Амплитудная характеристика усилителя

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 31Следующая ⇒

Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от изменения амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Ее снимают при синусоидальном входном сигнале для области средних частот. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя показан на рис. 4.9.

Участок 2 – 3 соответствует пропорциональной зависимости амплитуды выходного напряжения U_вых_m от амплитуды входного напряжения U_вх_m, которые связаны между собой коэффициентом усиления

K_U₀ = U_вых_m/ U_вх_m.

Амплитудная характеристика не проходит через начало координат из-за наличия на выходе усилителя собственных шумов. Участок 1 – 2 амплитудной характеристики не используется, так как здесь полезный сигнал трудно отличить от собственных шумов усилителя. По величине U_min/K_U₀ оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (чувствительность) усилителя.

При достижении некоторого уровня входного сигнала, соответствующего точке 3, пропорциональность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного напряжения на неизменном уровне. Ограничение выходного напряжения обуславливается перемещением рабочей точки каскада вдоль линии нагрузки по переменному току в область начальных участков коллекторных характеристик (для одной полуволны), либо в область отсечки коллекторного тока (для другой полуволны).

Отношение максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому называется динамическим диапазоном усилителя

D = U_max/U_min.

При входном напряжении синусоидальной формы сигнал на выходе усилителя нельзя считать чисто синусоидальным. Искажения формы выходного напряжения, вносимые усилителем, называют нелинейными. Нелинейные искажения, создаваемые усилителем, оценивают для синусоидального входного напряжения, исходя из состава высших гармоник, появляющихся в кривой выходного напряжения усилителя из-за отличия формы выходного напряжения от синусоидальной. Мерой оценки служит коэффициент нелинейных искажений (клирфактор) усилителя, выражаемый в процентах:

где U1 – действующее значение первой (основной) гармоники выходного напряжения; U₂, U₃, U₄…- действующие значения высших гармоник выходного напряжения, появляющихся вследствие отличия формы выходного напряжения от синусоидальной.

Усилители с обратной связью

Обратная связь осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его выхода. Структурная схема усилителя с обратной связью показана на рис. 4.10. Звено обратной связи характеризуется коэффициентом передачи ŵ, показывающим связь параметра (напряжения, тока) выходного сигнала этого звена с параметром (напряжением, током) выходной цепи усилителя. Коэффициент усиления усилителя Ķ и коэффициент передачи цепи обратной связи (ОС) ŵ показаны на рис. 4.10 в виде комплексных значений с целью учета возможного фазового сдвига, возникающего на низких и высоких частотах из-за наличия в схеме усилителя и в цепи ОС реактивных элементов. Если анализируется работа усилителя в области средних частот и в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то можно использовать действительные значения коэффициентов K и w.

Различают четыре основных вида обратной связи:

- последовательная обратная связь по напряжению;

- последовательная обратная связь по току;

- параллельная обратная связь по напряжению;

- параллельная обратная связь по току.

Обратная связь по напряжению реализуется путем измерения выходного напряжения и подачей некоторой его части на вход. Обратная связь по току реализуется путем измерения выходного тока и подачей некоторой его части на вход.

Последовательная обратная связь реализуется путем суммирования на входе усилителя напряжения входного сигнала и напряжения, пропорционального выходному напряжению или току. Параллельная обратная связь реализуется путем суммирования на входе усилителя тока входного сигнала и тока, пропорционального выходному напряжению или току.

Обратную связь называют положительной, если результат ее воздействия приводит к увеличению сигнала на входе и, следовательно, на выходе. Если результат воздействия обратной связи приводит к уменьшению сигнала на входе и выходе, то обратную связь называют отрицательной. Отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые показатели усилителя, поэтому она нашла наибольшее применение.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, в области средних частот можно определить по формуле

. (4.5)

Знак "-" в выражении (4.5) соответствует положительной обратной связи, а знак «+» - отрицательной. Таким образом, коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью, больше коэффициента усиления самого усилителя, а коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, меньше коэффициента усиления самого усилителя.

Положительная обратная связь может привести к самовозбуждению усилителя, когда на выходе усилителя появляется сигнал, состоящий из спектра частот независимо от сигнала на входе. Такой режим работы возникает, если выполняется неравенство |K_U w| ³ 1. Это свойство положительной обратной связи используется при построении генераторов напряжения.

Отрицательная обратная связь приводит к стабилизации параметров усилителя, охваченного обратной связью. Относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в 1+ K_U w раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При большом коэффициенте усиления K_U и большой глубине обратной связи (1+ K_U w) удается практически полностью исключить зависимость коэффициента усиления усилителя от изменения его параметров. При этом единицей в знаменателе выражения (4.5) можно пренебречь и коэффициент усиления усилителя будет определяться только коэффициентом передачи цепи обратной связи w:

K_U_ос » 1/w,

т. е. практически не будет зависеть от K_U и возможных его изменений.

С помощью отрицательных обратных связей, охватывающих отдельные каскады усилителя, решают задачу уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала, а также ослабления влияния помех в усилителе.

Обратные связи оказывают влияние и на входное и выходное сопротивления усилителя. Результат этого влияния зависит от вида обратной связи. На входное сопротивление влияет способ подачи сигнала обратной связи на вход усилителя (параллельная или последовательная обратная связь). На выходное сопротивление влияет тип сигнала, снимаемого с выхода усилителя (напряжение или ток).

Введение последовательной отрицательной обратной связи позволяет увеличить входное сопротивление усилителя в 1+ K_U w раз. Введение параллельной отрицательной обратной связи уменьшает входное сопротивление усилителя в 1+ K_U w раз. Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в1+ K_U w раз, а отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя в1+ K_U w раз.

4.8 Каскады усиления мощности

Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается нагрузка. Поэтому при анализе усилителей мощности основное внимание уделяется энергетическим показателям.

Рассмотренные ранее усилители обеспечивают усиление относительно небольших мощностей. И при проектировании таких усилителей вопросы повышения КПД и вообще энергетических показателей не являются первостепенными. Однако если усилитель служит для питания, к примеру, маломощных двигателей постоянного тока, то высокое значение КПД позволяет снизить потери энергии источника питания, уменьшить нагрев приборов и т.д.

Схемы каскадов усиления мощности отличаются большим разнообразием и могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, ОЭ (ОИ) или ОК (ОС). По способу подключения нагрузки и связи между каскадами каскады усиления мощности могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

Каскады усиления мощности отличаются от рассмотренных схем не только структурой, но и особенностями расчетов.

Классы усиления

В усилителях мощности нашли применение три класса усиления: класс А, класс В и класс АВ, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки по постоянному току.

Особенности классов усиления покажем на примере коллекторных характеристик транзистора ОЭ.

Построим зависимость u_кэ=f(u_бэ), называемую передаточной характеристикой каскада (рис. 4.11).

При увеличении напряжения u_бэ растет ток базы i_б, растет и ток коллектора.

В результате увеличивается падение напряжения на резисторе R_к, уменьшается падение напряжения u_кэ=Е_к-i_к*R_к.

При достижении напряжения U_кэ=U_{кэ н}, дальнейшее увеличение напряжения u_бэ не вызывает изменения напряжения u_кэ и тока i_к, протекающего через R_к. В этом режиме к R_к приложено напряжение Е_к-U_{кэ н}, и поэтому ток коллектора i_к=I_{к н}=(Е_к-U_{кэ н})/R_к.

Рассмотрение передаточной характеристики каскада показывает, что при изменении напряжения u_бэ или тока i_б в цепи маломощного источника сигнала можно изменить ток i_к и напряжение u_кэ в цепи более мощного источника Е_к. Однако коллекторное напряжение можно изменять только в пределах U_{кэ н}<u_кэ<E_к, а ток в пределах I_кбо=<i_к=<(Е_к-U_{кэ н})/R_к (участок II на передаточной характеристике). Очевидно что при увеличении u_бэ u_кэ уменьшается. Усилитель, в котором приращение выходного сигнала противоположно по знаку приращению входного сигнала называется инвертирующим.

Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные способы работы каскада, называемыми классами усиления.

При произвольном двухполярном сигнале u_вх(t) форма кривой напряжения u_кэ(t) зависит от величины напряжения смещения на базе.

В режиме класса Аточку покоя располагают так, чтобы рабочая точка при движении по линии нагрузки не заходила в нелинейную начальную область коллекторной характеристики и в область отсечки коллекторного тока, т.е. в области искажений выходного сигнала. Режим усиления класса А используется в однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшие искажения сигнала, но обладают наименьшим к.п.д. Они находят применение при мощности в нагрузке не более нескольких десятков милливатт.

В режиме класса В точку покоя располагают в нижней части нагрузочной характеристики каскада по постоянному току при токе покоя практически равном нулю (точнее, равном обратному току транзистора в схеме ОЭ I*_ко = (b+1)I_ко). Режиму покоя соответствует ток покоя базы, равный нулю I_б = 0. При наличии входного сигнала ток коллектора транзистора протекает только в течение одного полупериода, а в течение другого полупериода транзистор работает в режиме отсечки тока. В режиме класса В усилитель мощности выполняют по двухтактной схеме с использованием двух транзисторов. Каждый из двух транзисторов служит для усиления только одной полуволны входного сигнала. Выходной каскад класса В обладает более высоким к.п.д. и используется на более высоких мощностях, чем однотактный. Недостатком режимаусиления класса В является повышенный коэффициент нелинейных искажений, вносимых каскадом в усиливаемый сигнал вследствие нелинейности начального участка входных характеристик транзисторов.

В режиме класса АВ точку покоя выбирают при токе покоя I_0к > I*_ко с таким расчетом, чтобы вывести транзистор на линейный участок входной характеристики, начинающийся с тока I_0б. Такой режим позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала, не очень существенно снижая к.п.д. каскада.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 9503; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!