Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

IIT_ekzamen

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
06.11.2017
Размер:
3.79 Mб
Скачать

Усилители

1. Определение усилителя электрических сигналов. Характеристики электронных усилителей

Усилители это разновидность устройств, с помощью которых осуществляется управление энергией. Отличительной особенностью большинства, из которых является плавность и однозначность процесса управления энергией.

Взависимости от вида управляемой и управляющей энергий различают механические, гидравлические,

пневматические, электрические и магнитные усилители.

Усилители электрических сигналов в свою очередь подразделяют на электронные, электромеханические,

электромашинные, диэлектрические, оптоэлектронные. Чаще других используют электронные.

Вэлектронных усилителях источник управляющей энергии называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую поступают его электрические колебания,— входом усилителя. Устройство, к которому подводят усиленные электрические колебания, называют нагрузкой, а цепь усилителя, к которой подключается нагрузка,— выходом усилителя. Источник энергии, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называют источником питания.

Как видно из рис. 2.1, б источник сигнала с э. д. с. Е1 и внутренним сопротивлением Z1 подключается к зажимам 1—1, а нагрузка zy — к зажимам 22. Под zy понимают такое эквивалентное сопротивление усилителя, величина которого зависит либо от разности потенциалов U1, приложенной ко входу усилителя, либо от тока I1, во входной цепи усилителя. В связи с тем, что напряжение источника питания Епит приложено к последовательно соединенным сопротивлениям zу и z2, ток I2 в выходной цепи усилителя и напряжение U2 на нагрузке

будут изменяться в соответствии с изменениями сопротивления zy, т.е. в соответствии с изменениями U1 или I1. Если в качестве сопротивления гу используется электровакуумный или полупроводниковый прибор (рис., в), то легко сделать так, чтобы мощность PBX=k1UlI1 во входной цепи усилителя была меньше мощности PBЫX=k2U2I2 в его выходной цепи, т. е. PBX < PBЫX.

Iвх =

 

E

, Uвх =

 

Rвх

E .

 

 

 

 

z1

+ Rвх

z1

+ Rвх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если Rвх = ∞, тогда Uвх

= E , Iвх =

Uвых

, Uн = Iвых zн , Uн =

zн

Uвых .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zн + Rвых

zн + Rвых

При Rвх

= 0 , Uн =Uвых .

 

 

 

 

 

 

Идеально при Rвх = ∞, Rвх = 0 .

 

 

 

 

Примеры управления сопротивлений напряжением:

 

 

Ламповый усилитель, трназисторный усилитель.

Iб = f (UЭБ ) , Ik = β Iб .

Разновидности усилителей:

По характеру усиливаемых сигналов электронные усилители подразделяют на две большие группы: 1)

усилители непрерывных сигналов, которые часто называют также усилителями гармонических сигналов;

2) усилители дискретных, или импульсных, сигналов. Первые предназначены для усиления сигналов, величина которых изменяется во времени сравнительно медленно, вторые — для сигналов, величина которых резко изменяется во времени.

По частоте:

1)усилители низкой частоты (УНЧ)

2)усилители высокой частоты (УВЧ)

3) широкополосные

4) узкополосные

5) усилители постоянного тока (УПТ)

По параметру: 1)Усилители напряжения 2) Усилители тока 3)Усилители мощности Характеристики усилителя:

1)Коэффициент усиления по напряжению Ки = Uвых ,

Uвх

2) Коэффициент усиления по токуКi

=

Iвых

,

 

 

 

Iвх

3) Коэффициент усиления по мощностиКp = Pвых ,

Pвх

4) КПД=

 

Pвых

100% =η , η =

Pвых

100%

P

+ Р

потерь

Р

потр

 

 

 

 

вых

 

 

 

 

5)Амплитудно-частотной (АЧХ) или частотной характеристикой усилителя называют зависимость модуля коэффициента усиления от частоты.

6)Фазочаетотной (ФЧХ) или фазовой характеристикой усилителя называют зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты.

7)Амплитудная характеристика

8) Коэффициент гармоник или коэффициент линейных искажений.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ui2

 

 

КГ

=

 

i=2

 

, U1 - величина первой гармоники.

 

U1

 

 

 

 

 

 

КГ

есть отношение суммы среднеквадратичных значений искажений (2 гармоника и выше) к величине полезного

сигнала (первая гармоника).

9) Выходные характеристики Pвых , Uвых , Rнагрузки .

10)Входные характеристики Uвх , zвх .

2.Усилительный каскад по схеме с ОЭ. Принцип действия усилителя и его характеристики.

Часть схемы усилителя, составляющую одну ступень усиления, называют усилительным каскадом.

Входная характеристика:

Выходная:

Ik = β Iб , Ik =

Eп

Rк

 

Резисторы R1 и R2 – входной делитель напряжения, предназначенный для задания рабочей точки на входной характеристики усилителя.

Uвых =Uкэ = Eп Iк Rк

Временные диаграммы:

3. Усилители постоянного тока (простой, мостовой, многокаскадный, непрямого действия). Дрейф нуля усилителей

Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся во времени сигналов называют усилители низкой частоты, коэффициент усиления которых не равен нулю на частоте fн=0.

Простой УПТ:

Достоинство: Простота.

U а = E2п - делитель. Потенциал точки а должен быть не равен нулю.

Основной недостаток такой схемы — относительно большой постоянный ток Iпок в нагрузке в отсутствие входного сигнала (так называемый ток покоя — начальный коллекторный ток транзистора). Наличие не нулевого потенциала на входе.

Мостовая схема:

Для компенсации влияния тока покоя схему однокаскадного УПТ приходится усложнять, применяя мостовые схемы.

Uаb = 0 , Ucd = 0 . Усиливает маленькое напряжение, не делая дополнительных действий.

Многокаскадный:

R1, R2 – входной делитель, RК – коллекторное. Достоинства: Большой коэффициент усиления Недостатки: Дрейф нуля усилителя каскада. Сигнал на входе не меняется, а он сам плывет.

явление, называемое дрейфом нуля УПТ, является вредным, так как возникающее выходное напряжение невозможно отличить от полезных сигналов.

Непрямого действия.

Uвх дрейфа =

Uвых

.

 

 

K усиления

4. Типы обратных связей в усилителях. Вывод формулы коэффициента усиления в усилителе с обратной связью.

Обратной связью называют такую связь между цепями радио-электронной аппаратуры РЭА, при которой часть энергии его из выходной цепи передается во входную цепь.

U0 =U1 U3 , U2 = k U0 = k (U1 U3 )= k (U1 U2 χ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если на входе усилителя U0 => U2

= k U0 , χ = U3 , U3 = χ U2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент усиления всей системы

Кс = U 2

, подставим вместо U2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k (U1 U3 )

 

 

k (U1 U2 χ)

U1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кс =

k U0

=

=

, Кс U1 = k (U1 U2 χ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U1

 

 

U1

 

 

 

 

U1

 

 

 

U

 

= k (U

 

U

 

χ), U

 

+ k U

χ = k U

, U

 

=

k U1

, K

 

 

=

k

.

 

 

 

 

2

 

1

 

2

 

2

2

1

 

2

 

1+ k χ

 

c

 

1+ k χ

 

 

 

 

Коэффициент усиления микросхемы усилителя k χ >>1, Kc = χ1 .

При глубокой отрицательной обратной связи ( k χ >>1) коэффициент усиления усилителя практически не зависит от

параметров усилительной цепи, а определяется только параметрами цепи обратной связи. Последовательная обратная отрицательная связь по току (б), по напряжению (а).

,

Параллельная обратная отрицательная связь по току (г) , по напряжению (в).

,

5. Дифференциальный усилитель: схема, коэффициент усиления разностного и синфазного сигналов.

VT1 и VT2 – одинаковые, RK1= RK2, R1= R2.

Ub =Ua =U БЭ = ЕСМ (IK1 IK2 ) R3 ,

I K1 = I K1 + ∆I K , I K2 = I K 2 − ∆I K , I K = I Б ρ .

Чем больше ток увеличивается падение напряжения.

 

=U ВХ 2 + ∆U П .

U ВХ1

=U ВХ1 + ∆U Помехи , U ВХ 2

=U ВХ 2 − ∆U .

U ВХ1

=U ВХ1 + ∆U , U ВХ 2

UЭБ = ЕСМ (I1 + ∆I + I2 −∆I ) R3 = ЕСМ (I1 + I2 ) R3

I1′ = I1 + ∆I , I2′ = I2 − ∆I ,

U RK1

= I1RK1 , U RK 2 = I2RK 2 , U ВЫХ =U RK1 U RK 2 ,

U ВЫХ

= RK1 (I1 + ∆I )RK 2 (I2 − ∆I ),

Принимаем RK1= RK2=R, I= I2.

U ВЫХ

= R I + R I R I + R I = 2R I .

6. Операционные усилители :определение, структурная схема.

Схемы включения ОУ: инвертирующий и неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения., компаратор ,дифференциатор, интегратор, логарифмический усилитель.

Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, характерный высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым выходным сопротивлениями.

Структурная схема:

Идеальный усилитель с бесконечным сопротивлением. Выходное сопротивление равно 0. Коэффициент усиления каскада бесконечно.

Идеальным называется операционный усилитель с входным сопротивлением для разностного сигнала RВХ → ∞, внутренним коэффициентом усиления по напряжению КС → ∞ и выходным сопротивлением

RВЫХ 0 .

Операционный усилитель на схемах:

Инвертирующий усилитель на ОУ.

Для узла А: I1=I2.

U ВХ

= −U ВЫХ

,

U ВЫХ

= −

zСВ

.

 

 

z

U

 

 

z

СВ

 

ВХ

 

 

z

1

 

 

 

 

1

 

 

 

Коэффициент усиления

К = −

zСВ

, zСВ - цепь обратной связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

Неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления К =1+ zСВ . z1

Повторитель напряжения

Положив zСВ = 0 , z1 = ∞, получим К =1.

Входное сопротивление повторителя zВХ , zВЫХ .

Интегратор.

При приложении ко входу напряжения ивх в соответствии с принципом виртуального замыкания можно считать, что ток через резистор R равен uex/R. Этот ток заряжает конденсатор С и создает на нем напряжение, одновременно являющееся выходным:

U ВЫХ = − R1 TU ВХ dt .

C 0

Позволяет накапливать входной сигнал.

Дифференциатор.

Напряжение на входе в силу принципа виртуального замыкания является напряжением на конденсаторе. Заряжающий конденсатор ток i=Cduex/dt. Этот ток, не заходя в усилитель, полностью проходит через

сопротивление R, создавая на нем напряжение, являющееся выходным: U ВЫХ = −RC dUdtВХ .

Логарифмический усилитель на ОУ.

Для выполнения операции логарифмирования — применяются операционные усилители, в которых роль сопротивления Zc или Z1 выполняют диоды с плоскостным р-п переходом.

 

U

1

 

 

 

 

 

I

 

ϕ

 

 

= I0 e

 

.

Компоратор

Uоп – опорное напряжение (показательный источник).

UОП <U ВЫХ =1, UОП >U ВЫХ = 0 ,

Сумматор

IOC = I1 + I2 + I3 + Ii ,

U ВЫХ

= U ВХ1

+ U ВХ 2

+ U ВХ3

+ U ВХi .

R

R

R

2

R

R

CB

1

 

3

i

ROC = R1 = R2 = R3 = Ri .

U ВЫХ =U ВХ1 +U ВХ 2 +U ВХ3 + U ВХi , U ВХ = U ВХ .

7. Усилитель мощности: определение ,назначение , структурная схема , Выбор рабочей точки ( режим А, В , АВ )

Структурная схема:

Усилители мощности являются оконечными каскадами усилительного устройства.

Оконечный усилитель производит основное действие увеличивает мощность.

Его основными показателями являются: Мощность отдаваемая в нагрузку, КПД, коэффициент нелинейных напряжений.

При проектировании усилителей мощности первостепенной является задача получения высокого к. п. д. при малой величине нелинейных искажений.

Передаточная характеристика IK = β IБ .

В зависимости от выбора рабочей точки усилительные каскады работают в режиме А, режиме В и режиме АВ.

Режим А:

Достоинство: Синусоида без искажений. Рабочая точка находится на линейном участке передаточной характеристики, так как минимальные линейные искажения.

1)КПД в режиме А: 20-30% - низкий. Часть энергии расходуется впустую.

2)Коэффициент гармоник минимален.

Режим В:

В режиме В форма выходного тока будет резко отличаться от формы входного напряжения. Начальное напряжение UЭБ=0. Подадим сигнал через конденсатор С слабый сигнал.

1)КПД 60-70%

2) Коэффициент гармоник окажется большим Кг. Обычно в однотактных каскадах не применяется.

Режим АВ:

1)Коэффициент гармоник будет меньше. Лучше чем у В,

хуже чем у А.

2)КПД в режиме АВ, меньше чем у В, больше чем у А.

Врежиме АВ усилители используются только в двухтактных каскадах.

8. Усилители мощности: трансформаторные, бестранформаторные, однотактные и двухтактные.

Трансформаторные:

Назначение трансформатора Т1:

Гальваническая развязка с предыдущим каскадом и согласование по уровню сигнала. Назначение трансформатора Т2:

1)Гальваническая развязка с нагрузкой (исключение постоянной составляющей из тока нагрузки).

2)Согласование выходного сигнала с требуемым или с номинальным для данной нагрузки. Режим А часто используетсяHi-End аппаратура, чаще всего ламповые усилители для наушников.

Двухтактный каскад, режим В:

Двухтактный каскад в режиме В имеет нелинейное искажение в выходном сигнале типа «ступенька».

Двухтактный трансформаторный каскад в режиме АВ:

Смещение рабочей точки. КПД 85%. Коэффициент нелинейных искажений малый.

Безтрансформаторный двухтактный каскад:

Питание биполярное (двухполярное).

Транзисторы абсолютно одинаковые по характеристике, но имеющую разную полярность (обратную полярность)p-n-p называется комплементарными. Используются комплементарные транзисторы в двухтактных.

Принципиальная схема:

VD1 – прямовключен, играет роль резистора R2 перемещает точку в «А». Создает падение напряжения 0,8В, если больше, то падать будет вR1. Стабилизация рабочей точке каскада. ДиодVD2 прямосмещенный опять смещается в точку «А».

Конденсаторы гальваническая развязка с предыдущим каскадом.VD1 – стабилизирует, входной делитель.

Вторичныеисточникипитания РЭА

9. Вторичные источники электропитания : назначение, структурные схемы.Выпрямители: назначение, схемы выпрямителей (однополупериодные ,двухполупериодные , мостовые, трехфазные) Эпюры напряжений ,сравнительные характеристики.

Источники электрической энергии для питаниярадио-электронной аппаратуры делят на источники первичного и вторичного электрического питания.

Первичные источники электрического питания:

1)Трех- и однофазные источники промышленной частоты 50Гц. 2)Генераторв постоянного тока и генераторы повышенной частоты 400-500 Гц. 3)Химические элементы, солнечные батареи– это для мобильных объектов. Источники вторичного электрического питания выполняют функции: 1)Преобразования вида тока (переменный— постоянный), 2)Стабилизации и регулировки напряжения или тока,

3)Фильтрации различных помех, возникающих при переключении, стабилизации и регулировке напряжения и т.д.

Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется выпрямителями,а обратное преобразование постоянного тока в переменное — инверторами (не путать с инверторами— электронными схемами «НЕ»).

1) Трансформаторная

1)Т- трансформатор, 2) В – выпрямитель, 3) Ф –фильтр, 4)Ст – стабилизатор, 5) н – нагрузка.

2)Импульсного тока питания

Инверторный

1) И – инвертор, 2) Тр – трансформатор малогабаритный.

Выпрямители:

Служат для преобразования переменного синусоидального напряжения, в напряжении постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

Однополупериодный:

,

В схеме однополупериодного выпрямителяток через диод проходит в нагрузкуRH, только в положительные полупериоды напряжения U2, так как в отрицательные полупериоды оно запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющаяI0 представляет собой среднее