Лекция 37 типы усилителей и их особенности.

          7. Межкаскадные связи в усилителях.

Для увеличения коэффициента усиления устройства могут применяться многокаскадные усилители. В этом случае между каскадами, а также между входом усилителя и источником сигнала или же между выходом усилителя и нагрузкой могут осуществляться следующие виды межкаскадных связей:

 1. Резисторно-ёмкостная связь (рис.13.13 а) является наиболее широко распространённой в усилителях переменного напряжения, её можно встретить в радиоприёмных устройствах и магнитофонах.

   Рис.13.13. Резисторно-ёмкостная (а) и гальваническая (б) связь.

2. Гальваническая, или непосредственная, связь (рис.13.13 б)      применяется в усилителях постоянного тока, например, в операционных.

3. Трансформаторная связь (рис.13.14) позволяет осуществить оптимальное согласование между каскадами путём подбора коэффициента трансформации. Такую связь иногда применяют для осуществления гальванической развязки между каскадами, часто используют в импульсных источниках питания для получения из напряжения одной обмотки нескольких различных напряжений многообмоточного трансформатора.

 

                     

                    Рис.13.14. Трансформаторная связь.

 

       Недостатки трансформаторной связи:

- сравнительно большие габариты и вес трансформаторов;

- большие частотные искажения, так как сопротивления обмоток трансформатора зависят от частоты = 𝜔 L, поэтому такая связь применяется на низких частотах и в узком диапазоне;

- параметры магнитопроводов трансформаторов, в особенности величины магнитной проницаемости и индукции, могут значитель-но уменьшиться со временем, а значит, уменьшится индуктивность обмоток, и токи через них возрастут.

 

                    8. Искажения в усилителях.

                  1. Нелинейные искажения сигнала.

Причиной нелинейных искажений сигнала в усилителях является кривизна характеристик усилителей и трансформаторов. В результате нелинейных искажений изменяется форма усиливаемого сигнала. Так, например, испытательный сигнал на выходе усилителя (напряжения или тока) может оказаться несинусоидальным при идеальной синусо-идальной форме его на входе (рис.13.15).

 

                  

Рис.13.15. Испытательный сигнал на входе и выходе усилителя при симметричных нелинейных искажениях.

 

Степень искажений формы выходного испытательного сигнала можно оценить при помощи коэффициента гармоник. Он представляет собой корень квадратный из отношения мощности, выделяемой на активной нагрузке всеми высшими гармониками к мощности создаваемой первой гармоникой :

 

                         = =                                      (13.26)

Для определения амплитуды гармоник выходного тока и напряже-ния разработаны специальные графические и аналитические методы.

Коэффициент гармоник принято выражать в %. У хороших усилителей  = (2 ÷ 5)%. измеряется при помощи специальных измерительных приборов.

 

                 2. Частотные искажения сигнала.

Частотные искажения возникают в усилителях при усилении сложных реальных сигналов, состоящих из совокупности простейших гармонических составляющих. Их называют рабочими частотами реального сигнала. Суть искажений состоит в неодинаковом усилении колебаний различной частоты.

Причиной неравномерности усиления являются реактивные элементы усилителя. К ним относятся колебательные контура, конденсаторы связи, ёмкость монтажа, междуэлектродные ёмкости усилителя, индуктивности и ёмкости трансформаторов. В транзистор-ных усилителях частотные искажения на верхних рабочих частотах могут возникать из-за инерционности свободных носителей заряда.

В результате частотных искажений нарушается нормальное соотношение амплитуд элементарных составляющих усиливаемого сигнала. Поэтому его форма на выходе усилителя оказывается не такой, как на входе, хотя новых частот в составе сигнала не появляется.

Наибольший вред от частотных искажений получается в УНЧ и в импульсных усилителях. Менее ощутимы они в УВЧ и УПЧ.

Наиболее полное суждение о частотных искажениях получается из АЧХ усилителя. Их можно оценивать также при помощи коэффици-ентов частотных искажений. Эти коэффициенты определяют преиму-щественно в УНЧ.

Коэффициент частотных искажений М равен отношению коэффициентов усиления на средних частотах усиления к усилению на заданной частоте:

 

                                        M =                                                  (13.27)

В области средних частот усиление равномерно, т.е. К = и поэтому  = 1. С отходом от этой области частотные искажения возрастают, так как коэффициент усиления изменяется. В области нижних частот он обозначается , а в области верхних частот он обозначается . Сказанное поясняется рис.13.16, где изображена АЧХ УНЧ.

 

 

                Рис.13.16. АЧХ усилителя низкой частоты.

 

Коэффициент частотных искажений часто определяют на гранич-ных рабочих частотах и . Обозначим их соответственно  и . Обычно допустимо иметь:

 

                         ≈  ≤                                                 (13.28)

 

Спектр частот, заключённый между граничными частотами и , называют полосой пропускания усилителя и обозначают ∆f. Тогда:

 

                                 ∆f = -                                                  (13.29)

 

Полоса пропускания усилителя является условной величиной, так как его граничные частоты могут соответствовать различным коэф-фициентам частотных искажений. Если допустимо иметь:

 

                          =  =                                                   (13.30)

 

то тогда на граничных частотах:

 

                =  = = 0,707                                  (13.31)

Такой метод определения граничных частот усилителя, а следо-вательно, и его полосы пропускания очень распространён.

 

                       3. Фазовые искажения сигнала.

Фазовые искажения возникают в усилителях одновременно с частотными искажениями, так как обуславливаются одними и теми же элементами схемы. Они нарушают нормальные фазовые сдвиги между различными гармоническими составляющими усиливаемого сигнала и дополнительно изменяют его форму (рис.13.17).

Ухо человека фазовых искажений не воспринимает. Поэтому при расчёте усилителя звуковой частоты фазовые искажения обычно не учитывают. В усилителях импульсных сигналов фазовые искажения могут явиться одной из причин изменения формы усиливаемого импульса.

 

 

Рис.13.17. Искажения выходного сигнала, вызванные временным сдвигом отдельных гармоник.

 

 

                 9. Резонансные усилители.

Резонансные усилители необходимы для усиления радиочастотных сигналов.

Резонансными называютусилители, в которых в качестве сопротивления нагрузки транзистора, электронной лампы или операци-онного усилителя используется последовательный или параллельный колебательный LC - контур, настроенный в резонанс с частотой усили-ваемых колебаний.

Резонансный усилитель имеет ряд преимуществ по сравнению с RC-усилителем:

- его входная и выходная ёмкости, а также ёмкость монтажа компенси-руются настройкой контура в резонанс, поэтому сопротивление нагрузки, равное эквивалентному сопротивлению контура, может быть большим и обеспечивать большое усиление;

- на сопротивлении нагрузки нет падения постоянного напряжения, поэтому сопротивление нагрузки может быть очень большим;

- обладает частотной избирательностью, определяемой АЧХ контура нагрузки.

На рис. 13.18 приведена типичная схема одноконтурного транзистор-ного резонансного усилителя с автотрансформаторной связью контура с транзистором следующего каскада. Частичное включение транзистора в контур используется с целью уменьшения шунтирующего влияния его

                         

Рис. 13.18. Электрическая схема одноконтурного резонансного усилителя.

 

выходного сопротивления и сопротивления нагрузки на эквивалентное сопротивление контура, а также для согласования входного и выходного сопротивлений транзистора и нагрузки.

Коэффициенты включения определяются по формулам:

                                   =                                                      (13.32)

                                       =                                                      (13.33)

где  - число витков до отвода к коллектору транзистора;

    - общее число витков в катушке контура;

 - число витков до отвода к нагрузке.

   Требования наилучшего согласования транзистора и нагрузки, т.е. обеспечения наибольшего коэффициента усиления, приводит к сильному шунтированию контура и значительному снижению его частотной изби-рательности. Для сохранения требуемой избирательности контура коэф-фициенты включения и уменьшают, при этом коэффициент усиления и КПД каскада также снижаются. Если выходное сопротивление активного элемента большое (в лампах, полевых тран-зисторах и некоторых типах биполярных транзисторов), то можно использовать полное включение колебательного контура в выходную цепь активного элемента (рис. 13.19).

                            

Рис. 13.19. Резонансный усилитель с полным включением контура.

 

Полное (комплексное) эквивалентное сопротивление резонансного контура складывается из параллельно включённых емкостного сопротивления эквивалентной ёмкости   и индуктивного сопротивле-ния катушки индуктивности колебательного контура.

Для резонансного контура важны следующие величины:

- резонансная частота

                                      =                                         (13.34)                    

- характеристическое или волновое сопротивление

                                    =                                               (13.35)

 

- относительная расстройка

 

                          α = (  -  )                                             (13.36)                                      

 где  – текущая частота

- собственная добротность

- эквивалентное затухание контура

                                     =                                                      (13.37)

На резонансной частоте контура  = ; α = 0;  = .

При резонансе коэффициент усиления становится чисто действитель-ным, так как в этом случае  = представляет собой чисто активное сопротивление.

АЧХ резонансного усилителя приведена на рис. 13.20. АЧХ имеет колоколообразную форму с максимумом на резонансной частоте .

                   

                 Рис. 13.20. АЧХ резонансного усилителя.

 

Полоса пропускания контура определяется по формуле:

 

                                          ∏ = 2∆𝜔 =                                     (13.38)

Из формулы видно, что полоса пропускания уменьшается при увеличении добротности и уменьшении резонансной частоты контура.

Резонансный усилитель обладает частотной избирательностью. Пусть, например, на вход усилителя подаётся полезный сигнал на резонансной частоте усилителя и сигнал помехи на частоте  + ∆ , отстоящей от резонансной на . В этом случае усиление полезного сигнала и помехи будет различным.