АНАЛ.ЭЛЕКТРОНИКА / theory

IГ	iВХ		IВХ	KiКЗ	IВЫХКЗ		iВЫХ		IВЫХ
					Ki
				KI
			Рис.1. 8. Усилитель ИТУТ
Для увеличения		КI необходимо увеличить					iВХ	(RГ>>RВХ) и iВЫХ
(RВЫХ>>RН). Усилитель			тока должен иметь малое входное и большое вы-
ходное сопротивления.

Квходному и выходному сопротивлениям в усилителях напряжения

итока предъявляются противоположные требования.

Коэффициенты согласования удовлетворяют условию

					U			i
	U		i	1					(1.22)
							U
				i

- увеличение коэффициентов согласования по напряжению путем изменения RВХ или RВЫХ приводит к уменьшению коэффициентов согласования по току.

1

uвых

0.5

iвых Rн

к.з.

Rн=Rвых

х.х.

Рис.1.9. Коэффициенты согласования

Максимальное значение коэффициента усиления по мощности обеспечивается при известном из теории электрических цепей согласовании сопротивлений

RГ=RВХ, RВЫХ=RН	U = i=0,5	(1.23)
10

Для получения требуемых соотношений между сопротивлениями в усилителях применяют промежуточные каскады, обеспечивающие согласование источников и приемников сигналов. Для согласования применяют преобразователи сопротивления (импеданса): трансформаторы, эмиттерные и истоковые повторители напряжения, повторители тока – схемы на транзисторах в схеме включения с общей базой или затвором.

1.5. Обобщенная схема усилителя с источником тока, управляемым напряжением −ИТУН

RГ	IВХ	ИТУН	IВЫХ
ЕГ		RВХ	S UВХ	RН
	UВХ		UВЫХ
			RВЫХ

Рис.1. 10. ИТУН

Схемный параметр, эквивалентная крутизна или проводимость прямой передачи S, определяется в режиме короткого замыкания на выходе усилителя

	S	IВЫХ		RН 0		IВЫХКЗ	(1.24)
		UВХ				UВХ
		UВЫХХХ S UВХ RВЫХ					(1.25)

Выходная цепь может быть преобразована в эквивалентный источник ЭДС, модель ИТУН преобразуется в ИНУН –рис.1.11.

U

ВЫХ

S U

ВХ

RВЫХ RН

U

ВЫХХХ

RН

U

ВЫХХХ

γ

ВЫХ

(1.26)

R

R

ВЫХ

R

ВЫХ

R

U

Н

Н

Коэффициенты усиления по напряжению

K

UXX

UВЫХXX

S R

(1.27)

UВХ

ВЫХ

11

KU UВЫХ S RВЫХ // RН КUХХ γU ВЫХ (1.28)

U

ВХ

ИНУН	RВЫХ	IВЫХ
	S RВЫХ UВХ	UВЫХ	RН

Рис.1. 11. Преобразование ИТУН в ИНУН

Kе	UВЫХ		RBX	S R	// R	γ	SR	γ	ВЫХ	(1.29)
	ЕГ			ВЫХ	Н	U ВХ	ВЫХ	U
			RГ RBX
При RВХ>>RГ и RВЫХ>>RН
			KU Ke S RН							(1.30)

Эквивалентная крутизна усилителя на основе ИНУН (рис.1.5)

S	IВЫХКЗ		KUXX UВХ		1		KUXX	(1.31)
					UВХ		RВЫХ
	UВХ		RВЫХ

Эквивалентная крутизна усилителя на основе ИТУТ (рис. 1.7)

S	IВЫХКЗ		IВЫХКЗ		KiКЗ	(1.32)
			IВХ RВХ		RВХ
	UВХ

Экспериментальное определение параметров усилителей

Параметры усилителей определяют путем измерения сигналов при известных значениях RГ и RН и расчета по формулам (1.1-1.7, 1.9,1.10, 1.12,1.13) и т. д. При этом измеряют сигналы ЕГ, UВХ, UВЫХХХ, UВЫХ, а токи определяют косвенным методом, чтобы исключить необходимость разрыва цепей для подключения амперметров.

12

	IВХ		EГ UВХ				(1.33)
				RГ
	IВЫХ			UВЫХ
							(1.34)
					RН

Применение формулы (1.5) ограничено тем, что усилители напряжения часто не допускают режим короткого замыкания, а усилители с токовым выходом не допускают режим холостого хода на выходе. Для усилителей на основе ИНУН сопротивления определяют по формулам

R		UВХ			R			UВХ		(1.35)
							ЕГ UВХ
ВХ		IВХ			Г
			U		ВЫХХХ			U ВЫХ
RВЫХ RН										(1.36)
						U ВЫХ

1.6.Классификация усилителей по виду амплитудно-частотной характеристики. АЧХ. Коэффициент линейных искажений

АЧХ − зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала.

ФЧХ− зависимость фазового сдвига между выходным и входным напряжениями от частоты входного сигнала.

По типу АЧХ выделяют 4 основных типа усилителей:

1. Усилители постоянного тока − УПТ.

	K(f)
K0
√2
0	fв	f
	Рис.1. 12. АЧХ УПТ

Верхнюю частоту принято определять по уровню 1/√2=0,7.

13

2. Усилители звуковой частоты –УЗЧ. Диапазон частот fн=20Гц, fв=20кГц.

	K(f)
	K0
K0
2
	2		f
0	fн	f0	fв
	Рис.1. 13. АЧХ УЗЧ

4. Широкополосные усилители.

Полоса пропускания f= fв−fн>0,1МГц.

K(f)

K0

K

√2

f

0

fн

f0

fв

f>>f0

Рис.1. 14. АЧХ широкополосного усилителя

4. Резонансные, узкополосные усилители.

K(f)

K0

К0

2

f

0	f0 f<<f0

Рис.1. 15. АЧХ резонансного усилителя Искажениями называются отклонения формы выходного сигнала от

формы входного сигнала. Линейные искажения – такие искажения формы сигнала, причиной которых является неравномерность АЧХ. Причина ли-

14

нейных искажений в том, что разные гармонические составляющие сигнала усиливаются по-разному и приобретают разные сдвиги по фазе. Величина искажения характеризуется коэффициентом линейных искажений.

M f

K0

(1.37)

K( f )

На граничных частотах

K0

K0

K0

M fн M fв

2

(1.38)

2

K( fн ) K( fв ) K0

Применяют логарифмический коэффициент линейных искажений –

выраженный в децибеллах относительный коэффициент:

Mf дБ=20lg(Mf)

(1.39)

На граничных частотах

M fн дБ

M fв дБ

20 lg

3дБ

(1.40)

2

K0

K(f)

K0

2

fн					fв	f

Mf

2 1

fн

fв

f

Рис.1. 16. Коэффициент линейных искажений

1.7. Цепи связи в усилителях. Цепи связи, ослабляющие низшие частоты. ФВЧ.

Спад АЧХ в области низших и высших частот обусловлен наличием в усилителях пассивных и активных элементов с частотозависимыми параметрами.

Причина уменьшения модуля коэффициента передачи увеличение сдвига фаз в области НЧ – наличие разделительных конденсаторов в рези- стивно-емкостных каскадах.

В области ВЧ уменьшение модуля коэффициента передачи усилителя происходит вследствие уменьшения емкостных сопротивлений p-n- пере-

15

ходов, зависимостей или от частоты и т.д. Цепи связи, ослабляющие низшие частоты:

C

U1

I

U2

R

Рис.1.16. ФВЧ

		U2 ( j ) I( j ) R U1( j )																																														R
																																												R					1
																																																	j C
U2 ( j )					R						1																																	1												j arctg		1		(1.41)
																																																										RC
K( j )	U1( j )					1														1																																	e
			R						1 j																										1 (									1						)2
						j C										RC
																																													RC
							K( )																1																		,
																1														1						2
																							RC
								( ) arctg																								1
																												RC
																				1
н=RC- постоянная времени,																								н - нижняя угловая частота
																				н
					1																									1																		1
	K( )
								1 2																								1						2															н		2
					1																1																									1
						RC
																													н
Нижняя частота											н												1
								fн																										,																										(1.42)
АЧХ:												2											2 RC
																							1
								K( f )																																																				(1.43)
																												f		н		2
																				1
																													f
ФЧХ:																															fн
								( f			) arctg																																																	(1.44)
																																f

16

При f<<f ,	К(f)→0,					( f )→ /2 ;
ff>>fН,	К(f	Н	)=		⁄	,	( f )→0.
=f ,						,	( f ) = /4;
				1 √2
	( ) → 1
		K(f)			1
			1
			2
							fн	f
							Рис.1.17. АЧХ ФВЧ
				(f)
		2
		4
							fн	f
							Рис. 1.18. ФЧХ ФВЧ
			+j
			K( )				н
				( )			>> н	+1
							1

Рис.1.19. Годограф ФВЧ

1.8. Цепи связи в усилителях, ослабляющие высшие частоты. ФНЧ.

Простейшая RC−модель имеет вид:

17

R	C
U1	I
	U2

Рис. 1.20. ФНЧ

U 2 ( j ) I ( j )

1

U1

( j )

1

j C

R1

1

j C

j C

1

K( j )

U2( j )

j С

1

1

e j arctg RC (1.45)

1

U1( j )

R

1 j CR

1 ( RC )2

j С

RC= В =1/ωВ[сек],

Верхняя частота

fв

в

1

1

АЧХ:

2

2 в

2 RC

1

K( f )

,

f

2

1

fв

ФЧХ:

f

( f

) arctg

fв

f 0 ( f<<fв ),

K ( f ) 1, ( f ) 0 ;

f=fв , , K( fв )

1

( fв )

;

4

2

f >>fв

K(f) 0,

( f )

.

2

(1.46)

(1.47)

(1.48)

18

K(f)
1
1
2
fВ	f
Рис. 1.21.	АЧХ ФНЧ

(f) fв

f

- 4

- 2

Рис.1.22. ФЧХ ФНЧ

+j
ω=	ω=0 +1
(ω)	1
K( )	K( )

= в

Рис.1.23. Годограф ФНЧ

1.9.Обобщенные АЧХ и ФЧХ усилителей.

Вобщем случае усилитель содержит цепи, ослабляющие низшие и высшие частоты, то есть ФВЧ и ФНЧ.

Обобщенная АЧХ

K( f )						К0								(1.49)
			f	Н		2					f	2
	1							1
			f
											fВ

19