Контрольная работа: Электронные усилители

Электронные усилители

Контрольная работа

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Содержание

Введение

. Характеристики усилителей

.1 Частотные и временные характеристики

.2 Линейные и нелинейные искажения в усилителях

. Параметры многокаскадных усилителей

. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

.1 RC-каскад с ОЭ

.2 RС-каскад с ОБ

.3 RC-каскад с ОК (эмиттерный повторитель)

. Избирательные усилители

Литература

Введение

Электронным усилителем называют устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы сигнала.

Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал которого управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания показана на рис. 1.

Источниками входного сигнала могут быть микрофон, фотоэлемент, предшествующий усилитель, термопара и т. д.

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое потребителем или нагрузкой. В качестве нагрузки могут использоваться телефон, громкоговоритель, гальванометр, осциллограф, реле, последующий усилитель, электродвигатель и т. д.

Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах, например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Поскольку диапазон мощностей, отдаваемых источником сигнала и потребляемых нагрузкой, может быть очень большим, усилитель может состоять из нескольких простых усилителей, называемых усилительными каскадами.

Усилитель в целом (или усилительный каскад в отдельности) может рассматриваться как линейный активный четырехполюсник, эквивалентные схемы которого приведены на рис. 2.

В схеме, представленной на рис. 2,а, к входным зажимам усилителя подключается источник входного напряжения E_с с внутренним сопротивлением R_с, а к выходным зажимам - сопротивление нагрузки R_н. Э.д.с. генератора напряжения E пропорциональна входному напряжению U_вх. В схеме, приведенной на рис. 2,б, генераторы напряжения E_с и E представлены в виде генераторов тока. Генератор и нагрузка не являются частями усилителя, но часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2 представлен своими входным R_BX и выходным R_BЫX сопротивлениями.

Обычно усилители классифицируют по нескольким признакам: характер изменения усиливаемого сигнала, полоса усиливаемых частот, назначение, тип используемого усилительного элемента. Названные признаки не исключают и другие принципы деления усилителей на различные группы.

В соответствии с характером изменения входного сигнала, который должен воспроизводиться после усиления в цепи нагрузки, различают усилители постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока обеспечивают усиление сколь угодно медленных изменений входного сигнала, усилители переменного тока предназначены для усиления колебаний, частота которых превышает некоторое нижнее граничное значение f_н > 0.

В зависимости от ширины полосы усиливаемых частот усилители переменного тока, в свою очередь, подразделяются на усилители синусоидальных колебаний фиксированной частоты, усилители звуковой и радиочастоты, узкополосные (селективные) и широкополосные усилители, усилители низкой частоты, работающие в диапазоне от 20Гц до 20кГц, и усилители высокой частоты, способные усиливать колебания с частотами свыше 100кГц.

По назначению различают усилители тока, напряжения и мощности, по виду нагрузки - резисторные, резонансные, трансформаторные и т.д.

По характеру усиливаемых сигналов усилители делят на усилители непрерывных и импульсных сигналов.

1. Характеристики усилителей

В общем случае необходимость применения усилителя возникает при условии, что максимальная мощность источника сигнала (номинальная мощность), которую он может отдать в нагрузку, недостаточна для нормального функционирования последующего электронного устройства. Поэтому любой усилитель является усилителем мощности, и характеристикой усиления может служить коэффициент усиления по мощности, равный отношению мощности выходного сигнала Р_ВЫХ к мощности источника сигнала Р_С

Обычно усилителем мощности называют такой усилитель, который обеспечивает высокий коэффициент полезного действия выходной цепи. Максимальный коэффициент усиления по мощности получается при выполнении условий R_с = R_вх и R_н = R_вых, которые называются условиями согласования входа и выхода усилителя соответственно с источником сигнала и нагрузкой.

Основные характеристики таких усилителей:

максимальная выходная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

коэффициент полезного действия (К.П.Д.) h, определяемый как отношение полезной мощности Р_вых, выделяемой в нагрузке, к мощности Р₀, потребляемой усилителем от источника питания, т. е.

.

Входным сопротивлением усилителя называется его сопротивление переменному току, протекающему во входной цепи

R_ВХ = U_ВХ/I_ВХ.

Это сопротивление является нагрузкой для источников входного сигнала.

Выходное сопротивление определяется отношением выходного напряжения, поданного на выход каскада, к протекающему в выходной цепи току при R_н = 0

R_ВЫХ = U_ВЫХ/I_ВЫХ.

Основной характеристикой усилителей, работающих в условиях, далеких от режима высокого коэффициента полезного действия выходной цепи, является коэффициент передачи.

Коэффициентом передачи усилителя называют отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В частном случае, когда эти сигналы являются однородными (например, ток или напряжение), коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления по напряжению K_U представляет собой отношение напряжения на нагрузке U_ВЫХ к напряжению холостого хода источника входного сигнала E_С. Как следует из рис. 6.2, а,

.

Если R_ВХ >> R_С и R_ВЫХ << R_Н, то как источник сигнала, так и выходная цепь усилителя работают в режимах, близких к холостому ходу (без нагрузки). В этом случае величина K_U перестает существенно зависеть от значений внешних по отношению к усилителю элементов R_С и R_Н, при этом E_C = U_ВХ.. Усилители, работающие в таком режиме, называют усилителями напряжения.

Коэффициент усиления по току K_I определяется как отношение выходного тока (тока нагрузки) к току короткого замыкания источника сигнала I_с

.

Если R_ВХ << R_С и R_ВЫХ >> R_Н, то источник сигнала и выходная цепь оказываются в режимах, близких к короткому замыканию. При этом токи сигналов в выходной и входной цепях усилителя перестают существенно зависеть от значений сопротивлений R_С и R_Н, при этом I_С = I_ВХ. Усилители, работающие в таком режиме, называются усилителями тока.

1.1 Частотные и временные характеристики

Как и в случае пассивных линейных систем, частотные характеристики усилителя определяются комплексным коэффициентом передачи, который может быть представлен в виде отношения комплексных амплитуд выходного и входного сигналов при гармоническом входном сигнале. Так для комплексного коэффициента усиления по напряжению будем иметь:

.

Зависимость модуля коэффициента усиления || = К(ω) от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или просто частотной характеристикой усилителя.

Зависимость от частоты фазового сдвига  выходного сигнала усилителя относительно его входного сигнала называется фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) или просто фазовой характеристикой усилителя.

Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(ω) = K₀ = const.

Фазовая характеристика такого усилителя не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты, т.е.

.

На практике в полосе частот, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала, можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным АЧХ и ФЧХ.

Для усилителей, как и для пассивных линейных систем, вводятся понятия нижней граничной частоты ω_н, верхней граничной частоты ω_в и полосы пропускания . Частоты ω_н и ω_в определяются как частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в  раз по сравнению с коэффициентом  (рис. 3,а). Область частот, лежащая левее средних частот, носит название области низших частот, область, лежащая правее - области высших частот. Полоса пропускания усилителя

.

Наряду с частотными характеристиками для определения искажений формы сложного колебания применяется переходная характеристика h(t), представляющая собой реакцию усилителя на единичный скачок напряжения (тока) и импульсная характеристика g(t), являющаяся реакцией линейной цепи на дельта-импульс. Эти характеристики однозначно связаны с частотными характеристиками.

Переходная характеристика h(t) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания t_З, длительность фронта t_Ф и время спада t_С (рис.4). При повышении верхней граничной частоты ω_в уменьшаются искажения в области малых времен (сокращается время t_З и t_Ф), а при уменьшении нижней граничной частоты ω_Н - в области больших времен (уменьшается спад вершины, т.е. возрастает время t_С). У усилителей постоянного тока (ω_Н = 0) переходная характеристика не обнаруживает спада вершины.

1.2 Линейные и нелинейные искажения в усилителях

Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажениями понимается изменение формы выходного сигнала по отношению к форме входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (вызываемые изменением модуля коэффициента усиления усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала) и фазовые (обусловленные нелинейностью фазочастотной характеристики усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала).

Идеальный усилитель, у которого линейные частотные искажения отсутствуют, имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

Фазовая характеристика усилителя, у которого отсутствуют фазовые линейные искажения, не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты

(φ_к(ω) = const(ω)).

В последнем случае все гармонические составляющие входного сигнала получают одинаковую временную задержку, и выходной сигнал лишь сдвигается во времени (запаздывает) относительно входного на величину t_З.

Частотные искажения усилителя на частоте ω характеризуются коэффициентом частотных искажений

M = K_U0/K_Uω.

Здесь K_Uω - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте ω. С помощью АЧХ можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений М_н и М_в соответственно на нижней (ω_Н) и верхней (ω_В) граничных частотах.

При достаточно низких уровнях входного сигнала усилитель обладает свойствами линейной системы и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональны амплитуде входного напряжения, т.е. коэффициент усиления усилителя не зависит от величины сигнала. В связи с наличием нелинейных свойств у всех усилительных приборов при увеличении входного сигнала линейная зависимость величины выходного сигнала от величины входного сигнала нарушается. При этом коэффициент усиления начинает зависеть от величины усиливаемого сигнала, возникают нелинейные искажения, в спектре выходного сигнала появляются частотные составляющие, отсутствующие в спектре входного сигнала.

Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды первой гармоники входного напряжения при синусоидальной форме входного сигнала называется амплитудной характеристикой (рис. 5). Нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения , начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность.

Отношение (в децибелах) максимального напряжения на входе усилителя U_МАКС к минимальному U_МИН D = 20lg(U_МАКС / U_МИН) называется динамическим диапазоном усиления усилителя. Минимально допустимое входное напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых выходной сигнал не удается выделить.

Амплитудная характеристика во многих случаях оказывается слишком грубым средством описания нелинейных искажений усилителя. Поэтому вводится понятие коэффициента гармоник (коэффициента нелинейных искажений), представляющего собой отношение суммы амплитуд всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к амплитуде напряжения (или тока) первой гармоники на выходе усилителя при воздействии на вход усилителя одного чисто синусоидального сигнала: