1.2.Устройства промышленной электроники

1.2.1.Усилители

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабых сигналов за счет энергии источника питания.

>1 в любом усилителе.

Характеристики уоилителеи:

1.Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) -зависимое^ К ог частоты, К =Ф (/). АЧХ для УНЧ, УТГТ, ИУ приведены на рис. 1.40, 1.41, 1.42. По АЧХ определяется полоса, пропускания частот усилителя А/

_Ко_ К Н =К ВЕРХ ~ Гг = АГ0 -0,707

2.Фазочастотная характеристика (ФЧХ)

Ф -Ф (А

где <р - угол сдвига 'фаз между входным и выходным сигналами. Поскольку усилитель со­ держит реактивные Элементы, то фаза сигнала на входе не совпадает с фазой сигнала на вы­ ходе, причем на разных частотах угол сдвига фаз будет разный.

3.Амплитудная характеристика (АХ)

1Увх - / ( t /вх) I/ = const.

А Х - это зависимость величины выходного напряжения от входного напряжения при/ = const (рис. 1.43).

Классификация усилителей по частотному диапазону:

1.Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ), А/ =десятки Гц ... десятки кГц.

2.Усилитель высокой частоты (УВЧ), А/* =десятки кГц ... десятки МГц.

3.Широкополосный усилитель (ШУ), А/' ^десятки Гц ... десятки МГц.

4.Усилитель постоянного тока (УПТ), Д /= 0 ... Мгц.

5.Избирательный (резонансный) усилитель (ИУ) - это усилитель, усиливающий сиг­ нал в очень узком диапазоне частот (в идеале одну частоту).

Виды искажения сигналов при прохождении через усилитель. Цри прохождении через усилитель форма сигнала может искажаться. Существуют нелинейные и линейные искаже­ ния.

Нелинейные искажения (рис. 1.44) связаны с нелинейными характеристиками транзи­ сторов (область линейной работы сравнительно невелика).

Линейные искажения - это искажения сигнала, связанные с разными К на различных частотах. Проявляются при усилении сигналов сложной формы, к примеру прямоугольной (рис. 1.45).

Чем шире полоса пропускания частот усилителя, тем меньше он вносит искажений. Усилитель, обладающий идеальной АЧХ, не вносит линейных искажений.

Понятие о входном и выходном сопро­ тивлении усилителя. По отношению к источ­ нику входного сигнала (ИС) усилитель являет­ ся нагрузкой и как любая нагрузка обладает сопротивлением. Это и будет входным сопро­ тивлением усилителя Двх (рис. 1.46).

По отношению к нагрузке усилитель яв­ ляется источником электрического сигнала и как всякий источник обладает ЭДС и внутрен­ ним сопротивлением, последнее является вы­ ходным сопротивлением ЯВыхЭДС холостого хода Ехх = К С/вх.

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ - это часть эле­ ментов схемы, включающая главную усилительную цепь каскада, и элементы, обеспечи­ вающие ее работу. Главная усилительная цепь состоит из транзистора и последовательно включенного с ним резистора RK(рис.1.47).

Определим коэффициент усиления в режиме холостого хода К ^ . По закону Ома Wax = Гвх RVK ~ h ^вх»

где Явх - входное сопротивление главной усилительной цепи, т.е. сопротивление р-п- перехода Э - Б.

По второму закону Кирхгофа имеем

Знак минус означает, что АЕ/вх и ДЕ/вых разного знака, т.е. при прохождении через главную усилительную цепь сигнал инвертируется (фаза сдвигается на 180°); P » l ; RK= тысячи Ом, Rbx = сотни Ом, поэтому |/^cc| » 1 .

ПерсОипючная характеристика главной усилительной цепи по напряжению есть зави­ симость И ш \ f ((/их). На данной характеристике можно выделить три области работы транзистора (рис. 1.48):

1 область отсечки;

2 - область линейной работы;

3 - область насыщения

Прохождение синусоида!ьного сигнала через главную усилительную цепь. Режимы усгыения. Используя передаточную характеристику, можно посмотреть, как изменяется фор­ ма sin сигнала при прохождении через главную усилительную цепь (рис.1.49).

Рассмо трим три варианта:

•входной сигнал изменяется вокруг нулевого уровня и попадает частично в области отсечки и частично в область линейной работы;

•входной сигнал целиком укладывается в область линейной работы;

•входной сигнал большой амплитуды занимает все три области.

На рис. 1.49 заштрихована та часть сигнала, которая укладывается в область линейной работы. Сигнал на выходе будет совпадать по форме с этой частью входного сигнала. Рас­ смотренным вариантам соответствуют три режима усиления:

Режим В характеризуется отсутствием напряжения смещения (сигнал изменяется во­ круг нулевого уровня), большими нелинейными искажениями (усиливается чуть меньше по­ ловины сигнала). Применяется в усилителях мощности.

Режим А характеризуется отпирающим смещением (транзистор приоткрывается), прак­ тическим отсутствием нелинейных искажений. Применяется в линейных усилителях напря­ жения.

Режим D характеризуется большой амплитудой входного сигнала. Входной сигнал за­ нимает все три области (отсечки, линейной и насыщения). Сигнал на выходе получается в виде перепада напряжения от максимального до 0 (практически прямоугольный сигнал). Применяется в вычислительной технике (такой режим называется ключевым режимом рабо­ ты.)

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис. 1.50, где

VT, RK - главная усилительная цепь; R\, R2 - цепь подачи смещения, задает режим А; Срь Срг - разделительные конденсаторы, препятствующие протеканию постоянного тока. На сиг­ нал рабочей частоты не влияют;! Ri, Сэ - цепь термостабилизации. Она препятствует темпе­ ратурным изменениям параметров транзистора, а следовательно, и усилителя. Создает отри­ цательную обратную связь по постоянному току, за счет чего стабилизируются параметры. Коэффициент усиления каскада равен коэффициенту усиления главной усилительной цепи:

Л вх

Рис. 1.49

С^вх

На рис 1.51 представлена фор­ ма сигнала в различных точках усили­ тельного каскада: U\ = С/см + СУвх; C/cM=const; U2= KU\ = K(UQM + С/вх) =

- Киш + /СС/вх “ С/о + С/~

Общие сведения о многокас­ кадных усилителях. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя

К=КХК2 КЪ ...Кп = П * , Блок-схема

многокаскадного усилителя представ­ лена на рис. 1.52. Согласующий каскад должен иметь большое входное со­ противление. Усилитель мощности усиливает сигнал по мощности до ве­ личины, необходимой для нагрузки.

R*1Q2p

Рис. 1.52

В многокаскадном усилителе различают следующие типы связей:

гальваническая связь (связь через источники питания)

потенциометрическая связь

Rj Иг

5

Емкостная и трансформаторная связи применяются в усилителях переменного напояжения. а гальваническая н потенциометрическая - в усилителе постоянного тока (УПП

Усилитель с емкостной связью имеет АЧХ, представленную на рис.1 53 Влияние 6м костной связи определяется зависимостью сопротивленияХс отчастоты.

Влияние трансформаторной связи связано с зависимостью ЭДС трансформатора £2 от частоты:

Е2 =* 4,44^ / Ф при 4/-> Е24 -* UBUX 1 -+ К 1 .

Наличие емкостной и трансформаторной связи обусловливает уменьшение коэффи­ циента усиления в области низких частот. Если i f = 0), то {К = 0). В области высоких частот коэффициент усиления падает за счёт влияния ёмкости /т-и-перехода Сэь

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА (УПТ) - это усилитель, который должен уси­ ливать сигнал, начиная с частоты, равной 0. По этой причине нельзя использовать ёмкости и трансформаторы:

в качестве межкаскадных связей).

Основные причины возникновения дрейфа нуля:

изменение параметров транзистора под действием температуры; изменение напряжения источника питания.

Поскольку указанные изменения происходят оченьмедле_щю, то через усилители пе­ ременного напряжения с емкостной или трансформаторной связью эти помехи не проходят. Там нет дрейфа нуля. В УПТ же любые изменения напряжения на выходе предыдущего кас­ када усиливаются последующими каскадами, 4tp и приводит к дрейфу нуля.

Меры борьбы с дрейфом нуля: стабилизация температурного реэйима;

использование стабилизированных источников питания; усиление сигнала по схеме модуляция - демодуляция; использование специальных балансных схем.

Принцип усиления сигнала по схеме модуляция - демодуляция. Медленно изменяющий­ ся сигнал, подлежащий усилению, накладывается на сигнал высокой частоты (амплитудная модуляция,рис. 1.55). Блок-схема усиления сигнала представлена на рис. 1.56. Модулирован­ ный сигнал усиливается в усилителе переменного напряжения, после чего производят демо­ дуляцию - выделение усиленного медленно изменяющегося сигнала). Поскольку усиление сигнала происходит в усилителе переменного напряжения, то дрейфа нуля нет. В целом схе­ ма существенно усложняется. Для уменьшения дрейфа нуля наиболее часто используются специальные балансные схемы.

В балансных схемах используются свойства

(условия балансировки моста), то мост сбалансирован. Из условия балансировки =>(фз=Ф4)=>(^н^фз - Ф 4 = 0).

Свойства балансного моста:

1) независимо от изменения Uшо, если мост

дит к нарушению балансировки моста и к появлению напряжения на.выходе;

3) «ки н возникает только при разбалансировке,мост4-

. Схема дифференцисиъного каскада УПТ (рцс. 1,58). Схема содержит две одинаковые главные усилительные цепи J-Tj - RK\ и 1Т2 - RK2 , Эти четыре элемента составляют схему 4- плечнию моста. Транзисторы выбираются одинаковыми. Поэтому Pi = р:, /?»xi - Raxi, RK\ - = RK2 . Одинаковые главные усилительные цепи обладают одинаковыми коэффициентами

Ки\ и Киг ( Ко1= Ki>2 =К).

• Схема питается от двух источников Е\ и Е2у Е\ = К2у£пит =Х Е - Е\+Е2 =2Е. U\i - = ^вым ~ <;вых2, ЛБ - сопротивление для начальной балансировки схемы, R^ - сопротивле­ ние для стабилизации общего тока.

Возможны три способа подачи входных сигналов: а) двух разных сигналов на два входа; б) одного сигнала на оба входа (рис. 1.59, я);

в) одного сигнала на один из входов (рис. 1.59, б).

Рассмотрим принцип действия усилителя для первого способа подачи входных сигна­ лов. При подаче разных входных (сигналов транзисторы открываются в разной степени, мос­ товая схема1разбалансируется и йоявляется Пц Чем сильнее отличаются входные сигналы, тем сильнее разбаланс моста, тем больше напряжение Un-

IJH = UBUXI ~Uвых2—KUад-; -KUax^KfUaxi '-UBXI).

Схема дифференциального УПТ усиливает разность входных сигналов, поэтому кас­ кад называется дифференциальным. Коэффициент усиления, не взирая на наличие двух уси­ лительных цепей, равен коэффициенту усиления одной усилительной цепи.

/ иСттиусилителя при подаче на вход одноро сирнала. Вследствие идентичности тран­ зисторов в случаях подачи одного сигнала на оба входа или на один из входов UQX делится

пополам между обоими транзисторами. При этом один транзистор приоткрывается, другой призакрывастся.

UB& T $

--------' вх ♦

Рис. 1.59

Принцип действия можно проиллюстрировать диаграммой:

^ВХ2 - ” ЦВХ /т2-> UВЫХ2

Независимо от способа подачи входного сигнала коэффициент усиления схемы К остается неизменным.

Поскольку схема построенапринципу четырехплечного моста, то изменение на­ пряжения питания не приводит к появлению UHи одинаковые температурные изменения па­ раметров транзисторов не разбалансируют мост. Таким образом существенно компенсиру­ ются причины возникновения дрейфа нуля.

Понятие о прямом и инверсном (инвертирующем) входе. Если сигналы на входе и вы­ ходе усилителя совпадают по фазе, то данный вход называется прямым, если не совпадают, то - инвертирующим. Для УПТ, изображённого на рис. 1.58, по отношению к выходу с сиг­ налом £/Вых2 вход с сигналом t/pxi прямой, а вход с сигналом Uma инверсный.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТБЛЬ> (ОУ) - это многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентами усиления, имеющий два входа —прямой и инверсный, и один выход. В качестве каскадов использованы дифференциальные каскады УПТ, рассмот­

Из последнего выражения видно, что на вход влияет сигнал, пропорциональный выходному току, т.е. есть влияние выходной цепи на вход. Таким образом, включение R3 обусловливает появление ОС.

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА БАЗЕ ОПЕРАШОННОГО УСИЛИТЕЛЯ. Схема неинвертирующего усилителя представлена на рис.1.67, а, где Roc - сопротивление обратной связи. Сигнал ОС подается на инверсный вход, поэтому £/вхи = % с , £/вых = K(UBX п - UBXи) = - К (t/BX- Уос)- Это говорит о том, что,0]Ь отрицательная. Для того чтобы в ОУ ввести -ОС, нужно выход соединить с инверсным входом.