление входного сигнала по мощности.

Простейший анализ процесса усиления позволяет определить ряд требований, предъявляемых к У_ым У_ам:

Форма усилительного сигнала в цепи нагрузки должна совпадать с формой поданного на вход электрического сигнала. Такое совпадение необходимо в большинстве У. Искажение формы сигнала на выходе У, усилительного сигнала от микрофона, приведет к тому, что в громкоговорителе, стоящем на выходе У, появляется искажение звука, то же будет при искажении усиленных сигналов в У дальней телефонной связи, в магнитофонах и т. д.

КПД д. б. большим.

Это необходимо для того, чтобы преобразование энергии источника постоянного тока в энергию ~_го тока, повторяющего форму ~_го сигнала на входе УЭ, происходило при наименьших допустимых затратах энергии источника постоянного тока.

 

Точка покоя. Напряжение смещения.

 

Условием совпадения ~_го сост-ей тока с формой поданного на вход УЭ упр-го напряжения является линейная зависимость между ними, графически выраженная прямой. Статические х-ки биполярных и полевых VT_ов, как и ЭЛ, криволинейны. Поэтому возможны искажения подобного сигнала, т. е. появление в составе тока I_вх гармоничных и комбинированных ч-т. Отсутствия

искажений сигнала можно добиться, используя участок

х-ки, наиболее близкий к прямой I_б.

На рис. 3,а – это участок АВ на вх. х-ке бип. VT_а в схеме с ОЭ. Подадим на вход VT_а ~_ое напряжение сигнала U_вх = U_вхм * sinωt. При этом вх. ток VT_а будет меняться пропорционально изменению напряжения входного сигнала. Для того чтобы при обеих п/волны ~_го напряжения. U_вх п/волны ~_ой сост-ей тока ί_б не выходили за пределы этого прямолинейного участка АВ, на вход VT_а необходимо подать прямое постоянное напряжение U_БЭО.

Точка на статической х-ке, однозначно определяемая постоянным напряжением на входе и выходе, называется точкой покоя. В данном случае – точка М.

Постоянное напряжение, которое подается на вход УЭ для выбора точки покоя, называется напряжением смещения. У бип. VT_а м. б. задана и постоянным током на входе – током смещения.

При “+”_ой п/волне ~_го направления сигнала U_вх общее мгновенное напряжение на входе VT_а U_БЭ = U_БЭО + U_вхм * sinωt ↑_ся и соответственно ↑_ся ток I_б.

При “-”_ой п/волне напряжения U_вх, которое является обратным для Э_го перехода п-р-п – VT_а, общее напряжение на входе VT_а U_БЭ = U_БЭО - U_вхм * sinωt ↓_ся и соответственно ↓_ся вх. ток I_Б.

Результирующий ток на входе (рис. 3, б) является пульсирующим током. Он содержит постоянную составляющую I_БО и ~_ую сост-ую ί_б, которые меняются по закону изменения вх. напряжения сигнала ί_б = I_Бмsinωt. Каждое изменение вх. тока I_Б вызывает соответствующее изменение вых. Тока в к_ой цепи I_к, так как I_к = h_21ЭI_Б.

Режим работы УЭ при подаче на его электроды постоянных напряжений и в отсутствие на его входе напряжения электрического сигнала, который требуется усилить, называется режимом покоя.

В режиме покоя в цепи источник питания – Коллектор течет постоянный ток I_ко. При подаче ~_го напряжения сигнала на вход VT_а в этой же цепи появляется ~_ая составляющая к_го тока ί_к = I_Кмsinωt.

Таким образом, энергия постоянного тока источника питания преобразует в энергию ~_го тока, который меняется по закону поданного на вход ~_го напряжения.

Итак, чтобы обеспечить минимум искажений,

т. е. для совпадения формы вых. тока с формой

поданного на вход сигнала, точку покоя

выбирают на линейном участке х-к управления. Рассмотрим аналогичные графики для полевого VT_а (рис. 4). Точку покоя М выбираем на середине линейного участка АВ путем подачи соответствующего напряжения смещения – напряжения U_ио. В режиме покоя вся энергия источников питания тратится бесполезно и идет на разогрев р-п – перехода стока. Только сост-ая тока, которая подается при подаче на вход УЭ усиленного сигнала, является полезной, т. к. она создает на нагрузке усиленное напряжение и мощность. Естественно, что чем больше потери мощности за счет постоянной сост-ей тока, тем ниже КПД схемы. Однако, выбрав точку покоя на х-ке ниже, чем показано на рис. 3, 4, и подав на вход сигнал с такой же амплитудой, мы выйдем за пределы прямолинейного участка АВ, что приведет к искажению формы тока по сравнению с формой поданного сигнала. Чем ниже расположена точка покоя, т. е. чем меньше постоянная составляющая тока I_о, тем выше КПД У.

 

Работа УЭ с нагрузкой.

Динамические х-ки.

 

Уравнение нагрузочного режима.

 

Включение сопротивления нагрузки в цепь УЭ существенно влияет на его токи и напряжения. Рассмотрим схему бип. VT_е с ОЭ (рис. 2). В цепь источника питания с ЭДС Е_к последовательно включены сопротивление нагрузки R_к и VT. На основании закона Кирхгофа

Е_к = U_кэ + U_н, (1)

где U_кэ и U_н – соответственно напряжения на VT_е и нагрузке в действующих значениях. Т. к. ЭДС источника питания Е_к является постоянной, то с изменением тока I_к, протекающего по сопротивлению R_к, падение напряжения на нем U_н изменится, а значит, напряжение U_кэ также изменится. Эту зависимость в соответствии с уравнением (1) можно выразить следующим образом:

U_кэ = Е_к - I_кR_к (2)

Таким образом, при работе УЭ с нагрузкой в вых. цепи напряжение U_УЭ является функцией вых. тока, который, в свою очередь, меняется при изменении вх. напряжения. Например, ↑_ие прямого напряжения на входе бип. VT_а приведет к возрастанию к_го тока I_к, что вызовет ↑_ие падения напряжения на нагрузке, а напряжение U_кэ соответственно ↓_ся. => при наличии нагрузки вых. ток I_к, являясь функцией вых. напряжения, в свою очередь, приводит к изменению этого напряжения.