ТОП 10:

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 Е1, к выходным точкам – потребитель усиленного сигнала, который будем называть нагрузкой усилительного элемента – Rн. В качестве усилительных элементов (УЭ) используют биполярные и полевые VTы, 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 VTа,т. е. на его Эый переход, включенный в прямом направлении, подадим электрический сигнал Uвх. При этом небольшие изменения вх. напряжения ∆Uвх вызовут значительные изменения вх. тока ∆Iб. Ток коллектора на выходе получит, благодаря этому, приращение ∆Iк = ∆Iб * h21. Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки приращение напряжения Uвых = ∆Iк * Rн = ∆Iб * h21 * Rн

Напряжение ∆Uвых больше, чем напряжение

∆Uвх = ∆IбRвх, так как сопротивление Rн > Rвх, а ток ∆Iк > ∆Iб.

Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению. Мощность на входе Pвх = ∆I2б Rвх, а мощность на выходе Pвых = ∆I2кRн, а так как ∆Iк > ∆Iб и Rн > Rвх, то схема обеспечивает усиление по мощности.

Аналогично можно объяснить принцип усиления с помощью полевого VTа и электронной лампы. При этом в них, работающих обычно без входных токов, управление происходит эффективнее, благодаря тому, что у них громадное Rвх, 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 Pвых, источник питания должен затратить большую мощность Pо, 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 Уым Уам:

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 VTов, как и ЭЛ, криволинейны. Поэтому возможны искажения подобного сигнала, т. е. появление в составе тока Iвх гармоничных и комбинированных ч-т. Отсутствия

искажений сигнала можно добиться, используя участок

х-ки, наиболее близкий к прямой Iб.

На рис. 3,а – это участок АВ на вх. х-ке бип. VTа в схеме с ОЭ. Подадим на вход VTа ~ое напряжение сигнала Uвх = Uвхм * sinωt. При этом вх. ток VTа будет меняться пропорционально изменению напряжения входного сигнала. Для того чтобы при обеих п/волны ~го напряжения. Uвх п/волны ~ой сост-ей тока ίб не выходили за пределы этого прямолинейного участка АВ, на вход VTа необходимо подать прямое постоянное напряжение UБЭО.

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. VTа м. б. задана и постоянным током на входе – током смещения.

При “+”ой п/волне ~го направления сигнала Uвх общее мгновенное напряжение на входе VTа UБЭ = UБЭО + Uвхм * sinωt ↑ся и соответственно ↑ся ток Iб.

При “-”ой п/волне напряжения Uвх, которое является обратным для Эго перехода п-р-п – VTа, общее напряжение на входе VTа UБЭ = UБЭО - Uвхм * sinωt ↓ся и соответственно ↓ся вх. ток IБ.

Результирующий ток на входе (рис. 3, б) является пульсирующим током. Он содержит постоянную составляющую IБО и ~ую сост-ую ίб, которые меняются по закону изменения вх. напряжения сигнала ίб = IБмsinωt. Каждое изменение вх. тока IБ вызывает соответствующее изменение вых. Тока в кой цепи Iк, так как Iк = h21ЭIБ.

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 Iко. При подаче ~го напряжения сигнала на вход VTа в этой же цепи появляется ~ая составляющая кго тока ίк = IКмsinωt.

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 VTа (рис. 4). Точку покоя М выбираем на середине линейного участка АВ путем подачи соответствующего напряжения смещения – напряжения Uио. 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 Iо, 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. VTе с ОЭ (рис. 2). В цепь источника питания с ЭДС Ек последовательно включены сопротивление нагрузки Rк и VT. На основании закона Кирхгофа

Ек = Uкэ + Uн, (1)

где Uкэ и Uн – соответственно напряжения на VTе и нагрузке в действующих значениях. Т. к. ЭДС источника питания Ек является постоянной, то с изменением тока Iк, протекающего по сопротивлению Rк, падение напряжения на нем Uн изменится, а значит, напряжение Uкэ также изменится. Эту зависимость в соответствии с уравнением (1) можно выразить следующим образом:

Uкэ = Ек - IкRк (2)

Таким образом, при работе УЭ с нагрузкой в вых. цепи напряжение UУЭ является функцией вых. тока, который, в свою очередь, меняется при изменении вх. напряжения. Например, ↑ие прямого напряжения на входе бип. VTа приведет к возрастанию кго тока Iк, что вызовет ↑ие падения напряжения на нагрузке, а напряжение Uкэ соответственно ↓ся. => при наличии нагрузки вых. ток Iк, являясь функцией вых. напряжения, в свою очередь, приводит к изменению этого напряжения.

 

 







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-19; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.235.239.156 (0.004 с.)