Назад - Авиационный техникум имени В.А. Казакова
реклама
учебник Электронный Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение Среднего профессионального образования Жуковский авиационный техникум имени В.А.Казакова Г.И.Коваль Д.В.Гусев Ю.Е.Шестаков 2008 Предисловие Электронная техника стала неотъемлемой частью современной цивилизации и включает в себя огромное число специализированных областей, к числу которых относятся электронные усилители. Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, в вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, внедрение компьютерной техники в системы управления технологическими агрегатами требует применения линий связи, техники усиления и преобразования информации, поступающей от датчиков в компьютер и от компьютера к исполнительным механизмам и т.д. Настоящий учебник предназначен для студентов техникума, обучающихся на специальности 210306 “Радиоаппаратостроение” по дисциплине ”Усилительные устройства”. Теоретический курс по дисциплине составляет 44 часа, лабораторные работы-20 часов. Данный курс опирается и тесно взаимодействует с такими дисциплинами, как “Физика”, “Математика”, “Информатика”, “Электротехника”, “Электронная техника”, “Электрорадиоизмерения”, “Радиотехнические цепи и сигналы”. Особенность настоящего учебника заключается в том, что рассмотрение различных вопрос проводится на основе двух направлений: традиционном изложении текста и использовании анимированных иллюстраций, поясняющих и объясняющих суть излагаемых явлений. Использование такого материала основано на применении персонального компьютера, позволяющего просмотреть и изучить излагаемую информацию. Такой метод позволяет глубже понять и усвоить физическую сущность процессов, протекающих в электронных усилителях. В этой связи настоящий материал является электронным учебником, который может использоваться студентами для самостоятельной подготовки, может быть рекомендован для дистанционного обучения. Вперед 2 Этот учебник призван активизировать самостоятельную работу обучаемых, яркие и разнообразные иллюстрации, анимации, звуковые сопровождения текста увлекают, заинтересовывают, вырабатывают навыки самостоятельной работы. Материал в учебнике излагается так, чтобы студент мог постепенно, по частям анализировать и усваивать процессы и закономерности в работе усилителей. Каждый преподаватель может использовать настоящий учебник посвоему, опираясь на свой педагогический опыт и методику использования компьютерных технологий в учебном процессе. Лабораторные работы в этом учебнике не приводятся. Они разработаны ранее в компьютерном варианте: составлены программы компьютерного моделирования, описания лабораторных работ, полная методика для проведения пяти четырёхчасовых работ по следующим темам: 1.Исследования качественных показателей электронного усилителя на ИМС. 2.Исследования влияния параметров Ср, С0 и Rн на качественные показатели УНЗЧ. 3.Исследования однотактного и двухтактного УМЗЧ. 4.Исследования усилителя с отрицательной обратной связью. 5.Исследования схемы УНЗЧ с корректирующими цепями. Методическое пособие по лабораторным работам издано отдельной книгой, программы для лабораторных исследований установлены на компьютерах специальности в радиолаборатории техникума. Настоящий учебник может быть использован и для контроля работы каждого обучаемого преподавателем, и для самоконтроля понимания и усвоения студентами изучаемого материала, так как в каждой главе учебника помещены вопросы, задачи с объяснением их решения и задачи без ответов. Назад Вперед 3 ГЛАВА 1 Общие сведения об усилителях 1.1 Структурная схема усилителя В большинстве радиотехнических устройств необходимо обеспечить усиление электрических сигналов. Для этих целей используют устройства, называемые усилителями. Усилитель предназначен для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведённого к его входу. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник энергии (рисунок 1.1) Рисунок 1.1 Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя PВХ, в качестве источника сигнала может использоваться любой преобразователь какого-либо вида энергии в электрические колебания, например микрофон, магнитная головка, звукосниматель, датчик, радиотехническое устройство. От источника питания (ИП) усилитель отбирает мощность P0, необходимую для усиления входного сигнала. Выходная мощность усиленного сигнала PН выделяется на активной части нагрузки. Назад Вперед 4 В простейшем случае усилитель имеет один каскад, но если требуется большое усиление, которое не удаётся обеспечить с помощью одного усилительного каскада, то используется схема многокаскадного усилителя, которая состоит из нескольких последовательно включенных усилительных каскадов. Слабый входной сигнал усиливается с помощью каскадов предварительного усиления. При самом высоком уровне сигнала в усилителе обычно работает оконечный каскад усиления, а иногда и предоконечный каскад усиления, которые должны обеспечить этот высокий уровень. Для передачи сигнала от одного каскада усиления к другому в многокаскадном усилителе используют цепи межкаскадной связи, которые обычно бывают с непосредственной (рисунок 1.2), емкостной (рисунок 1.3) и трансформаторной (рисунок 1.4) связями. Рисунок 1.2 Назад Вперед 5 Рисунок 1.3 Рисунок 1.4 Усилительные устройства имеют различную конструкцию и разный внешний вид. На рисунках (1.5-1.21) приводятся различные усилительные устройства. Назад Вперед 6 Усилитель НЧ 12Вт Усилитель НЧ 2Вт Рисунок 1.5 Рисунок 1.6 Микрофонный усилитель Назад Рисунок 1.7 Вперед 7 Микрофонный усилитель (двухканальный). Усилитель НЧ 140 Вт (TDA7293, Hi-Fi) Рисунок 1.8 Рисунок 1.9 Усилитель НЧ 8 Вт Усилитель видеосигнала Рисунок 1.10 Рисунок 1.11 Назад Вперед 8 Предварительный усилитель с балансными входами (двухканальный) Рисунок 1.13 Универсальный усилитель НЧ 18 Вт Размеры модуля 61х35х23 мм. Модуль имеет корпус Рисунок 1.12 Усилитель НЧ 200 Вт (TDA2030, мост) Назад Рисунок 1.14 Вперед 9 Усилитель НЧ 50Вт. Рисунок 1.15 Усилитель НЧ 80 Вт с радиатором площадью 200 см2 Рисунок 1.16 Размеры печатной платы 46x32 мм. Технические характеристики: напряжение питания, В двуполярное, +10 : +30 ; пиковое значение выходного тока, А 8; ток в режиме покоя, мА 60; долговременная выходная мощность, Вт 50 Вт; Назад Рису нок 1.17 Вперед 10 Усилитель НЧ 2Х40Вт. Размеры печатной платы 83x24 мм. Технические характеристики: напряжение питания, В 6:18, типовое 14,4; пиковое значение выходного тока, А 7,5; ток в режиме покоя, мА 120; долговременная выходная мощность, Вт 2х40 Вт; Рисунок 1.18 Активный фильтр НЧ Размеры печатной платы 37x27 мм. Технические характеристики: напряжение питания, В 3:32;ток потребления, мА 6; частота среза, Гц 100; усиление в полосе пропускания, дБ 6; затухание вне полосы пропускания Рисунок 1.19 Назад Вперед 11 Усилитель НЧ 40 Вт Размеры модуля 61х35х23 мм. Технические характеристики: напряжение питания, В 6:16; максимальная выходная мощность, Вт 40; сопротивление нагрузки, Ом 4:8; диапазон воспроизводимых частот, Гц 20:25 000; чувствительность, мВ 500. Усилитель НЧ 70 Вт Рисунок 1.21 Рисунок 1.20 Назад Вперед 12 1.2Классификация усилителей Усилители (рисунок 1.22-1.29), используемые в современных устройствах, отличаются параметрами, назначением, характером усиливаемых сигналов и т.д. Усилитель НЧ 0,7 Вт Рисунок 1.22 Микрофонный усилитель Рисунок 1.24 Назад Усилитель НЧ 32 Вт Рисунок 1.23 Мостовой автоусилитель Рисунок 1.25 Вперед 13 Стереоусилитель Усилитель видеосигнала Рисунок 1.27 Рисунок 1.26 Предварительный усилитель с эквалайзером (стерео) Рисунок 1.28 Микрофонный усилитель (в комплекте с микрофоном) Рисунок 1.29 Назад Вперед 14 По характеру усиливаемого сигнала усилители можно разделить на две группы: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. Усилители гармонических сигналов (гармонические усилители) предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов, которые можно представить суммой гармонических колебаний. Усилители импульсных сигналов (импульсные усилители) предназначены для сигналов, уровень которых меняется настолько быстро, что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала. По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот можно выделить следующие группы усилителей: Усилители постоянного тока, усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала (в УПТ низшая пропускная частота равна нулю); Усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую сигнала. Эти усилители в зависимости от абсолютных значений частот fНЧ и fВЧ делятся на следующие группы: Усилители звуковых частот (УЗЧ), пропускающие полосу частот от 16Гц до 20кГц; Усилители высокой частоты (УВЧ) – избирательные усилители, f в ч / f нч 1 характерным для них является отношение ; значения усиливаемых частот выше диапазона звуковых частот; Усилители видеочастот, работающие в полосе частот от 50Гц до 60Мгц; Усилители инфранизких частот, обеспечивающие усиление колебаний с частотами доли герца. По типу усилительного элемента различают транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые, магнитные усилители. По назначению усилители подразделяются на трансляционные, микрофонные, магнитофонные, телевизионные, измерительные, проводного вещания, линейные, логарифмические, дифференциальные и т.д. Назад Вперед 15 По конструктивному выполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, т.е. способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники. Приведенные классификационные признаки являются далеко не единственными. В настоящее время разнообразие видов усилителей настолько велико, что для объединения их в отдельные самостоятельные группы можно использовать большое число разнообразных признаков. Например, можно подразделять усилители по электрическому параметру усиливаемого сигнала. Используя этот классификационный признак, усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности. Если взять за основу число усилительных каскадов, то усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные. Усилители можно подразделять исходя из наиболее характерных для них свойств, например, малошумящий усилитель, высоколинейный, высокостабильный и т.д. Назад Вперед 16 Контрольные вопросы 1. Для чего используются усилительные устройства? 2. Для чего в схеме усилителя используется источник питания? 3. По каким принципам классифицируются электронные усилители? 4. Отношение верхней частоты усиливаемых сигналов к нижней составляет f в ч / f нч 1000. К какому типу следует отнести данный усилитель? 5. Почему усилители постоянного тока правильнее называть усилителями медленно меняющегося напряжения или тока? 6. Является ли усилителем повышающий трансформатором? 7. На сколько групп можно разделить усилители по конструктивному выполнению? Назад Вперед 17 ГЛАВА 2 Основные показатели усилителей 2.1 Перечень показателей усилителей Важнейшими техническими показателями усилителей являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала. 2.2 Коэффициенты усиления Коэффициентом усиления усилителя (К) называется величина, показывающая во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше, чем на его входе. Рисунок 2.1 Назад Вперед 18 К коэффициентам усиления принадлежат: - коэффициент усиления напряжения КU U в ых ; Uвх - коэффициент усиления тока КI I в ых ; Iвх - коэффициент усиления мощности Кр Рв ых Рв х Коэффициент усиления (К) – величина безразмерная. Значение коэффициента усиления у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев недостаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой амплитуды. Тогда прибегают к последовательному включению ряда усилительных каскадов (рисунок 2.1). Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов К общ К1 К 2 К 3 ... К n Или К общ Или U в ых3 U в х1 К1 К 2 К 3 Назад , U в ых1 U в ых2 U в ых3 U в ых3 U в х1 U в х2 U в х3 U в х1 Вперед 19 Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, используется выражение показателей усиления в логарифмических единицах – децибелах (дб). Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, равен Коэффициентом усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженных в децибелах: К общ,дб К1,дб К 2,дб К 3,дб ... К n ,дб Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражений: для Ku и Ki и для Kp Например, если Ku,дб = 1, то или если Ku,дб = 40, то Назад К u 10 K u 10 КU ,дб 20 40 20 10 1 20 1,12 10 2 100 Вперед 20 2.3 Входное и выходное сопротивления Усилитель одновременно является нагрузкой для источника входного сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки Rн, причем нагрузкой усилителя может быть не только оконечное устройство (потребитель), но и вход следующего каскада усилителя. Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя (см. рисунок 2.1) Выходное сопротивление Rвых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки Rн. 2.4 Выходная мощность При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении. Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов. Поэтому чаще всего усилитель характеризуют максимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, что искажения не превышают заданной (допустимой) величины. Эта мощность называется номинальной выходной мощностью усилителя. Назад Вперед 21 2.5 Коэффициент полезного действия Этот показатель особенно важно учитывать для усилителей средней и большей мощности, так как он позволяет оценить их экономичность. Численно КПД равен , где P0- мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания. 2.6 Номинальное входное напряжение (чувствительность) Чувствительностью называется напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Входное напряжение зависит от типа источника усиливаемых колебаний. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающего требуемую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя. Подача на вход усилителя напряжения, превышающего номинальное, приводит к значительным искажениям сигнала и называется перегрузкой со стороны входа. 2.7 Диапазон усиливаемых частот Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания усилителя, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям. Допустимые изменения коэффициента усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначения и условий работы усилителя. С расширением полосы пропускания возрастает стоимость аппаратуры и усложняется её конструкция. Кроме того, может увеличиваться воздействие на усилитель различного вида помех. Поэтому обычно частотный диапазон усилителя сужают до минимальных пределов, обеспечивающих необходимое качество работы усилителя. Назад Вперед 22 2.8 Уровень собственных помех усилителей. Динамический диапазон амплитуд. Причины возникновения помех на выходе усилителя различны. Причины возникновения помех можно разделить на три группы Шумы усилительных элементов Тепловые шумы Помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей Тепловые шумы В проводниках и полупроводниках электроны движутся хаотически в разных направлениях. Преимущественное движение электронов в любом направлении является электрическим током и, следовательно, при этом создается напряжение, не подчиняющееся какому-либо определенному закону, его назвали напряжением шумов. Оно имеет самые различные частоты и фазы, поэтому охватывает всю полосу частот усилителя. Шум тем больше, чем выше температура и больше величина сопротивления цепи, которая создает напряжение тепловых шумов. Вычисления показывают, что величина напряжения тепловых шумов очень мала, они сказываются лишь при больших коэффициентах усиления. Назад Вперед 23 Шумы усилительных элементов Напряжение шумов может возникать из-за неравномерности движения носителей электрических зарядов через усилительный элемент. Это явление называют дробовым эффектом. Помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей Уменьшение этих помех может быть достигнуто применением дополнительных сглаживающих фильтров на выходе источников питания и тщательной экранировкой наиболее ответственных цепей усилителя (главным образом входных) Графическая зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристики (рисунок 2.2) Рисунок 2.2 Амплитудная характеристика реального усилителя без заметных искажений напряжения не ниже Uвхmin и не выше Uвхmax (участок АВ на рисунке 2.2) Назад Вперед 24 2.9 Искажения в усилителях При усилении электрических сигналов могут возникать нелинейные, частотные и фазовые искажения. Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов (ламп, транзисторов), а также характеристик намагничивания транзисторов и дросселей с сердечниками. Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрируется на рисунке 2.3 Рисунок 2.3 Предположим , что на вход усилителя подан сигнал синусоидальной . формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою форму по сравнению с входным сигналом Назад Вперед 25 Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний основной частоты и высших гармоник. Таким образом, в результате искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник) % I 22 I 32 ... I n2 *100% I1 U 22 U 32 ... U n2 *100%, U1 где I1(U1), I2(U2), I3(U3) и т.д. – действующие (или амплитудные) значения первой, второй, третьей и т.д. гармоник тока (напряжения) на выходе усилителя. Если усилитель – многокаскадный, то %общ 1 % 2 % ... n %, где 1 %, 2 %,..., n % нелинейные искажения, вносимые каждым каскадом усилителя. Допустимая величина коэффициента нелинейных искажений всецело зависит от назначения усилителя. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей собой зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. В зависимости от типа и назначения усилителя формы частотных характеристик могут быть различными. Для примера на рисунке 2.4 показана примерная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) УЗЧ Назад Вперед 26 Рисунок 2.4 При построении АЧХ частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе (lg f), если частоту отложить в линейном масштабе, то такая характеристика будет неудобной для пользования, так как все нижние частоты будут очень сжаты у самого начала координат, а область верхних частот окажется слишком растянутой. Частотные искажения - степень отклонения реальной частотной характеристики от идеальной. Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте К0 к коэффициенту усиления на данной частоте Kf М К0 Кf Обычно небольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот fн и fв. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны Мн Назад К0 ; Кн Мв К0 , Кв где Вперед 27 Кн и Кв – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов М оьщ М 1 * М 2 * М 3 * ... * М n Коэффициент частотных искажений, так же как и коэффициент усиления, удобно выражать в децибелах: М дб 20 * lg М В случае многокаскадного усилителя М общ,дб М 1,дб М 2,дб ... М n ,дб Следует иметь в виду, что частотные искажения в усилителях всегда сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным сигналами, т. е. фазовыми искажениями. При этом под фазовыми искажениями обычно подразумевают лишь сдвиги, создаваемые реактивными элементами усилителя, а поворот фазы самим усилительным элементом во внимание не принимается. Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике, представляющей собой график зависимости угла сдвига фазы φ между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты f (рисунок 2.5) Назад Рисунок 2.5 Вперед 28 Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая, начинающаяся в начале координат (красная линия на рисунке). Фазочастотная характеристика реального усилителя имеет вид, показанный на рисунке другим цветом. Назад Вперед 29 Примеры решения задач Задача №1 Дан усилитель, у которого коэффициент усиления по напряжению Кu=10, входное сопротивление Rвх=10 кОм и сопротивление нагрузки Rн=100 Ом. Рассчитать коэффициент усиления по мощности. Решение 1. Известно, что 2 U в2х U в Рв х (1) и Рв ых ых (2) Rв х Rн Рв ых (3) Рв х 3. Подставим в выражение (3) величины (1) и (2), будем иметь: 2. Тогда К р 2 U вых Rвх Кр (4) Rн U вх2 4. Так как 2 U вых 2 2 K 10 100, U 2 U вх выражение (4) будет: 100 Rвх 100 10 103 Кр 10 4 Rн 100 Ответ: Назад Кр=10 4 Вперед 30 Задача №2 Найти амплитуду напряжения на выходе усилителя, если на входном -8 сопротивлении Rвх=0,5 кОм действует мощность, Pвх=10 Вт, а коэффициент усиления по напряжению усилителя Кu=40дб. Решение 1. Переводим 40дб в безразмерные величины: КU 10 К ,дб 20 2. Известно, что Рв х 10 40 20 10 2 100 U в2х , отсюда определяем Rв х U вх Рвх Rвх 10 8 Вт 0,5 103 Ом 5 10 6 2,2 10 3 В 0,0022 В 3. Определяем Uвых: U вых КU U вх 100 0,0022 0,22В Ответ: Uвых =0,22В Назад Вперед 31 Задача №3 Дан усилитель Определить Кобщ,дб усилителя Решение 1. Переводим 40дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК1, тогда 40дб=20lgК1, сокращаем на 20, 2 получаем 2=lgК1, следовательно, К1=10. 2. Переводим 80дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК4, тогда 80дб=20lgК4, сокращаем на 20, 4 получаем 4=lgК4, следовательно, К4=10. 3. Рассчитываем Кобщ: К общ К1 К 2 К 3 К 4 10 2 10 10 2 10 4 109 4. Рассчитываем Кобщ,дб: Кобщ,дб 20 lg 109 20 9 180дб Ответ: Кобщ,дб =180дб Назад Вперед 32 Задача №4 Определить КПД усилителя, если мощность, отдаваемая в нагрузку Рн=10 Вт (Рвых). Мощность, потребляемая всеми цепями усилителя, Рп=2 Вт. Решение Рв ых КПД 100% Р Рв ых 100% Рв ых РП 10 Вт 100% 10 Вт 2 Вт 10 Вт 100% 12 Вт 0,833 100% 83,3% Ответ: КПД=83,3% Назад Вперед 33 Задача №5 Дан усилитель Решение 1. Переводим 60дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК1, тогда 60дб=20lgК1, сокращаем на 20, 3 получаем 3=lgК1, следовательно, К1=10. 2. Рассчитываем Кобщ: К общ U в ых 10 В 6 2 10 U в х 5 10 6 В 3. Перемножаем все К, т. е. находим К1,3,4: К1,3, 4 К1 К 2 К3 103 5 10 5 104 4. Находим К2: К2 К общ К1,3, 4 2 106 20 105 4 10 40 4 4 5 10 5 10 Ответ: К2 =40 Назад Вперед 34 Задача №6 Дан усилитель Решение 1. Переводим 20дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК2, тогда 20дб=20lgК2, сокращаем на 20, получаем 1=lgК2, следовательно, К2=10. 2. Рассчитываем Кобщ: Кобщ К1 К 2 К3 100 10 10 104 3. Находим Uвых: U вых U вх Кобщ 2 103 В 104 20В Ответ: Uвых =20В Назад Вперед 35 Задача №7 Найти коэффициент частотных искажений М на частоте f, если КU(f)=20 и КU,ср=25. Решение М КU ,ср КU 25 1,25 20 Ответ: М= 1,25 Назад Вперед 36 Задача №8 Найти коэффициент гармоники γ %, если амплитуда напряжения первой гармоники Um1=10В, а амплитуда напряжения второй гармоники Um2=1В. Решение U2 1 % 100% 100% 0,1 100% 10% U1 10 Ответ: γ = 10% Назад Вперед 37 Задача №9 Определить Кр,дб усилителя, если Rвх=1 кОм, Uвх=0,5В, Rн=4 Ом, Uвых=10В Решение Рвых 1. К р Рвх 2. Находим Рвых: 2 Рв ых U в ых 10 2 100 25 Вт Rн 4 4 3. Находим Рвх: 2 U 0,25 3 Рв х в х 0 , 25 10 Вт 3 Rв х 1 10 4. Определяем Кр: Рвых 25 25000 5 Кр 1 10 Рвх 0,25 10 3 0,25 5. Находим Кр,дб: К р,дб 10 lg 105 10 5 50дб Ответ: Кр,дб =50дб Назад Вперед 38 Задача №10 Дан усилитель, АЧХ которого имеет вид (рисунок 1) Рисунок 1 Определить коэффициент частотных искажений на f=100 Гц и f=10 кГц. Решение 1. Из графика определяем Кср=100, 2. К на f=100 Гц=70=Кн 3. К на f=16 кГц=80=Кв 4. Определяем Мн: К ср 100 Мн 1,428 Кн 70 5. Определяем Мв: К ср 100 Мв 1,25 Кв 80 Ответ: Мн=1,428; Мв=1,25 Назад Вперед 39 Задача №11 Дан усилитель Определить К2,дб Решение 1. Переводим 40дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК1, тогда 40дб=20lgК3, сокращаем на 20, получаем 2=lgК3, следовательно, К3=100. 2. Определяем К1,3 усилителя: К1,3 К1 К3 10 100 103 3. Определяем Кобщ усилителя: 10 В 7 К общ 10 110 6 В 4. Определяем К2: К общ 107 К2 3 104 К1 К 3 10 5. Выражаем К2 усилителя в дб: К2,дб 20 lg 104 20 4 80дб Ответ: Назад К2,дб=80дб Вперед 40 Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. Что такое коэффициент усиления усилителя? В каких единицах выражается коэффициент усиления усилителя? Определить КU,дб усилителя, если Uвх=50мВ, Uвых=2,5В. Имеется усилитель, содержащий два одинаковых каскада усиления. Общий коэффициент усиления усилителя равен 40 дб. Определить в безразмерных величинах коэффициент усиления одного каскада усилителя. Что такое выходная мощность усилителя? Как определяется КПД усилителя? Какой усилитель лучше и почему, если чувствительность первого равна 200 мВ, а чувствительность второго - 600 мВ? Какие причины возникновения помех в усилителях вам известны? В чём причина нелинейных искажений в усилителях? Нарисуйте Uвых усилителя с разными искажениями. Оцените их. Что такое АЧХ усилителя? Какой она должна быть в идеале? Определите Мв, если Кср = 17, а Кв = 8,5. В чём причина возникновения частотных искажений в усилителях? Определить Мобщ трёхкаскадного усилителя, если М1=1,5; М2=1,2 и М3=1,4. Как определяется коэффициент усиления многокаскадного усилителя? Назовите формулы для определения коэффициента усиления усилителя. Напишите формулы для определения входного и выходного сопротивления усилителя. На какие показатели усилителя влияет величина КПД? Что такое чувствительность усилителя? Укажите частотный диапазон усиливаемых сигналов для УЗЧ. Перечислите искажения и причины их вызывающие в усилительных каскадах. Назад Вперед 41 ГЛАВА 3 Общая теория обратной связи 3.1 Общие определения 3.1.1 Обратной называется связь, при которой происходит передача сигнала (напряжения, тока) из выходной цепи усилителя во входную цепь усилителя. Рисунок 3.1 В усилительных устройствах обратная связь (ОС) используется для уменьшения искажений, повышения стабильности усиления и режима работы усилительных элементов. В узле 1 (рисунок 3.1) складываются сигналы (напряжения, тока), поступающие от источника сигнала и с выхода усилителя. 3.1.2 Если фазы этих сигналов совпадают, то общий их уровень становится выше, чем уровень первоначального сигнала, как в точке 1, так и в точке 2 – в этом проявляется влияние положительной ОС (ПОС). 3.1.3 При противоположной фазе поступающего с выхода на вход сигнала имеет место отрицательная ОС (ООС), вносящая ослабление. Назад Вперед 42 3.1.4 В современных усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь (ООС). Если элемент обратной связи является неотъемлемой частью усилителя, то такая обратная связь называется внутренней. При введении внешней обратной связи структурная схема усилительного устройства содержит два четырёхполюсника – усилитель и цепь обратной связи (рисунок 3.1). 3.1.5 Способы соединения между собой этих четырёхполюсников определяют вид обратной связи, структурные схемы которых изображены на рисунках 3.2-3.9. Рисунок 3.2 Назад Вперед 43 Рисунок 3.3 Последовательная по входу обратная связь Рисунок 3.4 Назад Вперед 44 Параллельная по входу обратная связь Рисунок 3.5 По выходу обратная связь по току Рисунок 3.6 Назад Вперед 45 По выходу обратная связь по напряжению Рисунок 3.7 Комбинированная по выходу обратная связь Рисунок 3.8 Назад Вперед 46 Структурная схема усилителя с ОС последовательной по току Рисунок 3.9 Назад Вперед 47 3.2 Влияние обратной связи на характеристики и искажения усилителя 3.2.1 Для вывода формулы коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью, воспользуемся структурной схемой (рисунок 3.10). Рисунок 3.10 Uвхр - это результирующее входное напряжение, которое получается после поступления на вход усилителя напряжения обратной связи (Uос или Uβ), т.е. UВхр=UВх+Uос= =UВх+Uβ Назад Вперед 48 Назад Вперед Рисунок 3.11 49 3.2.2 Особое значение для работы усилительной схемы имеет стабильность коэффициента усиления. Следует отметить, что при работе усилителя его коэффициент усиления может изменяться вследствие ряда причин. Например, непостоянство напряжения источников питания, температуры, давления или влажности окружающей среды, старение усилительных элементов и деталей и т.п. Рассмотрим, как будет влиять отрицательная обратная связь на изменение коэффициента усиления на примере. Пусть усилительный каскад с коэффициентом усиления К=80 охвачен отрицательной обратной связью, причем коэффициент передачи цепи обратной связи β=0,2. Коэффициент усиления каскада с обратной связью составляет Предположим далее, что коэффициент усиления К изменился (увеличился) на 10%. Тогда коэффициент усиления каскада с обратной связью составит ' Следовательно, при использовании отрицательной обратной коэффициент усиления каскада изменился менее чем на 1%. связи Таким образом, отрицательная обратная связь препятствует любым изменениям величины коэффициента усиления. Назад Вперед 50 3.2.3 При введении последовательной отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя возрастает в (1+βК) раз. Это объясняется тем, что напряжение обратной связи Uβ вычитается из напряжения Uвх, поступающего на вход сигнала, и поэтому ко входу самого усилителя приложено разностное напряжение Uвх = Uвх - Uβ. В результате входной ток усилителя уменьшается, а входное сопротивление возрастает, что, как правило, благоприятно сказывается на работе усилителя. 3.2.4 Отрицательная обратная связь уменьшает нелинейные искажения и помехи, возникающие лишь в той части усилителя, которая охвачена обратной связью. Докажем это графическим способом (рисунок 3.12). Рисунок 3.12 3.2.5 Введение отрицательной обратной связи позволяет получить более равномерную амплитудно-частотную характеристику усилителя (рисунок 3.13). Назад Вперед 51 Рисунок 3.13 Частотные искажения Мн и Мв в усилителе с отрицательной обратной связью значительно уменьшаются и полоса пропускания (f) расширяется (рисунок 3.13). Назад Вперед 52 Примеры решения задач Задача №1 Усилитель состоит из трёх каскадов, коэффициент усиление которых соответственно равен К1=20, К2=30, К3=15. Последние два каскада охвачены отрицательной обратной связью, причем β=0,3. Найти общий коэффициент усиления. Ответ выразить в децибелах. Решение 1. Определяем коэффициент усиления второго и третьего каскадов: К 2,3 К 2 К 3 30 15 450 2. Определяем коэффициент усиления второго и третьего каскадов с ООС: К 2,3( оос) 450 450 450 3,3 1 0,3 450 1 135 136 3. Определяем Кобщ усилителя: К общ К1 К 2,3( оос) 20 3,3 66 4. Определяем Кобщ,дб: К общ,дб 20 lg К общ 20 lg 66 20 1,81 36,2дб Ответ: Кобщ,дб=36,2дб Назад Вперед 53 Задача №2 Рассчитать коэффициент усиления по напряжению усилителя, в котором действует последовательная отрицательная обратная связь по току, если Uвх=1мВ, Uвых=2В, и Uос=9мВ. Решение 1. Определяем коэффициент обратной связи: U ос 9 мВ 4,5 10 3 U в ых 2В 2. Определяем коэффициент усиления усилителя без обратной связи: U вых 2 В 2 3 К 2 10 U вх 1мВ 110 3 3. Определяем коэффициент усиления усилителя с обратной связью: К оос К 2 103 2 103 3 3 1 К 1 4,5 10 2 10 1 9 2 103 200 10 Ответ: Назад Кобщ=200 Вперед 54 Задача №3 Дан усилитель с ОС Определить напряжение на выходе усилителя Решение 1. Переводим 20дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК2, тогда 20дб=20lgК2, сокращаем на 20, получаем 1=lgК3, следовательно, К3=10. 2. Переводим 60дб в безразмерные величины: известно, что Кдб=20lgК4, тогда 60дб=20lgК4, сокращаем на 20, получаем 3=lgК4, следовательно, К4=1000. 3. Определяем К2 усилителя с ООС: К 2оос 10 10 9,09 1 0,0110 1,1 4. Определяем К5 усилителя с ПОС: Назад Вперед 55 К5 50 50 К 5 ПОС 100 1 К 5 1 0,01 50 0,5 5. Определяем: К1 К 2оос К3 5 9,09 20 909 6. Определяем коэффициент усиления первых трех каскадов с ООС: 909 909 К (1, 2,3) оос 9,89 1 0,1 909 1 90,9 7. Определяем общий коэффициент усиления усилителя: К общ К (1, 2,3)ООС К 4 К 5 ПОС 9,89 103 10 2 9,89 105 8. Определяем Uвых: U в ых U в х К общ 1мкВ 9,89 105 10 6 В 9,89 105 0,989 В Ответ: Uвых=0,989В Назад Вперед 56 Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Что такое обратная связь в усилителе? Какие бывают обратные связи? Какую и для чего в усилителях применяют обратную связь? Какие по входу бывают виды обратных связей? Какие по выходу бывают виды обратных связей? Как обратная связь влияет на коэффициент усиления усилителя? Рассчитать как изменится коэффициент усиления усилителя, если его охватить ООС с β = 0,01. Усилитель имел усиление равное 50. Какая обратная связь изображена на данной структурной схеме? Изобразите на одном графике частотные характеристики усилителя без ОС, с ПОС и ООС. 10. Как влияет ООС и ПОС на нелинейные искажения усилителя? 9. Назад Вперед 57 ГЛАВА 4 Каскады предварительного усиления (УНЗЧ) 4.1 Общее сведения об УНЗЧ Назначение усилителя состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности. В качестве источника входного сигнала в усилителях могут использоваться такие устройства, как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т. п. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка магнитофона, последующий усилитель, осциллограф, реле и т.д. Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят и предварительные каскады усиления (рисунок 4.1). Назад Рисунок 4.1 Вперед 58 Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки и выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называются трансформаторными. Однако вследствие большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко. Основное применение эти схемы находят в выходных каскадах усилителей. В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора. Рассмотрим принцип построения и особенности работы наиболее употребительной схемы предварительного усиления. Назад Вперед 59 4.2 Резистивный каскад на биполярном транзисторе Рисунок 4.2 На рисунке 4.2 представлена простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника. Входной сигнал поступает на базу и изменяет её потенциал относительно заземлённого эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении Rк. Разделительный конденсатор Ср1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Ср2 на выход каскада подаётся переменная составляющая напряжения Uкэ, изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор RБ в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току. ' Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером показано на рисунке 4.3. Назад Вперед 60 Рисунок 4.3 Схема, приведенная на рисунке 4.2, получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора RБ (десятки килоом) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра β даже у однотипных транзисторов делает режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени. ' Назад Вперед 61 Рисунок 4.4 Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рисунок 4.4). ' " В этой схеме резисторы RБ и RБ, подключенные параллельно источнику питания Ек, составляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяются из очевидных соотношений: RБ Ек U Б Эр RБ I Д I Бр U Б Эр , IД Ток делителя IД обычно выбирают в пределах IД ≈ (2÷5)IБР При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения. Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из соображений экономичности, так как чем больше ток IД, тем более мощным должен быть источник питания ЕК. Назад Вперед 62 Пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что RБ'и R"Б включены параллельно друг другу. Поэтому необходимо, чтобы RБ RБ RВх RБ RБ , ' " т.е. делитель, образованный резисторами RБ и RБ должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких килоом). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым. При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы – влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространённой является схема, показанная на рисунке 4.5. Рисунок 4.5 В этой схеме на встречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R" Б, включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера. Назад Вперед 63 Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ = IК + IБ, то увеличение тока IК приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падения напряжения на резисторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IК. Наоборот, если по какой-либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастёт. При этом увеличится ток базы и ток коллектора. В большинстве случаев рзистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора RЭ. Наиболее важные показатели, характеризующие работу усилительного каскада, могут быть определены графическим или аналитическим путём. При графическом расчёте усилителя в режиме малого сигнала необходимо построить нагрузочную прямую в семействе выходных статических характеристик транзистора, а также воспользоваться статической входной характеристикой, снятой (в случае схемы с общим эмиттером) при Uкэ≠0. Так, например, пользуясь построениями, приведёнными на рисунке 4.3, можно определить следующие величины: входное сопротивление RВх U max U Б Э max I max I Б max ; коэффициент усиления по напряжению KU где U m , Вых Назад U m, Вых U m, Вх ; U К Э max U К Э min 2 ; Вперед 64 U m, Вх U Б Э max U Б Э min 2 ; коэффициент усиления по току Ki I m Вых I Кm I m Вх I Бm ; коэффициент усиления по мощности К Р КU K I 4.3 Резистивный каскад на полевом транзисторе Полевые транзисторы применяются в трех схемах включения: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Основным и наиболее распространенным является каскад с общим истоком. Принципиальная схема такого каскада приведена на рисунке 4.6. Рисунок 4.6 Назад Вперед 65 Следует обратить внимание на то, что данная схема во многом напоминает усилительный каскад на электронной лампе (см. рисунок 4.7). Рисунок 4.7 Разумеется, между электронной лампой и полевым транзистором имеются существенные различия, однако механизм усиления электрических сигналов, а следовательно, и принципы построения усилительных схем на электронных лампах и полевых транзисторах во многом аналогичны. Назад Вперед 66 4.4 Межкаскадные связи в схемах УНЗЧ Существует три основных способа связи между каскадами в многокаскадном усилителе – связь через разделительные конденсаторы (емкостная связь), непосредственная связь (гальваническая) и связь с помощью трансформаторов (трансформаторная). Наибольшее распространение в схемах усилителей переменного напряжения и, в частности, в УНЗЧ, получила емкостная межкаскадная связь. Типичные схемы транзисторных усилителей с емкостной межкаскадной связью приведены на рисунках 4.8, 4.9 и 4.10. Рисунок 4.8 Назад Вперед Рисунок 4.9 67 Рисунок 4.10 Назад Вперед 68 4.5 Анализ схем УНЗЧ Рассмотрим амплитудно-частотную характеристику усилителя с ёмкостной межкаскадной связью на примере связи первого и второго каскадов схемы, показанной на рисунке 4.8. Для этого предварительно составим полную эквивалентную схему усилителя (рисунок 4.11), Рисунок 4.11 а также эквивалентные схемы, отражающие его свойства в области низших, средних и высших частот усиливаемых сигналов (рисунки 4.12, 4.13 и 4.14) Назад Вперед Рисунок 4.12 69 Рисунок 4.13 Рисунок 4.14 В этих схемах показаны лишь те элементы, которые оказывают наибольшее влияние на свойства каскада в соответствующем диапазоне частот, транзистор заменяют его Т-образной эквивалентной схемой, а параллельно или последовательно соединенные сопротивления и ёмкости заменяют их эквивалентными. Так резисторы RБ и RБ" заменены эквивалентным сопротивлением ' RБ RБ RБ , RБ RБ резисторы RК и RВХсл заменены эквивалентным сопротивлением Назад Вперед 70 RН RК RВхсл , RК RВхсл а ёмкость С0 представляет собой полную ёмкость, нагружающую каскад и определяемую выражением С0 С Вхсл СМ , где СВХсл – входная ёмкость следующего каскада; СМ – суммарная монтажная ёмкость схемы. В общем случае (рисунок 4.11) эквивалентная схема усилителя содержит ряд реактивных элементов – ёмкостей, часть из которых (СР1 и СР2) включена в цепь последовательно по отношение ко входу и выходу каждого каскада, а часть (СК, СЭ, С0) – параллельно тому или иному элементу схемы. Влияние этих ёмкостей на величину выходного напряжения, а следовательно, и на коэффициент усиления, различно для разных частот усиливаемого сигнала. При понижении частоты сигнала ёмкостное сопротивление Х ср 1 н с р разделительных конденсаторов возрастает и их влияние на работу схемы увеличивается. В то же время влияние малых ёмкостей СК и С0 на низких частотах оказывается несущественным, так как шунтирующие ёмкостные сопротивления в этом случае значительно больше сопротивлений элементов, к которым они подключены параллельно. Ёмкость СЭ обычно выбирается достаточно большой величины (единицы – десятки микрофарад). Поэтому уже на низких частотах ёмкостное сопротивление Х СЭ 1 Н сэ оказывается значительно меньше сопротивления резистора RЭ и потерями переменного напряжения сигнала на цепочке RЭСЭ можно пренебречь. В результате эквивалентная схема усилителя для низших частот диапазона приобретает вид, показанный на рисунке 4.12. Увеличение сопротивлений разделительных конденсаторах на низких частотах приводит к тому, что падение напряжения сигнала на них возрастает и выходное напряжение схемы падает. Поэтому и амплитудночастотная характеристика усилителя падает с понижением частоты (рисунок 4.15) Назад Вперед 71 Рисунок 4.15 С увеличением частоты усиливаемого сигнала и переходом в область средних частот диапазона ёмкостное сопротивление Х Ср 1 ср с р уменьшается настолько, что падением напряжения сигнала на нём уже можно пренебречь. Сопротивления же малых ёмкостей СК и С0 на этих частотах остаются ещё достаточно большими, и они также не влияют на амплитудно-частотную характеристику каскада. Поэтому эквивалентная схема для средних частот не содержит реактивных элементов (рисунок 4.13), а коэффициент усиления на этих частотах имеет наибольшее значение (рисунок 4.15). При дальнейшем повышении частоты сигнала существенное влияние на работу схему начинают оказывать ёмкость транзистора СК и ёмкость С0. Это приводит к завалу амплитудно-частотной характеристики усилителя в области высших частот (рисунок 4.15). Эквивалентная схема усилителя для высших частот показана на рисунке 4.14. Граничными частотами fН и fВ в УНЗЧ считают такие частоты, на которых коэффициент усиления падает в 1,4 раза по отношению к его значению на средних частотах, т.е. составляет примерно 0,7 Кср (рисунок 4.15). Назад Вперед 72 Контрольные вопросы Для чего в схемах УНЗЧ присутствуют конденсаторы Cр? Какими элементами схемы усилителя обеспечивается температурная стабилизация? 3. Начертите принципиальные электрические схемы типичных каскадов предварительного усиления на электронной лампе, биполярном и полевом транзисторах, сравните их свойства и назначение элементов. 4. Как объяснить сдвиг фаз на 180 градусов между входным и выходным напряжениями сигнала в схеме резистивного каскада с общим эмиттером? . 5. Влияют ли емкости разделительных конденсаторов на форму амплитудно-частотной характеристики предварительного каскада усиления? 6. Составьте схему предварительного усилителя, первый каскад которого собран на транзисторе КП101Г, а второй – на транзисторе ГТ310А. 7. Почему в области средних частот амплитудно-частотная характеристика транзисторного УНЗЧ идёт параллельно оси частот? 8. Изобразите на одном графике амплитудно-частотные характеристики УНЗЧ с разными монтажными емкостями схем ( С C ). М М 9. Укажите место и назначение УНЗЧ в структурной схеме УЗЧ. 10. В чем заключается причина завалов амплитудно-частотной характеристики УНЗЧ в области нижних и верхних частот? 1. 2. Назад Вперед 73 ГЛАВА 5 Выходные каскады усилителей мощности (УМЗЧ) 5.1 Общие определения 5.1.1 Выходной каскад усилителя предназначен для отдачи заданной величины мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. По сравнению с каскадами предварительного усиления выходные каскады имеют ряд особенностей. 5.1.2 Выходные каскады потребляют от источников питания значительную мощность, поэтому их коэффициент полезного действия (КПД) должен быть достаточно высоким, так как в конечном счете он определяет экономичность всего усилителя. 5.1.3 Величина максимальной неискаженной мощности и КПД оконечного каскада зависит от типа транзистора, режима работы и схемы каскада. Прежде чем рассматривать схемные особенности выходных каскадов, остановимся на характеристике возможных режимов их работы. Назад Вперед 74 5.2 Режимы работы усилительных каскадов 5.2.1 В зависимости от выбора рабочей точки на проходной динамической характеристике транзистора различают три основных режима работы усилительного каскада: А, В и АВ. Графическая зависимость выходного тока транзистора от напряжения на его входе Iвых = f(Uвх) называется проходной динамической характеристикой транзистора и имеет вид: Рисунок 5.1 5.2.2 Для работы каскада в режиме А (Ө=180 ο) на базу подается такое напряжение смещения, чтобы рабочая тока Р, определяющая исходное состояние схемы при отсутствии входного сигнала, расположилась примерно на середине прямолинейного участка характеристики. В режиме А (рисунок 5.2) при подаче на вход каскада синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток, изменяющейся также по синусоидальному закону. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот режим является наименее экономичным. Дело в том, что полезной является лишь мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность определяется значительно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому КПД усилительного каскада в этом режиме составляет лишь 20-30%. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады. Назад Вперед 75 Рисунок 5.2 5.2.3 В режиме В (θ =90ο )(рисунок 5.3) рабочая точка выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю. При подаче на вход сигнала ток в выбранной цепи каскада протекает лишь в течение половины периода изменения напряжения сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульсов с углом отсечки θ=90ο. Углом отсечки (θ ο) принято называть половину той части периода, в течении которой проходит ток. Назад Рисунок 5.3 Вперед 76 Режим В характеризуется высоким КПД усилителя (60-70%), так как постоянная составляющая выходного тока значительно меньше, чем в режиме А. Однако режим В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала, вследствие чего этот режим используется главным образом в мощных двухтактных усилительных каскадах. 5.2.4 Режим АВ (рисунок 5.4) является промежуточным между режимами А и В. В этом режиме 90 ο < θ<180 ο, искажения средние между режимами А и В, КПД усилителя (40-50%). Рисунок 5.4 5.2.5 Режим А является режимом без отсечки, он называется ещё режимом колебаний первого рода (класс “А”). Режим В и АВ являются режимами с отсечкой, называются режимом колебаний второго рода (класс “В” и класс “АВ”). Назад Вперед 77 5.3 Схемы выходных каскадов усиления (УМЗЧ) Схемы УМЗЧ являются оконечными каскадами в схемах УЗЧ, поэтому нагрузкой этих схем являются: динамик, наушники, колонка и д.р. Сопротивление этих устройств мало (единицы, десятки Ом), поэтому между выходным сопротивлением транзистора усилителя и нагрузкой включается обычно понижающий выходной трансформатор, служащий для согласования этих сопротивлений. В выходных каскадах, так же как и в предварительных, чаще всего используется схема с общим эмиттером. В этом случае коэффициент усиления сигнала по мощности получается наибольшим и, следовательно, требуется наименьшая выходная мощность от предыдущего каскада и наименьшее усиление от предварительного усилителя. Выходные каскады усилителей могут быть построены по однотактной или двухтактной схемам, существенно отличающимися друг от друга. Типичная схема однотактного выходного каскада с общим эмиттером представлена на рисунке 5.5. Рисунок 5.5 , RБ, СЭ и RЭ выполняют те же функции, что и в Элементы схемы СР, RБ предварительных каскадах усиления. Выходной трансформатор служит для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Если пренебречь потерями в трансформаторе, то можно считать, что мощность в первичной и вторичной обмотках остается неизменной, т.е. РI=РII. Назад Вперед 78 В этом случае можно записать , где RI и RII – сопротивления первичной и вторичной цепей трансформатора переменному току. Для получения максимальной мощности полезного сигнала сопротивление первичной цепи переменному току должно быть равно оптимальному сопротивлению коллекторной нагрузки транзистора (RН ОПТ), при котором произведение переменных составляющих напряжения и тока в коллекторной цепи оказывается максимальным. Поэтому примем RI = RН ОПТ. Сопротивление вторичной цепи переменному току равно сопротивлению нагрузки RН, т.е. RII = RН . Поэтому 2 2 UI U II RН ОПТ RН Разделив левую и правую части данного равенства на UI2, получим 1 RН ОПТ U II2 1 2 U I RН Отношение UII/UI представляет собой коэффициент трансформации выходного трансформатора (n). Следовательно, n RН RН ОПТ Величина RН (сопротивление нагрузки потребителя) обычно задаётся. Сопротивление RН ОПТ следует определить графическим путем из условия получения максимальной неискаженной мощности сигнала. Назад Вперед 79 5.4 Амплитудно-частотная характеристика выходного каскада с трансформатором Наличие в схеме выходного каскада (рисунок 5.5) трансформатора приводит к существенным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Рассмотрим эквивалентную схему согласующего трансформатора, включенного в выходную цепь транзистора (рисунок 5.6). Рисунок 5.6 СК – емкость транзистора; r1 – активное сопротивления первичной обмотки; LP1 – индуктивность рассеяния первичной обмотки; L1 – индуктивность первичной обмотки; r2', L'P2, C2'– соответственно активное сопротивление, индуктивность рассеяния и междувитковая емкость вторичной обмотки трансформатора, пересчитанные в первичную цепь по формулам: r r2 22 ; n Назад Lp 2 Lp 2 n 2 ; с2 с2 n 2 Вперед 80 Сопротивление RН' – это сопротивление нагрузки RН, пересчитанное в первичную цепь (Rн' =Rн/ n 2 ). Для обеспечения наибольшей выходной мощности, как было сказано выше, необходимо, чтобы RН' = RН ОПТ. Типичная амплитудно-частотная (АЧ) характеристика выходного каскада с трансформатором приведена на рисунке 5.7. Рисунок 5.7 В области низших частот существенное влияние на характеристику оказывает индуктивность L1, сопротивление которой (ХL1=2πfL1) уменьшается с понижением частоты, шунтируя нагрузочное сопротивление RН'. На высших частотах колебательный контур, образованный емкостью С2' и индуктивностями рассеяния, может вызвать резонансный подъем усиления, ведущий к неравномерной передаче частот усиливаемого сигнала. Наиболее благоприятные условия для передачи сигнала создаются в области средних частот, где практически можно пренебречь влиянием реактивных элементов схемы. Назад Вперед 81 5.5 Двухтактная схема УМЗЧ Однотактный каскад усиления мощности обладает рядом существенных недостатков, основными из которых являются следующие: -невозможность применения экономных режимов АВ и В (из-за недопустимо больших нелинейных искажений); -малый КПД каскада; -относительно большие нелинейные искажения, вносимые транзистором; -увеличение нелинейных искажений из-за постоянного подмагничивания магнитопровода выходного трансформатора; -относительно большие частотные искажения. В тех случаях, когда однотактный усилитель мощности неприменим из-за указанных недостатков, а также когда мощность, отдаваемая одним транзистором, недостаточна, применяют двухтактную схему усиления мощности (рисунок 5.8). Рисунок 5.8 В двухтактном каскаде используют работающих в идентичных режимах. Назад два одинаковых транзистора, Вперед 82 Каждый из транзисторов со своими цепями составляет плечо каскада. Плечи в усилителе должны быть строго симметричны. Магнитные поля, созданные токами покоя плеч, которые протекают по первичной обмотке выходного трансформатора от средней точки в противоположных направлениях, компенсируются и в сердечнике трансформатора отсутствует постоянная составляющая магнитного потока (постоянное подмагничивание). Это является важным преимуществом двухтактной схемы перед однотактной, так как уменьшает нелинейные искажения в выходном трансформаторе (исключается возможность работы в области магнитного насыщения) и позволяет сделать его менее громоздким. На базы транзисторов верхнего и нижнего плеч должны подаваться два равные по величине и противоположные по фазе напряжения UВХ1 и UВХ2. Легко показать, что ток, потребляемый от источника питания, равен удвоенному току покоя одного транзистора и не содержит переменной составляющей. Следовательно, мощность в нагрузке равна сумме мощностей, развиваемых каждым транзистором. В двухтактном каскаде значительно уменьшаются нелинейные искажения, благодаря компенсации чётных гармоник в выходном трансформаторе. Важным преимуществом двухтактной схемы является её малая чувствительность к пульсациям питающих напряжений. Это объясняется тем, что транзисторы питаются параллельно и под влиянием пульсаций питающих напряжений коллекторные токи IК1 и IК2 будут одновременно увеличиваться или уменьшаться. Поскольку токи в первичной обмотке трансформатора направлены в противоположные стороны, то результирующий магнитный поток от изменения этих токов будет равен нулю. Следовательно, во вторичной обмотке трансформатора уровень фона с частотой пульсирующего напряжения источников питания равен нулю или имеет небольшую величину в случае некоторой асимметрии схемы. Двухтактные схемы могут работать не только в режиме А, но и в более экономичных режимах АВ и В, что позволяет существенно повысить КПД каскада. В режиме В плечи двухтактной схемы работают поочередно, каждое в течение полупериода сигнала. В режиме В транзистор усилителя может отдать мощность в несколько раз большую, чем в режиме А. Назад Вперед 83 5.6 Фазоинверсные схемы (ФИС) Для возбуждения двухтактного каскада используются фазоинверсные схемы предоконечных каскадов. Схемы ФИС должны давать на выходе два напряжения, равные по величине и сдвинутые между собой по фазе на 180 ͦ. В качестве схемы ФИС используется трансформатор со средней точкой (Т1) (рисунок 5.9). Рисунок 5.9 В этой схеме на выходах (Т1) получаются равные по величине, но противоположные по фазе напряжения UВЫХ1 = -UВЫХ2. В качестве фазоинверсной схемы часто используется схема с разделенной нагрузкой (электронная схема ) (рисунок 5.10). Назад Вперед 84 Рисунок 5.10 Напряжения UВЫХ1 и UВЫХ1 соответственно равны: UВЫХ1 = EК – IКRК, UВЫХ2 = IЭRЭ. Поскольку ток коллектора IК почти не отличается по величине от тока эмиттера I Э, то при условии RК=RЭ напряжения UВЫХ1 и UВЫХ2 оказываются равными по величине, но противоположными друг другу по фазе. Рисунок 5.11 Назад Вперед 85 Эти напряжения применяются для возбуждения двухтактного каскада. Достоинство схемы (рисунок 5.10) – отсутствие трансформатора по входной цепи двухтактного каскада. Недостаток – малый коэффициент усиления по напряжению. Широкое применение в электронной аппаратуре получили бестрансформаторные двухтактные каскады на транзисторах. Особый интерес представляют схемы, не имеющие аналогов среди схем на электронных лампах, с использованием транзисторов разных типов (p-n-p и n-p-n). Такие транзисторы различаются между собой направлениями протекания токов. Совместное применение разнотипных транзисторов позволяет существенно упростить схему усилителя. На рисунке 5.12 приведена бестрансформаторная схема усилителя на разнотипных транзисторах. Рисунок 5.12 Транзисторы включены в цепь источника питания последовательно друг с другом по постоянному току и в то же время их входы и выходы соединены параллельно по напряжению переменного сигнала. Назад Вперед 86 Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Объясните физический смысл понятия “оптимальное сопротивление нагрузки” усилительного каскада. Объясните различие в режимах усиления А, В и АВ. Расскажите о специфических особенностях выходных каскадов УЗЧ по сравнению с каскадами предварительного усиления. С какой целью используются выходные трансформаторы в схемах УЗЧ? Как объяснить увеличение КПД каскада, работающего в режиме В? Укажите основные преимущества двухтактного выходного каскада перед однотактным. Приведите графическое пояснение работы фазоинверсного каскада с разделенной нагрузкой. Что такое условие амплитуд и фаз в схемах ФИС? Какие разновидности схем выходных каскадов Вы знаете? Начертите схему УМЗЧ с РВых=50Вт. Что влияет на форму амплитудно-частотной характеристики на нижних частотах и верхних частотах в схеме УМЗЧ?. Какой величины должен быть КПД УМЗЧ? Почему? Как это объяснить? Что такое угол отсечки (θ о)? Укажите пример определения величины θ о. о θ≈120 , какой это класс и режим работы усилительного устройства? Решите задачу по следующим данным: Rн=4Ом, UВых=4В, PВых=? Нарисуйте схему такого УМЗЧ. Назад Вперед 87 ГЛАВА 6 Корректирующие цепи в усилительных каскадах 6.1 Общие сведения При необходимости расширить полосу пропускания частот и уменьшить частотные искажения в усилительные каскады вводят дополнительные корректирующие элементы. В зависимости от частотной и временной области её влияния коррекцию подразделяют на высокочастотную и низкочастотную. Высокочастотная коррекция способствует выравниванию амплитудночастотной характеристики в области верхних частот (т.е. расширению полосы пропускания частот в сторону увеличения частоты). Низкочастотная коррекция выравнивает амплитудно-частотную характеристику в области нижних частот (т.е. расширяет полосу пропускания частот в сторону f → 0) 6.2 Высокочастотная коррекция Высокочастотная коррекция в усилительном каскаде реализуется в основном с помощью так называемой ВЧ индуктивной коррекции. Индуктивную коррекцию подразделяют на простую и сложную, в зависимости от числа реактивных элементов в корректирующем звене. Так, при простой индуктивной коррекции используется одна катушка индуктивности (рисунок 6.1) Назад Вперед 88 Рисунок 6.1 Эта схема получила наибольшее распространение среди схем ВЧ индуктивной коррекции вследствие своей простоты и надёжности в эксплуатации. Коррекция частотной характеристики при включении индуктивности L осуществляется благодаря увеличению сопротивления коллекторной цепи для области верхних частот. Корректирующая индуктивность L включается последовательно с резистором нагрузки R и совместно с C0 (ёмкость выхода усилительного каскада) образует параллельный резонансный контур, нагружающий каскад. На резонансной частоте контура нагрузкой усилителя будет не просто сопротивление R, а эквивалентное сопротивление контура Rэкв = ρQэкв, L где ρ= C - характеристическое сопротивление контура; Q экв – эквивалентная добротность параллельного контура. Это сопротивление получается на верхних частотах более высоким, чем сопротивление резистора R. По этой причине увеличивается сопротивление нагрузки выходной цепи усилителя в области верхних частот, расширяется полоса пропускания каскада, следовательно, улучшается частотная характеристика в области верхних частот (рисунок 6.2) Назад Вперед 89 Рисунок 6.2 Назад Вперед 90 6.3 Низкочастотная коррекция Необходимость в цепях НЧ коррекции особенно появляется в усилителях, предназначенных для усиления сигналов очень низких частот (единицы герц). Для расширения полосы пропускания в сторону нижних частот используют корректирующую цепочку Rф Cф, которая либо может специально создаваться в каскаде усиления, либо (что часто бывает на практике) ею может служить цепочка развязывающего и сглаживающего фильтра. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с корректирующей цепочкой Rф Cф показана на рисунке 6.3 Рисунок 6.3 Принцип действия цепи НЧ коррекции состоит в следующем. С понижением частоты сопротивление конденсатора Cф растёт, а следовательно, растёт результирующее сопротивление Zф цепочки Rф Cф. Это приводит к увеличению суммарного сопротивления R+Zф от R на частотах ωср и выше до R+Rф при ω→0, что вызывает рост общего сопротивления нагрузки усилительного R~. Назад Вперед 91 В результате коэффициент усиления каскада с понижением частоты возрастает, что компенсирует падение усиления на нижних частотах из-за наличия разделительного конденсатора Cр (а также С0 и других блокировочных конденсаторов). На полевых транзисторах и на электронных лампах НЧ коррекция с цепочкой Rф Cф особенно эффективна. В резисторных каскадах на биполярных транзисторах эта схема коррекции даёт лучшие результаты при работе на высокоомную нагрузку Rн, так как по мере её увеличения результирующее сопротивление R~ сильнее меняется с частотой. Это условие выполняется также при работе усилительного каскада на биполярном транзисторе на каскад, собранный на полевом транзисторе. Амплитудно-частотная характеристика усилителя с НЧ коррекцией представлена на рисунке 6.4 Рисунок 6.4 Существует много и других схем коррекции в усилительных каскадах, например, последовательная ВЧ коррекция, последовательно-параллельная коррекция, коррекция с помощью частотно-зависимой ООС и другие. Назад Вперед 92 Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Для чего в усилителях применяются корректирующие цепи? Какие виды коррекции Вам известны? Какое воздействие на амплитудно-частотную характеристику оказывает коррекция? Изобразите схему усилителя с простой индуктивной коррекцией. Нарисуйте на одном графике амплитудно-частотные характеристики усилителя без коррекции и с индуктивной коррекцией. Как осуществляется низкочастотная коррекция в усилительных каскадах? Нарисуйте схему усилителя с низкочастотной коррекцией. Как влияет величина нагрузки Rн на результат работы схемы низкочастотной коррекции? Назад Вперед 93 ГЛАВА 7 Примеры построения полных схем усилителей звуковой частоты (УЗЧ) 7.1 Вид схемы электрической принципиальной усилителя звуковых частот (УЗЧ) определяется величинами его выходных параметров. Полная функциональная схема УЗЧ представлена на рисунке 7.1 Рисунок 7.1 7.2 Эмиттерный повторитель в схеме используется только для согласования в том случае, когда выходное сопротивление микрофона сильно отличается от входного сопротивления первого каскада усилителя (RВых микрофона > RВх усилителя), в других случаях схема эмиттерного повторителя не применяется. Если, например, УЗЧ имеет небольшую выходную мощность (до 1Вт), то схема УМЗЧ выполняется на одном транзисторе, т.е. является однотактной и фазоинверсная схема (ФИС) не требуется, УНЗЧ в этой схеме достаточно использовать однокаскадный. В этом случае схема электрическая принципиальная имеет вид, представленный на рисунке 7.2. Назад Вперед 94 Рисунок 7.2 7.3 Если усилитель имеет выходную мощность (Рвых) до 5 Вт, то схема УМЗЧ используется двухтактная (на двух транзисторах), необходимо перед этой схемой использовать ФИС, а схема УНЗЧ в этом случае может быть однокаскадной или двухкаскадной, т.е. схема имеет вид, представленный на рисунке 7.3. Рисунок 7.3 Назад Вперед 95 В схеме использована электронная схема ФИС с разделенной нагрузкой. Каскады УНЗЧ выполнены на транзисторах с разной проводимостью. 7.4 Для построения усилителя с большой выходной мощностью (более 5Вт), например Рвых равна 20Вт, необходимо использовать двухтактную схему УМЗЧ, выполненную на составных транзисторах (каждый составной транзистор собран из трёх транзисторов). В качестве ФИС используем трансформатор со средней точкой. Предварительный усилитель (УНЗЧ) содержит три каскада, связь между каскадами непосредственная. В первом каскаде УНЗЧ применена отрицательная обратная связь параллельная по напряжению, что обеспечивает цепь Rос-Cос. Схема представлена на рисунке 7.4 Рисунок 7.4 Назад Вперед 96 Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Построить схему УНЗЧ по следующим данным: 1 каскад – n-p-n транзистор с резисторной коллекторной нагрузкой; 2 каскад – p-n-p транзистор с дроссельной коллекторной нагрузкой; 3 каскад – p-n-p транзистор с резисторной коллекторной нагрузкой. Связь между каскадами – ёмкостная. Построить схему четырехкаскадного УНЗЧ на транзисторах разной проводимости (чередуются) с наименьшими искажениями. Сигнал на вход подаётся от микрофона с высоким выходным сопротивлением. Связь между каскадами - непосредственная. Построить полную схему УЗЧ с Pвых ≈ 0,5 Вт. Схему запитать от сети через выпрямитель. Построить схему УМЗЧ с Pвых ≈ 80 Вт. Схему запитать от сети через выпрямитель. Построить полную схему УЗЧ с Pвых ≈ 4 Вт. Схема ФИС – электронная. В схеме для улучшения качества использовать отрицательную обратную связь. Схему запитать от сети через выпрямитель. Начертить различные фазоинверсные схемы и объяснить их принцип работы. Назад Вперед 97 ГЛАВА 8 Избирательные усилители 8.1 По принципу действия и схемному выполнению избирательные усилители можно разделить на: резонансные, полосовые и усилители с обратной связью, которые называют усилителями с 2Т – фильтром, (рисунок 8.1) Рисунок 8.1 8.2 Резонансные усилители В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усилительного элемента является параллельный колебательный контур, имеющий высокое сопротивление Rрез для резонансной частоты fо и малое сопротивление для других частот (рисунок 8.2). Назад Вперед 98 Рисунок 8.2 Частотная характеристика резонансного усилителя параметрами колебательного контура (рисунок 8.3). определяется Рисунок 8.3 Назад Вперед 99 Для уменьшения влияния транзистора (данного каскада и последующего) на контур в схемах резонансных усилителей, как правило, используют неполное включение контура в коллекторную цепь транзистора. Такое включение может быть достигнуто, например, с помощью автотрансформаторной схемы включения контура (рисунок 8.2). Резонансная частота усилителя определяется резонансной частотой эквивалентного контура: f0 1 2 L Cэкв , Сэкв С Ск тк2 Сн тн2 Скат См , где С – собственная ёмкость контура; Ск – ёмкость транзистора; Сн – ёмкость нагрузки; Скат – ёмкость катушки; См – ёмкость монтажа; mк – коэффициент подключения контура к транзистору; mн – коэффициент подключения контура к нагрузке. Заданная полоса пропускания усилителя (П) обеспечивается определенной величиной эквивалентной добротности Qэкв контура: Qэкв f0 Qэкв R рез.экв экв , , где ρэкв – эквивалентное волновое сопротивление контура: экв Назад 1 0 С экв Вперед 100 Коэффициент усиления каскада по напряжению на резонансной частоте приближенно можно рассчитать по формуле К 0 R рез.экв тк тн RГ Rвх , где Rв х rБ rЭ (1 ) входное сопротивление каскада. Назад Вперед 101 8.3 Полосовые усилители В отличие от резонансных полосовые усилители, как правило, имеют фиксированную настройку. Сопротивлением нагрузки таких усилителей является полосовой фильтр, представляющий собой обычно двухконтурную связанную систему с взаимоиндуктивной связью между контурами (рисунок 8.4). Рисунок 8.4 Частотная характеристика полосового усилителя имеет форму, аналогичную резонансной кривой двух связанных контуров, и во многом зависит от степени связи между контурами β (рисунок 8.5). Назад Рисунок 8.5 Вперед 102 8.4 Усилители с обратной связью (с 2Т-фильтром) Резонансные и полосовые усилители дают хорошие результаты лишь при рабочей частоте порядка единиц килогерц и выше. На более низких частотах индуктивность резонансного контура оказывается очень большой и контур становится громоздким и дорогим. Катушка индуктивности такого контура содержит много витков тонкого провода и очень чувствительна к наводкам и помехам. Поэтому избирательные усилители, предназначенные для работы на частотах порядка сотен герц и ниже, обычно строят с использованием частотно-избирательных фильтров типа RC в цепи отрицательной обратной связи. Наиболее широко используется двойной Т-образный фильтр (мост). Двойной Т – образный фильтр состоит из двух параллельно соединенных Т – образных RC – фильтров нижних и верхних частот (рисунки 8.6, 8.7, 8.8). Назад Вперед 103 Фильтр нижних частот Рисунок 8.6 Фильтр верхних частот Рисунок 8.7 Двойной Т- образный фильтр Назад Рисунок 8.8 Вперед 104 Напряжение на выходе 2Т – фильтра является результатом совместного действия каждого из фильтров и определяется не только амплитудами этих напряжений, но и их фазами. Рассмотрим форму частотной характеристики U 2Т – фильтрами, т.е. зависимость коэффициента передачи К в ых от U вх подводимой ко входу фильтра частоты f. Процесс передачи колебаний различных частот через фильтр может быть представлен следующим образом. Колебания нижних частот передаются на выход в основном через фильтр нижних частот (R1, R2, С3), который для этих частот является прозрачным. Фильтр же верхних частот (C1, C2, R3) для колебаний нижних частот представляет собой большое входное сопротивление и колебаний нижних частот почти не пропускает. Следовательно, на самой нижней частоте коэффициент передачи будет наибольший, а по мере повышения частоты будет падать. Колебания верхних частот передаются на выход в основном через фильтр верхних частот (С1, С2, R3), который для этих частот является прозрачным. Через фильтр нижних частот (R1, R2, C3) колебания верхних частот почти не проходят, так как его входное сопротивление для этих частот значительно. Коэффициент передачи 2Т – фильтра на самой верхней частоте будет наибольшим и с уменьшением частоты будет также уменьшаться. На некоторой частоте, называемой квазирезонансной (f0) , происходит балансирование моста (фильтра); напряжение на выходе каждого Т – образного фильтра, при определенных соотношениях между RC – элементами цепи, становится равным по амплитуде и противоположным по фазе. При этом напряжение на выходе 2Т – фильтра становиться равным нулю. Таким образом, коэффициент передачи фильтра К от минимального значения на частоте квазирезонанса возрастает в сторону как более нижних, так и более верхних частот, как показано на рисунке 8.9 Назад Вперед Рисунок 8.9 105 Элементы фильтра обычно выбираются из условий: R1 R2 R; С1 С2 С; R С3 2С , R3 ; 2 при этом квазирезонансная частота f0 1 . 2 R C Структурная схема избирательного усилителя с 2Т – фильтром изображена на рисунке 8.10 Рисунок 8.10 На ней показаны усилитель низкой частоты с прямолинейной частотной характеристикой и цепь отрицательной обратной связи в виде 2Т – фильтра. Общая частотная характеристика усилителя с учетом действия ООС приведена в средней части рисунка. Назад Вперед 106 На квазирезонансной частоте f0 коэффициент передачи цепи ООС К равен нулю, действие обратной связи на работу усилителя не сказывается, и поэтому коэффициент усиления всего усилителя останется без изменения равным К0. На частотах, отличных от квазирезонансной, увеличение коэффициента передачи К вызывает такое же увеличение действия ООС, и общий коэффициент усиления заметно уменьшается. В результате частотная характеристика приобретает форму, подобную частотной характеристике резонансного усилителя (рисунок 8.3) По аналогии с резонансным усилителем избирательные свойства усилителя с 2Т – фильтром характеризуют эквивалентной добротностью Qэкв f0 , 2f здесь f0 – частота квазирезонанса, 2f – полоса пропускания на уровне 0,7К0. Простейшая схема усилителя с 2Т – фильтром показана на рисунке 8.11 Рисунок 8.11 На ней изображен усилитель на биполярном транзисторе. Усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. Цепью обратной связи по напряжению служит 2Т – фильтр. Назад Вперед 107 Примеры решения задач Задача №1 Резонансное сопротивление параллельного контура Rрез = 30 кОм, активное сопротивление R = 5 Ом. Найти добротность контура. Решение 1. Известно, что: Rрез R *Q2 (1) 2. Из формулы (1) определяем: Q 3. Подставляем числа: Q 30кОм 5Ом R рез R 30 *103 Ом 5Ом 60 *10 2 7,74 *10 77,4 Ответ: Q = 77,4 Назад Вперед 108 Задача №2 Определить коэффициент взаимоиндукции двух связанных контуров, если коэффициент связи между ними 0,2 , а индуктивность контуров 90 и 160 мкГ Решение 1. Известно, что: К М , L1 * L2 (1) где М – коэффициент взаимоиндукции, К – коэффициент связи 2. Тогда из (1) определяем: М К * L1 * L2 0,2 * 90 *160 0,2 * 144 *10 2 0,2 *10 *12 2,4 *10 24 Ответ: М = 24 Назад Вперед 109 Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Как влияет величина добротности колебательного контура на полосу пропускания резонансного усилителя? Для чего применяется неполное подключение транзисторов к контуру? Как влияет изменение формы частотной характеристики резонансного усилителя на его полосу пропускания и избирательность? Из чего состоит 2Т – фильтр? Почему на частоте квазирезонанса напряжение на выходе фильтра равно нулю? Каким образом можно увеличить эквивалентную добротность избирательного усилителя с 2Т – фильтром? Назад Вперед 110 Библиография 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. Баркан В.Ф., Жданов В.К.: Усилительная и импульсная техника – Москва, Машиностроение, 1981 Буланов Ю.А., Усов С.Н.: Усилители и радиоприёмные устройства – Москва, Высшая школа,1980 Войшвилло Г.В.: Усилительные устройства – Москва, Радио и связь, 1989 Войшвилло Г.В.: Усилительные устройства – Москва, Связь, 1985 Гальперин М.В.: Электронная техника – Москва, Форум-инфра-М, 2003 Гершунский Б.С.: Основы электроники – Киев, Издательское объединение «Высшая школа», 1977 Головин О.В.: Радиоприёмные устройства – Москва, Горячая линия Телеком, 2002 Головин О.В.: Усилительные устройства – Москва, Радио и связь, 1993 Головин О.В., Кубицкий А.А.: Электронные усилители – Москва, Радио и связь, 1983 Изюмов Н.М., Линде Д.П.: Основы радиотехники – Москва, Энергия, 1971 Остапенко Г.С.: Усилительные устройства – Москва, Радио и связь, 1989 Прянишников В.А.: Электроника – Санкт-Петербург, КОРОНА, принт, 2000 Харкевич А.А.: Основы радиотехники – Москва, Связь, 1962 Цыкин Г.С.: Усилительные устройства – Москва, Связь, 1971 Цыкина А.В.: Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты – Москва, Связь, 1967 Цыкина А.В.: Электронные усилители – Москва, Радио и связь, 1982 Шинаков Ю.С., Колодяжный Ю.М.: Основы радиотехники – Москва, Радио и связь, 1983 Назад Вперед 111 Инструкция по работе с электронным учебником 1. Компьютер, на котором студент работает с электронным учебником, должен соответствовать следующим минимальным системным требованиям: процессор 500 МГц и выше; 256МБ оперативной памяти; 2ГБ свободного места на жестком диске; СD или DVD привод ; поддерживаемые операционные системы Windows XP SP2; Windows server 2003 SP; Windows Vista. 2. Для работы с электронным учебником на компьютере пользователя должен быть установлен пакет программ Microsoft Office 20032007, который содержит Microsoft Office PowerPoint 2003-2007. 3. Последовательность действий электронным учебником. студентов при пользовании 3.1. Включить компьютер 3.2 Двойным нажатием левой кнопки мыши щёлкнуть по значку “Электронный учебник”, который находится на рабочем столе монитора, откроется титульный лист учебника 3.3. Перелистывание страниц учебника осуществляется двумя способами: -курсор установить на страницу учебника и один раз нажать на левую кнопку мыши (или воспользоваться стрелками на клавиатуре); -с помощью стрелок “Вперед”-”Назад”,находящихся на страницах учебника. Назад Вперед 112 3.4. Текстовый материал учебника сопровождается иллюстративными рисунками, которые можно рассмотреть в анимационном виде. Для запуска видеофайла (анимации) рисунка необходимо щелкнуть по нему один раз левой кнопкой мыши. После просмотра видеофайла выйти из него следует с помощью нажатия один раз на левую кнопку мыши (видеофайл остановится),затем нажать кнопку “Esc” на клавиатуре. Далее продолжать просмотр страниц учебника как описано выше. 3.5. При окончании работы с учебником, для выхода из программы, следует нажать кнопку “Еsc” на клавиатуре или кнопку “Выход”, находящуюся в самом конце учебника (страница 114) Назад Вперед 113 Содержание Предисловие Глава 1 Общие сведения об усилителях Контрольные вопросы Глава 2 Основные показатели усилителей Примеры решения задач Контрольные вопросы Глава 3 Общая теория обратной связи Примеры решения задач Контрольные вопросы Глава 4 Каскады предварительного усиления (УНЗЧ) Контрольные вопросы Глава 5 Выходные каскады усилителей мощности (УМЗЧ) Контрольные вопросы Глава6 Корректирующие цепи в усилительных каскадах Контрольные вопросы Глава 7 Примеры построения полных схем усилителей звуковой частоты (УЗЧ) Контрольные вопросы Глава 8 Избирательные усилители Примеры решения задач Контрольные вопросы Библиография Инструкция по работе с электронным учебником Назад 2 4 17 18 30 41 42 53 57 58 73 74 87 88 93 94 97 98 108 110 111 112 Выход 114
