Усилители напряжения, тока, мощности

1.

2.

Усилители - устройства, предназначенные для
увеличения параметров электрического сигнала
(напряжения, тока, мощности) без существенного
искажения его формы
Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится
усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой
выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

3.

ИУ

4.

Основой усилителя являются два элемента:
резистор R и управляемый активный элемент
(АЭ) транзистор, сопротивление которого
изменяется под действием входного сигнала
Uвх
Параметры УК: Коэффициенты усиления –
напряжения, тока, мощности

5.

Оценивает
нелинейные
искажения
АЧХ даёт возможность рассчитать
коэффициенты частотных искажений на
низшей Mн и высшей Mв частотах
заданного диапазона работы усилителя:

6.

За счет величины UK происходит усиление
выходного сигнала.
R1
Разделительные конденсаторы С1, С2 на
переменном токе имеют сопротивления
ХС1, ХС2 близкие к нулю, их назначение:
R2
2
С1 не пропускает постоянный ток во
входной источник Uвх (от UK через R).
Конденсатор С2 не пропускает постоянный ток в нагрузку.
R1, R2 − делитель напряжения, для задания нужного
напряжения UБЭП покоя (Іб течет через R1), он создает
.
постоянное смещение на переходе Б−Э, который
приоткрывается и создает коллекторный ток покоя І кп (чтобы
транзистор работал, не искажая форму Uвх).

7.

Rk
R1
+Ek
VT
iб
Uкэп
R2
Uбэп
Iэп
Статический режим: (Uвх = 0).
Расчет параметров резисторов:
Ек = (Rэ + Rк)Iкп + Uкэп
Rэ + Rк= (Ек – Uкэп)/ Iкп
R2 = (Uбэп + RэIэп)/I1,
где I1 = (2…5)Iбп;
R1 = (Ек + R2I1)/(I1 + Iбп)
Rэ
I1
Динамический режим каскада (Uвх 0
Uвх = Uмахsinωt
R1
iвх
ik
Rк
X C1 , X C 2 0
iб
R
Uвх
пренебрегаем
R1R2
R1 R2
Uвых
R2
RН
RK RH
R1
R

8.

9.

R1
С1
Rk
+Ek
ik
C2
VT
iб
Uкэ
iвх
Uвх
Uвых
Uбэ
R2
Rэ
Сэ
Uкэп = Ек – (RK + RЭ) Iкп
Uкэ = Ек – RK Iк
Статическую линию нагрузки строят по двум точкам:
1) Ik = 0; Ек = Uкэ (точка N на линии статической
нагрузки);
2) Uкэ = 0; Iк = Ек/Rк (точка М).

10.

Ек – RK Iк

11.

Пренебрегаем влиянием вспомогательных элементов (RЭ, R1, R2).
Расчет нелинейной цепи (определение IK, URK, UK для различных IБ, RK)
выполняем графически.
Для этого на семействе выходных характеристик проводим ВАХ
резистора RK , удовлетворяющую уравнению:
Uкэп = Ек – (RK + RЭ) Iкп
Uкэ = Ек – RK Iк
Статическую линию нагрузки строят по двум точкам:
1) Ik = 0; Ек = Uкэ (точка N на линии статической нагрузки);
2) Uкэ = 0; Iк = Ек/Rк (точка М).
За счет смещения базы резисторами R1, R2 обеспечивают оптимальные значе
Uбп, Iбп, чтобы рабочая точка покоя А находилась на середине линейного участ
переходной характеристики, которая строится по точкам пересечения линии
нагрузки с выходными характеристиками. При подаче на вход Uвх ток ІБ будет
изменяться, иметь переменную составляющую. Одновременно будут изменя
эмиттерный и коллекторный токи транзистора . Перенеся изменения на линию
нагрузки получаем Uвых.
Благодаря тому, что коллекторный ток ik>>iб, а RK > Rвх, выходное
напряжение каскада ОЭ значительно больше Uвх.

12.

Общим недостатком схем усилительных каскадов является зависим
режима работы транзистора от температуры окружающей среды
(температурные изменения токов базы и коллектора, коэффициента
передачи тока базы β).
Для устранения температурной зависимости в цепь смещения включа
элементы коррекции:
RЭ, СЭ− звено автоматической термостабилизации (для компенсации
влияния температуры), которое обеспечивает отрицательную обратную
связь, т. к. часть Uвых подается на вход вызывая уменьшение Uвх;
R1
С1
Rk
+Ek
ik
Rк
C2
VT
iб
Uкэ
iвх
Uвх
Uвых
Uбэ
R2
Rэ
iэ
Сэ

13.

(К схеме температурной стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера)
Сопротивление участка база - эмиттер транзистора, Rэ и R2 образуют замкнутый
контур.
Для этого контура справедлив второй закон Кирхгофа, согласно которому:
U бэ U Rэ U R2 0
Это выражение раскрывает физику стабилизирующего действия ООС. Так,
если под воздействием дестабилизирующего фактора ток базы Iб начнет
возрастать, то увеличится и ток эмиттера
I 1 I
э
Тогда
б
U Rэ Rэ I э и U бэ U R2 U Rэ
.Но
это приведет к уменьшению напряжения Uбэ настолько, чтобы ток базы
принял прежнее значение. ООС всегда препятствует любому изменению
тока эмиттера, а значит и тока базы тем эффективнее, чем больше значение
Rэ. Это значит, что ООС будет препятствовать приращению тока коллектора
под воздействием входного сигнала, резко уменьшая коэффициент усиления
каскада. Чтобы устранить этот недостаток параллельно Rэ включают емкость
Сэ. Значение емкости выбирают из условия Х сэ Rэ на минимальной частоте
сигнала.
В этом сучае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться по Сэ, а
медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности
-по Rэ. Каскад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность
-свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

14.

Обратные связи (ОС) осуществляют подачей на вход усилителя сигнала с его выхода
(или части Uвых) ОС может быть: положительной, когда Uвх складывается
(суммируется) с сигналом обратной связи UОС, увеличивая входной сигнал
U1 = Uвых+ UОС; отрицательной, когда U1 ослабляется сигналом обратной связи
U1 = Uвх UОС. Различают ОС по напряжению, по току, последовательную и параллельную ОС.
Схема параллельной ООС по напряжению
Uвх
U1
Ku
Uoc
Uвых
UОС = Uвых
где коэффициент передачи ОС по напряжению:
= UОС / Uвых
Коэффициент усиления напряжения без ОС
Кu = Uвых/ U1
Коэффициент усиления с обратной отрицательной связью:
β
K OC
U вых
U вых
U вых
U вх U1 U OC U1 U вых
Разделив числитель и знаменатель на U1, получим
K OC
KU
.
1 KU
KU
KU .
1 KU
Но положительную ОС не применяют в усилителях, так как снижается стабильность KU. Для усилителей
применяют отрицательную ОС, которая улучшает свойства усилителей:
Rв ых
1) повышает стабильность KU; Rв х.ОС Rв х (1 K U ) уменьшает Rв ых т. к. Rв ых.ОС
1 K U
2) снижает нелинейные искажения;
3) увеличивает Rвх, так как
Т. к. KOC < KU, т. е. отрицательная ОС ослабляет сигнал. При положительной ОС
KOC

15.

16.

17.

+Uи.п
+Uи.л.
и
или
Uвх.н
и
и
Uвх.н
Uвх.н
н
∞
Uвых
Uвых
Uвх.н
-Uи.л
-Uи.п
ОУ имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на
инвертирующий вход Uвх и Uвых находится в
противофазе (противоположны по знаку).
При подаче сигнала на неинвертирующий вход Uвх и Uвыхсовпадают по фазе (одинаковы по знаку).
В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как
инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

18.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные)
Uвых=f(Uвх) и амплитудно-частотные (АЧХ) кU(f).
Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением
специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.
Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого кU=
const и нелинейный - кU кU. При реализации конкретных устройств
используют линейные и нелинейные участки.
Uвых,В
+
Uвых.max
Инвертир.
вход
Uuп
Неинверт.
вход
-Uвх,мВ
Uвх,мВ
-∆Uвых
-Uuп
Uсн.о
-Uвых,В
- Uвых.max