Л04_Принцип_электронного_усиления

1. Принцип электронного усиления

2.

• Минимальная часть усилителя, сохраняющая его
функции, называется усилительным каскадом.
Обычно он содержит один усилительный элемент,
например транзистор (реже – два), и относящиеся
к нему пассивные компоненты, обеспечивающие
его работу.

3. Простейший каскад с ОЭ

• Простейшая схема каскада на
биполярном транзисторе (рис.)
содержит транзистор VT и
резистор Rk , включенный в цепь
коллектора последовательно с
источником питания.
• Во входной цепи
последовательно с источником
переменного усиливаемого
напряжения включен источник
постоянного напряжения
смещения Uсм .

4. В исходном состоянии или режиме покоя усилителя переменное напряжение сигнала на входе uвх= 0.

При этом:
• напряжение на базе равно постоянному значению
смещения Uсм,
• ток коллектора постоянен и равен Ik0
• напряжение на выводе коллектора в исходной
рабочей точке равны
U к0 Eп I к0 Rк

5. Формирование входного тока транзистора

6. Токи и напряжения в момент подачи входного гармонического сигнала

uвх U mвх sin t
ток коллектора изменяется около значения в
исходной рабочей точке тоже по закону синуса
iк I к0 I mк sin t
Мгновенное значение напряжения коллектор –
эмиттер
uк Eп Rкiк U к0 U mк sin t
U mк Rк I mк

7.

• Процесс управления током выходной
цепи транзистора можно
рассматривать так же, как результат
изменения его мгновенного
внутреннего сопротивления
постоянному току Rвнут (рис.).
• Благодаря этому происходит
непрерывное перераспределение
напряжения источника питания между
транзистором и нагрузкой.
• Управление внутренним
сопротивлением транзистора
осуществляется входным
напряжением сигнала Uвх.

8. Режимы работы усилительных элементов

Различают несколько режимов его работы,
которые принято обозначать заглавными
буквами латинского алфавита:
• режим А
• режим В
• режим АВ
• режим С
• режим D

9. Режим усиления «А»

• Самым распространенным является режим А . Он
характеризуется тем, что путем подачи постоянного
напряжения смещения исходная рабочая точка
транзистора выбирается при сравнительно большом
токе коллектора. Поэтому ток коллектора протекает
по цепи в течение всего периода колебания входного
сигнала то увеличиваясь, то уменьшаясь.
• Режим А отличается малыми нелинейными
искажениями усиленного сигнала. Он применяется во
всех каскадах предварительного усиления, а иногда и
в оконечных усилительных каскадах.
• Недостаток режима А - малый КПД (<0,5) и большое
выделение тепла при больших токах покоя
коллектора.

10. Входная характеристика в режиме А

• Рабочая тока усилителя выбрана на входной характеристике в точке А.

11. Режим усиления «B»

• Режимом В
называется такой
режим, когда
исходная рабочая
точка совмещается
с началом
передаточной
характеристики
транзистора (точка
0 на рис.).

12.

• Здесь выходной ток транзистора (ток коллектора) в отсутствие
входного сигнала практически равен нулю, что делает режим покоя
очень экономичным.
• При наличии входного сигнала ток через транзистор протекает
только в течение половины каждого периода.
• Половина длительности каждого импульса выходного тока
транзистора, выраженная в радианах или градусах угла текущей
фазы , называется углом отсечки
В режиме В угол
2
Полуволны, соответствующие вторым полупериодам колебания,
данным транзистором не усиливаются. Для их усиления необходимо
ставить второй транзистор. В результате получается так называемый
двухтактный усилитель.

13. Управляемый ток коллектора в режиме B

• Ток покоя коллектора очень мал, корпус транзистора не
нагревается при отсутствии входного сигнала

14. Выходной ток коллектора в режиме В

• транзистор находится в активном режиме,
т.е. усиливает входной сигнал только
половину периода его действия. Вторую
половину периода изменения напряжения
входного гармонического сигнала
транзистор находится в режиме отсечки.
Основными достоинствами класса B
являются:
• высокий КПД (до 70%) и малая мощность
тепловых потерь, рассеиваемых в
транзисторе, что крайне важно для
усилителей большой и средней мощности.
• Однако у усилителей в классе B есть и
существенный недостаток — большой
уровень нелинейных искажений, что
вызвано повышенной нелинейностью
усиления транзистора, когда он находится
вблизи режима отсечки.

15. Схема двухтактного усилителя в режиме B

• Ток нагрузки имеет
нелинейность вблизи
нулевого значения, что
вызывает нелинейные
искажения выходного
сигнала.
• Схема имеет высокий
КПД за счет отсутствия
тока коллектора Ik=0 при
Uвх=0.

16. Режим усиления «АB»

В результате импульсы тока коллектора
оказываются несколько шире половины
периода и угол отсечки > 90°.
• В режиме АВ
рабочую точку А
выбирают
примерно на
середине
начального
криволинейного
участка
передаточной
характеристики
транзистора.

17.

В режиме АВ
искажения выходного
тока малы

18. Сравнение режимов усиления B и AB

19. Особенности работы усилителя в режиме АВ

• Режим AB является промежуточным между режимами A и
B.
• Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем
в режиме B, но существенно меньше, чем ток покоя в
режиме А.
• При усилении гармонических сигналов усилительный
элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода:
одна полуволна входного сигнала (положительная или
отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая
сильно искажается. Угол проводимости 2Θc такого каскада
существенно больше 180°, но меньше 360°.

20. Схема двухтактного усилителя в режиме АВ

• Режим АВ является основным для
двухтактных каскадов.
• Здесь устанавливается некоторый
небольшой ток покоя, но КПД
лишь незначительно ниже, чем в
режиме В.
• Преимущество — отсутствие
искажений, вызванных кривизной
Диоды создают дополнительное смещение напряжения начального участка передаточной
рабочей точки Ана входной характеристике для
характеристики.
обеспечения протекания небольшого тока коллектора при
отсутствии входного сигнала, что соответствует режиму
усиления А.

21. Режим усиления «С»

• Режим С характеризуется выбором исходной рабочей точки (А1 на рис.
) в области запирания транзистора, в результате чего угол отсечки
< 90°.
• Режим С применяется в усилителях радиопередающих устройств, а
также в усилителях с повышенным КПД.

22. Работа усилителя в режиме «С»

• в данном классе усиливается
только часть периода
синусоиды, что приводит к
значительным нелинейным
искажениям и поэтому такой
режим работы транзистора
подходит для усиления не
всех видов сигнала.
• Усилитель класса C
однозначно не подходит для
усиления звука.
• Из узкополосных
радиосигналов точно
также он не подходит для
усиления амплитудномодулированных сигналов

23. Форма управляемого тока коллектора в режиме С

24. Достоинства усилителя в режиме С

• усилители класса C оказываются очень
эффективны для сигналов, в которых информация
заключена в изменении фазы несущего колебания.
• Это такие сигналы как частотная модуляция (ЧМ
или FM), фазовая модуляция (ФМ) в том числе
такие виды цифровых видов модуляции как GMSK
(используется в сетях GSM), GFSK (используется в
цифровых системах связи DECT и VDL3).

25. Режим усиления «D»

• Режим D, или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на
его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды,
полностью отпирающие транзистор для протекания коллекторного тока,
а в их отсутствие коллекторный ток становится равен 0, т.е. происходит
запирание транзистора. Этот режим используется в качестве
выключателя или ключа в цепи.
• Усилитель всегда находится в одном из двух крайних состояний:
«полностью открытом» или «полностью закрытом». В первом из них
падение напряжения между выходными электродами транзистора
близко к нулю, а во втором — его ток близок к нулю. Поэтому потери
энергии в транзисторе всегда ничтожно малы. Переброс из одного
состояния в другое осуществляется почти мгновенно.
• Режим D позволяет получать в усилителях очень высокий КПД.

26. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЖИМА УСИЛЕНИЯ D

Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным
усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его
транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:
1. ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;
2. напряжение на транзисторе при ненулевом токе равно нулю.
Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме - D.
• Первое условие будет выполнено, если транзистор полностью закрыть
(режим отсечки).
• Второе условие будет выполнено, если транзистор полностью открыть
(режим насыщения). Так работают транзисторы в цифровых
микросхемах, например КМОП логики.

27. Формирование импульсного сигнала с широтно-импульсной модуляцией для режима D

28. Типовая структурная схема усилителя класса D

• Звуковой усилитель мощности класса D

29. Виды режима работы D

Существует два режима D:
1. AD (а) – для осуществления
режима AD применяются
сравнительно простые
электрические схемы, такие
как для режима А,
2. BD (б) – режим реализуется
с помощью сложных
двухтактных схем с
двойным управлением
транзисторами.

30. Работа усилителя в режиме «Е» (разновидность режима D)

Режим Е, как и режим D, позволяет получать высокий КПД (более 90%) в
оконечном каскаде усилителя мощности при изменении уровня усиливаемого
сигнала в широких пределах.
Сущность режима Е заключается в том, что точка покоя транзистора не
зафиксирована, а изменяет свое положение в зависимости от уровня входного
сигнала.
Это достигается за счет регулируемого источника питания, который изменяет
свое напряжение в соответствии со входным сигналом. Транзистор меняет
свое положение точки покоя на ВАХ таким образом, что падение напряжения
на транзисторе получается минимальным для активного режима, что
обеспечивает значительное уменьшение рассеиваемой мощности на
транзисторе.

31. Сравнение различных схем включения биполярного транзистора

• Для сравнения этих каскадов возьмем ряд критериев, таких как
коэффициент усиления, частотные свойства и входные и
выходные сопротивления.
• +Наибольшим коэффициентом усиления по мощности обладает
каскад в схеме с ОЭ. Он усиливает как по току, так и по
напряжению.
• - Но, из-за высокой входной ёмкости его частотные свойства
оказываются наихудшими из всех трёх типов каскадов. Входное
сопротивление этого каскада определяется открытым базаэмиттерным переходом и составляет величину в несколько сотен
Ом. Выходное сопротивление каскада с ОЭ равно RК и, как
правило, относительно велико.

32.

Наилучшими частотными свойствами (наиболее высокой
верхней граничной частотой усиления) обладает каскад в
схеме с ОК. Но этот каскад не обеспечивает усиления по
напряжению, усиливает только по току.
Так же этот каскад обладает высоким входным
сопротивлением (это достоинство) и низким выходным
сопротивлением (это достоинство), поэтому часто
используется в качестве буферного усилителя между другими
каскадами для минимизации потерь мощности сигнала.

33.

Свойства каскада усиления в схеме с ОБ
• ОБ-каскад обладает
• + высоким коэффициентом усиления по напряжению, но не
усиливает по току.
• Выходное сопротивление такое же как и у каскада с ОЭ (высокое),
и равно RК.
• Входное сопротивление очень низкое и, благодаря этому,
постоянная времени входной цепи τ=RC очень мала, и усиление
сигнала реализуется на более высокой частоте, чем у каскада
с ОЭ.
• Недостаток: Из-за низкого входного сопротивления
использование этого каскада приводит к снижению напряжения
входного сигнала в случае высоких сопротивлениях источника
сигнала, а значит и снижению напряжения выходного сигнала.

34. Комбинация каскадов усиления ОК-ОБ

Каскад с ОБ часто
объединяют вместе с
каскадом с ОК, имеющим
очень низкое выходное
сопротивление. То есть
получается схема ОК-ОБ.
Такое соединение каскадов
обеспечивает согласование
выходного и выходного
сопротивления каскадов,
так как, эти сопротивления
малы, обладает весьма
высокими частотными
свойствами.

35. СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ С ОК-ОЭ.

• Комбинацию
каскадов усиления
ОК-ОЭ применяют
для получения
высокочастотного
усилителя с высоким
входным
сопротивлением

36. Схема усилителя ОЭ-ОК

• Для построения усилителя с
высоким коэффициентом
усиления по мощности и высокой
нагрузочной (низким выходным
сопротивлением) способностью
применяют схему ОЭ-ОК.
• Благодаря тому, что коэффициент
усиления ОК равен единице,
отпадает необходимость
использовать разделительную
ёмкость, при этом реализуется
непосредственная связь между
каскадами, рабочая точка каскада
с ОК задаётся выходным
постоянным напряжением
(напряжением на коллекторе)
каскада с ОЭ.

37. Конец

• Спасибо за внимание