Основные показатели усилителей. Линейные и нелинейные искажения. Эквивалентная схема усилителя.

Принцип действия усилителя (У) основывается на преобразовании энергии источника питания в энергию сигнала. Основную функцию преобразователя энергии в У выполняет активный усилительный элемент, способный с небольшой входной энергией управлять значительно большей энергией источника питания.

Минимальную часть У, сохраняющую основную функцию – способность усиливать сигналы, называют каскадом усиления (КУ). КУ состоит из усилительного элемента и цепей, обеспечивающих заданный режим элемента и согласование с источником сигнала и нагрузкой.

Источник сигнала – это источник энергии, от которого полезные сигналы поступают на вход усилителя. Это микрофон, звукоснимающая головка, отрезок линии связи, предыдущий каскад.

Нагрузка – это устройство, которое является потребителем усилительных электрич. сигналов, т.е. выходная мощность усилителя выделяется на нагрузке. Это может быть следующий каскад, отрезок линии, громкоговоритель, измерительный прибор.

Источник питания – это источник энергии, за счет которого имеет место усиление элекрич. сигналов. От источника питания У отбирает мощность, которую превращает в мощность усиленных сигналов.

Усилительный элемент – транзистор или лампа. При помощи них имеет место преобразования энергии источника питания в энергию усиленных сигналов.

К основным показателям У относятся коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности.

К входным показателям относятся: I_вх, U_вх, P_вх, R_вх.

R_вх = U_вх / I_вх , P_вх = U_вхI_вх .

К выходным показателям относятся: I_вых, U_вых, P_вых, R_вых.

I_вых = I_Н , U_вых = U_Н , P_вых = I_выхU_вых .

Коэффициенты усиления – это важнейший показатель У.

К_u = U_вых / U_вх , К_i = I_вых / I_вх ,

К_p = P_вых / P_вх .

Как правило, коэфф. усиления измеряются в безразмерных величинах, или в децибелах.

К_i (дБ) = 20lgК_i , К_u (дБ) = 20lgК_u ,

К_p (дБ) = 10lgК_p .

Коэфф. полезного действия η показывает, какая часть потребляемой мощности от источника питания затрачивается на полезный выходной сигнал η = P_вых / P₀ , где P_вых – полезная мощность выходного сигнала, P₀ потребляемая мощность от источника питания.

Хотя У должны усиливать колебания без искажений, в действительности формы входного и выходного колебаний не совпадают. Уровень искажений формы сигналов оценивается коэфф. искажений. Искажения разделяют на линейные и нелинейные. Линейные искажения обусловлены непостоянством АЧХ и ФЧХ. Линейные искажения оцениваются только по АЧХ.

Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью ВАХ. При подаче гармонического колебания на вход У на его выходе будет не только усиленный входной сигнал, но и его высшие гармоники. Эти нелинейные искажения оцениваются коэфф. гармоник

где U_m1, U_m2, U_m3 – амплитуды гармоник 1, 2, 3… на выходе У при гармоническом колебании на его входе.

Дифференциальные усилители.

Усилитель постоянного тока, выход. U которого пропорционально разности напряжений входных сигналов, назыв. дифференциальным усилителем (ДУ).

Основными параметрами ДУ являются:

1. коэфф. усиления напряжения К_U = U_вых / U_вх.

2.коэфф ослабления синфазных входных напряжений К_{ос. сф}, равный отношению коэфф усиления напряжения К_U к коэфф передачи синфазного входного напряжения и характеризующий неидеальность ДУ по синфазной помехе; у идеального ДУ д.б. К_{ос. сф} равно бесконечности.

3. U смещения, характеризующее несимметричность входного каскада ДУ, связанную с несовершенством технологии его изготовления, и равное постоянному диф. напряжению которое необходимо подать на вход, чтобы сбалансировать ДУ, т.е. сделать его выходное направление U_вых равным 0.

4. разность входных токов, также связанная с несимметрией входного каскада ДУ и равная току, который необходимо подать на один из входов, чтобы выходное напряжение установилось равным 0

5. входное сопротивление (дифференциальное) R_вх, определяемое на входных выводах ДУ и равное отношению изменения входного (дифференциального) напряжения к изменению входного тока.

6. выходное сопротивление R_вых (сотни Ом), определяемое на выходных выводах ДУ и равное отношению изменения выходного напряжения к изменению выходного тока.

7. максимальное выходное напряжение U_{вых max} (единицы вольт), при котором не искажается форма выходного сигнала

8. верхняя граничная частота полосы пропускания f_в (около 1 МГц).

Рис. 1.

В такой схеме должно соблюдаться условие U_вх и U_вых = 0.

1. Пусть U_вх = 0 и подключен только источник питания, тогда по цепям протекает пост. ток, устанавливается пост. U, но т.к. обе половины схемы идентичны то I_к01 = I_к02, U_к01 = U_к02.

Значит, потенциал точки А равняется потенциалу точки В и U_вых = 0, условие выполняется.

2. Пусть на вход мы подаем 2 одинаковые по величине и по фазе сигнала (синфазные). Тогда I_к и U_к двух транзисторов изменяются на одинаковую величину, в результате потенциал точки А остается равным потенциалу точки В и U_вых = 0. Значит, ДУ не усиливает, не пропускает на выход синфазный сигнал.

3. Пусть на вход подаем одинаковые по величине, но противофазные сигналы. Тогда, на VT1 положительная полуволна, транзистор закрывается, I_к, U_к падают. На VT2 отрицательная полуволна, VT открыв., I_к, U_к возрастает. Потенциал точки А отличается от потенциала точки В и получаем U_вых, которое является напряжением усиленного сигнала.

Вывод: ДУ усиливает дифференциальный сигнал.

Такое функционирование схемы приводит к следующим положительным моментам.

1. Тот факт, что обе половины идентичны, приводит к тому, что постоянные токи питания в R_э имеют одинаковые направления и слагаются, в результате U_э удвоится, ООС по пост. току глубокая, что приводит к стабилизации рабочего режима.

2. Т.к. на вход подаются два противофазных сигнала, токи этих сигналов через R_э имеют противоположное направление и компенсируются. В результате ООС для полезных сигналов минимальна и не влияет на усиление.

Все помехи, фоны, искажения, дрейф 0 относится к синфазным сигналам. Поэтому ДУ не пропускает их на выходе.

RC-генераторы.

Различают RC -генераторы с инвертирующим и неинвертирующим усилителями.

Инвертир. усилитель вносит фазовый сдвиг φ_к = π. Поэтому фазосдвигающая RC -цепь ОС на частоте генерируемых колебаний также должна вносить фазовый сдвиг φ_н = ± π. Пример такого генератора с трехфазной RC -цепью показан на рис. 1.a.

Рис. 1.

Распространена схема RC -генератора с так называемым мостом Вина (рис. 1.b).

В современных RC -генераторах часто применяют операционные усилители, коэффициент усиления которых значительно больше трех. Для уменьшения коэфф. усиления используют ООС. Эту же ООС используют и для динамического управления коэффициентом усиления, обеспечивающего выполнение баланса амплитуд без захода на нелинейные участки проходной ВАХ усилителя. Заметим, что в RC -генераторах работа усилительного элемента на нелинейном участке ВАХ создает неустранимые нелинейные искаж.

Рис. 2.

На рис. 2 показана схема RC -генератора на операционном усилителе. На неинвертирующий вход усилителя ч/з мост Вина подается напряжение частотно-зависимой положительной ОС. На инвертирующий вход ч/з делитель R1, R2 подается напряжение частотно-независимой ООС. Резистор R2 шунтирован сопротивлением канала полевого транзистора VT1. Сопротивление канала управляется напряжением затвора, равным выпрямленному U с входа генератора.

Когда колебаний нет, напряжение на затворе равно нулю, сопротивление канала мало. При этом глубина ООС минимальна, а коэффициент усиления усилителя максимальный. При росте амплитуды колебаний напряжение на выходе выпрямителя растет и запирает канал. Вследствие этого увеличивается глубина ОС и уменьшается коэфф. усиления до тех пор, пока не будет достигнут баланс амплитуд.

Перестройка RC -генератора выполняется с помощью сдвоенного переменного резистора, одновременно изменяющего величины обоих резисторов моста Вина. Минимальная частота ограничивается конструктивно допустимыми емкостями и максимальными сопротивлениями R, при которых они остаются еще значительно меньше входного сопротивления усилителя. Максимальная частота ограничивается паразитными емкостями и минимальными сопротивлениями, при которых усилитель способен обеспечить нужный коэффициент усиления.

LC-генераторы.

Генераторы с внешней ОС наиболее часто реализуют по 3 ^х -точечной схеме (рис. 1) с применением интегральных усилителей на одном транзисторе. Элементы Z1, Z2 и Z3 образуют резонансный LC -контур и создают частотно-зависимую ОС. В генераторах используются катушки индуктивности и конденсаторы с малыми потерями, поэтому в первом приближении можно учитывать только их реактивные сопротивления. Полагая, что входное сопротивление усилителя значительно больше | Z1 |, получаем коэффициент ОС

(= Z ₁ / (Z ₁ + Z ₃) = X₁ / (X₁ + X₃).

Рис. 1.

Если применен инвертирующий усилитель, как показано на рис. 1, то на резонансной частоте контура, для которой X₁ + X₂ + X₃ = 0, усилитель вносит фазовый сдвиг φ_к (ω₀) = π. При этом для выполнения условия баланса фаз цепь ОС также должна внести фазовый сдвиг, равный π. Очевидно, это имеет место, когда X₁ и X₂ – реактивные сопротивления с противоположными знаками и | X₁ | < | X₂ |. Условие баланса фаз может быть выполнено, если X₁ и X₂ – индуктивные сопротивления, а X₃ емкостное (рис 2.a), либо наоборот X₁ и X₂ – емкостные сопротивления, а X₃ – индуктивное (рис. 2.b).

Рис. 2.

Если же усилитель генератора неинвертирующий, то на резонансной частоте контура он не вносит фазового сдвига и φ_к (ω₀) = 0, поэтому в такой схеме условие баланса фаз будет выполнено, если φ ₍ (ω₀) = 0. Это возможно, если знаки X₁ и X₂ одинаковы, а знак X₂ – противоположный. Получаемые при этом варианты схим показаны на рис 2.с.d.

На частоту генерируемых колебаний оказывает влияние не только цепь ОС, но и параметры усилителей, такие, как входное и выходное сопротивления, ФЧХ коэффициента усиления.

Если помог, напишите [e-mail] ©