Контрольная работа: Электронные усилители

где U_iВЫХ - амплитуда i-ой гармоники выходного искаженного сигнала,  U_1ВЫХ - амплитуда первой (основной) гармоники. Первая гармоника представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений. Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

2. Параметры многокаскадных усилителей

В зависимости от назначения усилителя заданный коэффициент усиления может достигать десятков тысяч. Коэффициент усиления, значение которого превышает 10², обычно получают, составляя усилитель из нескольких простейших усилителей, содержащих один усилительный элемент. Такими простейшими усилителями и являются усилительные каскады. Они соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего. Поэтому усилитель, состоящий, например, из двух каскадов, можно представить в виде эквивалентной схемы, приведенной на рис.6.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех его каскадов.

Частотные искажения многокаскадного усилителя определяются частотными искажениями в отдельных каскадах. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов.

Нелинейные искажения синусоидального сигнала в многокаскадных усилителях, характеризуемые коэффициентом гармоник, можно оценить, просуммировав коэффициенты гармоник каждого отдельного каскада усилителя. Так как нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения , начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность (рис. 5), нелинейные искажения будут наибольшими в последнем, выходном, каскаде усилителя. Поэтому ориентировочно можно считать, что коэффициент гармоник n-каскадного усилителя равен коэффициенту гармоник последнего каскада.

Для исключения влияния цепей постоянного тока отдельных каскадов друг на друга, т. е. обеспечения развязки каскадов по постоянному току, в усилителях переменного сигнала используют разделительный конденсатор или трансформатор.

С помощью трансформатора можно обеспечить не только развязку, но и согласование каскадов между собой. Поэтому трансформаторную связь удобно применять в усилителях мощности, где согласование усилителя с нагрузкой и источником входного сигнала является необходимым условием. В усилителях напряжения, как правило, используется RС-связь, так как трансформатор имеет существенные недостатки, главными из которых являются большие габариты и вес, а также высокая стоимость.

В усилителях постоянного тока каскады соединяются непосредственно друг с другом. При этом усложняется задача обеспечения нормальной работы усилительных элементов (транзисторов) в заданном режиме.

В аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) усилителей как постоянного, так и переменного тока используется, как правило, непосредственная связь между каскадами, так как реализация конденсаторов большой емкости и трансформаторов в микроэлектронном исполнении весьма затруднительна.

Каскады, из которых состоит многокаскадный усилитель, разделяют на каскады предварительного усиления и оконечные (выходные) каскады. Такое разделение обусловлено различными требованиями, предъявляемыми к ним. Основное назначение каскадов предварительного усиления - обеспечение максимального коэффициента усиления по напряжению при минимальных нелинейных искажениях. Назначение выходного каскада - усиление мощности. В выходном каскаде для получения высокого коэффициента полезного действия полностью используются рабочие диапазоны токов и напряжений усилительного элемента, поэтому неизбежно появляются нелинейные искажения. Ясно, что они не должны превышать заданного разработчиком предельного значения.

Каскады предварительного усиления, в свою очередь, разделяют на входной каскад и промежуточные каскады. Основное требование к входному каскаду - обеспечение условия максимальной передачи напряжения от источника сигнала к усилителю .

Одно из главных требований, предъявляемых к промежуточным каскадам,- обеспечение коэффициента усиления по напряжению, при котором можно получить на выходе усилителя заданное значение выходной мощности.

3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

.1 RC-каскад с ОЭ

Усилитель всегда можно разделить на несколько промежуточных ячеек - каскадов. Источником сигнала для данного каскада служит генератор или выход предыдущего каскада, а нагрузкой - вход следующего каскада или потребитель усиленного сигнала. Простейший усилитель состоит только из одного каскада.

Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные каскады (RC-каскады, усилители с емкостной связью).

Принципиальная схема RС-каскада с ОЭ на транзисторе типа n-p-n приведена на рис. 7.

При отсутствии входного сигнала (в режиме покоя усилителя) в цепях эмиттера, коллектора, базы и в цепи делителя напряжения, состоящего из резисторов R1 и R2, протекают постоянные токи, направления которых показаны на рис. 7.

В проводах питания протекает постоянный ток

.

Постоянное напряжение между эмиттером и коллектором определяется выражением

.

Для нормальной работы каскада необходимо, чтобы постоянные напряжения эмиттер-коллектор , база-эмиттер , а также постоянный ток коллектора  транзистора соответствовали определенным значениям. Их выбирают, исходя из соображений получения наибольшего усиления и минимума потребляемой мощности, что достигается выбором соответствующих величин сопротивлений резисторов , ,  и .

При подаче на вход усилительного каскада подлежащего усилению сигнала между базой и эмиттером транзистора создается переменное напряжение, вызывающее соответствующие изменения токов базы и коллектора. Временные диаграммы работы каскада приведены на рис. 7,б.

Усиливаемый сигнал подается на вход каскада через конденсатор , назначение которого состоит в предотвращении попадания части текущего через резистор  постоянного тока в цепь источника сигнала, которым может быть и усилительный каскад. В схемах реальных усилительных каскадов конденсатор  может и отсутствовать, тогда его роль выполняет конденсатор, аналогичный конденсатору  в предыдущем каскаде.

Конденсаторы  и  в соответствии с их назначением называются разделительными. Назначение блокировочного конденсатора  - обеспечение постоянного напряжения на эмиттере транзистора.

Усилительный каскад с ОЭ имеет большие коэффициенты усиления тока и напряжения. Его недостатком является не слишком большое входное сопротивление.

Частотные характеристики каскада с ОЭ в области средних частот. Область средних частот усилительного RС-каскада ограничивается нижней граничной частотой ω_Н и верхней граничной частотой ω_В усиления, между которыми коэффициент усиления не отличается более чем в  раз по сравнению с его максимальным значением  (рис. 3,а). Постоянство коэффициента усиления на данном участке частотного диапазона свидетельствует о том, что в этой области частотно-зависимые элементы схемы (С1, С2, Сэ) не оказывают влияния на работу каскада.

Частотные характеристики каскада с ОЭ в области нижних частот. Основное влияние на частотную характеристику каскада в области нижних частот оказывают разделительные конденсаторы С1 и С2 и конденсатор С_Э (рис.6.7, а). Емкостные сопротивления разделительных конденсаторов С1 и С2 возрастают настолько, что становятся соизмеримыми с входным и выходным сопротивлениями каскада, образуя частотно-зависимые делители напряжения. Это приводит к ограничению полосы пропускания усилителя снизу и является причиной появления частотных искажений. Кроме того, с уменьшением частоты возрастает также емкостное сопротивление конденсатора С_Э в цепи эмиттера, что приводит к появлению отрицательной обратной связи по переменному току, при которой на вход транзистора подается напряжение, пропорциональное току, протекающему в выходной цепи транзистора.

Для уменьшения частотных искажений (расширения частотной характеристики в область нижних частот) необходимо уменьшать нижнюю граничную частоту ω_Н. Обычно снижение ω_Н оказывается возможным за счет увеличения емкостей конденсаторов С1, С2 и С_Э, а также увеличения, например, с помощью отрицательной обратной связи входного и выходного сопротивлений усилителя.

Частотные характеристики каскада с ОЭ в области верхних частот. На верхних частотах сопротивления разделительных конденсаторов С1, С2 и блокировочного конденсатора С_Э (рис.7) стремятся к нулю. Эти конденсаторы не оказывают влияния на работу каскада. Основное влияние на частотную характеристику в этой схеме оказывает емкость коллекторного перехода C_К транзистора и емкость нагрузки C_Н (входная емкость последующего каскада и емкость монтажа).

Для расширения полосы пропускания каскада в области верхних частот (увеличения частоты ω_В) и уменьшения частотных искажений необходимо уменьшать емкости C_К и C_Н. Величина емкость C_К зависит от параметров выбранного транзистора и сопротивления нагрузки сопротивлением нагрузки.

Таким образом, усилительный RС-каскад с ОЭ имеет разный коэффициент усиления в различных участках частотного спектра. В области низших частот уменьшение коэффициента усиления обусловлено наличием разделительных конденсаторов и конденсатора в цепи эмиттера. В области высших частот уменьшение коэффициента усиления связано с инерционностью транзистора, емкостью коллекторного перехода и емкостью нагрузки.

3.2 RС-каскад с ОБ

Принципиальная схема каскада с ОБ на n-p-n-транзисторе приведена на рис. 8. Резисторы  и  образуют делитель напряжения, обеспечивающий положительный потенциал эмиттера, т.е. смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, поскольку потенциал базы по переменному току равен нулю. Конденсатор С3 служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току.

Входное сопротивление каскада с ОБ много меньше входного сопротивления каскада с ОЭ (практически оно не превышает нескольких десятков Ом). Коэффициент усиления по току всегда меньше единицы. Коэффициент усиления по напряжению существенно зависит от сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала . Для получения большого значения  необходимо, чтобы  стремилось к нулю, а  было большим.

Отметим, что в каскаде с ОБ не требуются специальные меры по стабилизации рабочей точки.

Усилительные каскады с ОБ, как правило, используют на повышенных частотах и для усиления широкополосных импульсных сигналов.

Нелинейные искажения в каскаде с ОБ меньше, чем в каскаде с ОЭ.

Отметим, что каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал.

усилитель импульсный сигнал транзистор

3.3 RC-каскад с ОК (эмиттерный повторитель)

Принципиальная схема RC-каскада с ОК приведена на рис 9. Такой каскад называют также эмиттерным повторителем, поскольку выходное напряжение по величине мало отличается от входного. Цепи смещения здесь те же, что и в предыдущих каскадах.

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению меньше единицы. За счет большого усиления по току происходит усиление мощности.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя значительно больше входного сопротивления каскада с ОЭ. Величина входного сопротивления ограничивается делителем в цепи базы. Чтобы исключить шунтирование входной цепью часто используют цепи смещения без делителя в базе. Обычно входное сопротивление эмиттерного повторителя достигает 100…200кОм.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя меньше выходных каскадов с ОБ и ОЭ.

Передача на выход входного сигнала при большом входном и малом выходном сопротивлениях обусловила широкое применение повторителей в электронике. Прежде всего, повторители служат в качестве элементов согласования большого выходного сопротивления первичных преобразователей (датчиков) с малым входным сопротивлением предварительного усилителя. Датчик при этом нагружен на большое входное сопротивление повторителя, а напряжение датчика воспроизводится на низкоомном выходе повторителя.

Эмиттерный повторитель, обладая высоким входным и низким выходным сопротивлениями, широко используется в промежуточных усилительных каскадах для повышения коэффициента усиления каскада с ОЭ, работающего от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением. Отметим, что каскад с ОК не инвертирует входной сигнал, т.е. действительно является повторителем.

Качественное сравнение параметров рассмотренных трех каскадов (с ОЭ, ОБ и ОК) приведено в таблице 1.

Таблица 1 Параметры усилительных каскадов в области средних частот

4. Избирательные усилители

Избирательными называются усилители, обладающие способностью выделять полезный сигнал, соответствующий заданной частоте или полосе частот, из всей совокупности сигналов, поступивших на вход усилителя.

Основные параметры избирательного усилителя: