Различные схемы усилителей

1.

Различные схемы усилителей
Трансформаторный усилительный каскад (ОЭ)
Rс
R1
Тр
Cр1
VT
Н
Rн
ИС
Eп
ИП
Ec
R2
Rэ
Cэ
Схема принципиальная электрическая трансформаторного
каскада
1

2.

Двухкаскадный усилитель с емкостной связью между каскадами
(ОЭ +ОС)
R1
R3
R5
VT2
C3
Rс
C1
VT1
Eп
ИС
Рыбин C4
Ec
R2
R4
C2
R6
R7
Н
ИП
Rн
Схема принципиальная электрическая двухкаскадного усилителя
Число двухкаскадных схем на транзисторах восьми разных типов равно 64.
Число трёхкаскадных схем на транзисторах восьми разных типов равно 512.
2

3.

Двухкаскадный усилитель с непосредственной (гальванической)
связью между каскадами
R1
R3
VT2
VT1
ИС
Rс
Eп
C1
Н
C4
Ec
ИП
C2
R2
R4
R5
Rн
Схема принципиальная электрическая двухкаскадного усилителя
3

4.

Двухкаскадный усилитель с трансформаторной связью между
каскадами
R5
VT2
Eп2
R1
Rс
C1
Тр
VT1
C4
Eп1
C3
R6
R7
Rн
ИС
Рыбин
Ec
R2
R4
C2
Схема принципиальная электрическая двухкаскадного усилителя трансформаторной
связью между каскадами
4

5.

Классификация усилителей мощности
Особенности усилителей мощности (УМ):
Транзисторы в УМ работают во всей области входных и выходных ВАХ. Поэтому в УМ
возникают большие нелинейные искажения.
Транзисторы в УМ работают при напряжениях, токах и мощностях близких к предельно
допустимым.
Транзисторы в УМ работают при значительных рассеиваемых на них мощностях, что
приводит к их нагреву.
Для снижения температуры их располагают на охлаждающих радиаторах.
Как правило, транзисторы в УМ работают в двухтактном режиме, т. е. в выходных каскадах
используют не один, а два или более транзисторов.
5

6.

Усилители мощности
Выбор рабочей точки транзистора
Класс А. φ = 180º
Класс B φ = 90º
Iб
Iб
IбА
UбэА
t
UбэА
Uбэ
Uбэ
t
t
Uбэ
Uбэ
t
6

7.

Усилители мощности
Выбор рабочей точки транзистора
Класс C
φ ≤ 90º
Класс D
Iб
Iб
UбэА≤ 0
Uбэ
Uбэ
t
t
t
Uбэ
Uбэ
t
7

8.

Усилители мощности
Расчёт КПД УМ в режиме класса А
Iк(A)
5
4
50 мА
Eп = 20В,
Rк = 4Ом,
Rэ = 1Ом,
40 мА
Pпотр = Eп * IkA,
20 мА
Pн = U * I = Uм * Iм / 2 =
= Eп / 2* IkA,
c
3
А
IkA 2
d
1
e
Iб=10мА
ηпред =Pн / Pпотр *100%
= 50%
b
0
-5
-10
-15
UкэА
- 20
Uкэ (В)
8

9.

Усилители мощности

10.

Усилители мощности

11.

Общие свойства и параметры усилителей
Усилителем электрических сигналов называют электронное устройство,
предназначенное для усиления мощности электрических сигналов.
В усилителе усиление мощности входного сигнала достигается за счёт
мощности внешнего источника электрической энергии: аккумулятора,
батарейки, солнечного элемента или энергии электрической сети переменного
тока 220В с предварительным её преобразованием в энергию постоянного
тока.
Источник
питания
Источник
сигнала
Усилитель
Нагрузка
Блок – схема усиления сигнала
11

12.

Источник
питания
Источник
сигнала
Усилитель
Нагрузка
Рисунок отображающий принцип преобразования
мощности источника питания
12

13.

Входное и выходное сопротивление
Uвх
Усилитель
Rвх
Uвх
Uвых
Rвых
KUвх
Uвых
Эквивалентная линейная схема усилителя
13

14.

• Основные параметры:
коэффициент усиления напряжения
коэффициент усиления тока
коэффициент усиления мощности
коэффициент полезного действия
потребляемая мощность
входное сопротивление
KU = Uвых / Uвх;
Ki = I вых / Iвх;
Kp = Pвых /Pвх;
η = Pн /Pпотр;
Pпотр;
Rвх = Uвх /Iвх;
Zвх = Uвх /Iвх;
выходное сопротивление
Rвых = Uвых. хх / Iвых. кз;
диапазон усиливаемых частот
∆F = Fвч – Fнч;
коэффициент частотных искажений Mнч = |KFнч | / KFсч, Mвч = |KFвч|/ KFсч;
коэффициент нелинейных искажений
;
14

15.

• Основные характеристики:
1. амплитудно – частотная (АЧХ) или логарифмическая амплитудно –
частотная (ЛАЧХ);
2. фазо – частотная (ФЧХ);
3. амплитудная (АХ);
4. амплитудно – фазовая (АФХ);
5. переходная (ПХ);
15

16.

Амплитудно – частотная характеристика (АЧХ) это зависимость
модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала.
Логарифмическая амплитудно – частотная характеристика(ЛАЧХ)
это зависимость десятичного логарифма модуля коэффициента
усиления от десятичного логарифма частоты входного сигнала.
Фазо – частотная характеристика (ФЧХ) это зависимость разности
начальных фаз выходного и входного напряжений от частоты
входного сигнала.
Полулогарифмическая фазо – частотная характеристика (ПЛФЧХ)
это зависимость разности начальных фаз выходного и входного
напряжений от логарифма частоты входного сигнала.
Переходная характеристика это зависимость выходного напряжения от
времени при скачкообразном изменении входного напряжения.
Амплитудная характеристика (АХ) это зависимость амплитуды
выходного напряжения от амплитуды входного напряжения.
16

17.

|K|
Kср
0,707 Kср
АЧХ
1
Fнч
20lg(|K |), дб
20lg(|Kсч|)
-3 дб
Fсч
Fвч
F
ЛАЧХ
0
Fнч
Fсч
Fвч
Fсч lg(F / Fсч)
17

18.

|K|
Kср
0,707 Kср
АЧХ
Fнч
Fсч
Fвч
F
Fвч
ФЧХ
F
φ
π/2
π/4
0
-π/4
-π/2
Fнч
Fсч
18

19.

Усилители ПТ
|K|
K0
0,707 Kср
1
Fвч
FT
F
20lg(|K |), дб
20lg(|K0|)
-3 дб
0
Fвч
FT
Fсч lg(F / Fсч)
19

20.

Усилители ПТ
|K|
K0
0,707 Kср
АЧХ
1
F ср
φ
π/2
π /4
0
-π/4
-π/2
Fср
FT
F
FT
ФЧХ
F
20

21.

Резонансные усилители
|K|
Kср
0,707 Kср
АЧХ
1
Fр
F
20lg(|K |), дб
20lg(|Kсч|)
-3 дб
ЛАЧХ
∆F
0
Fр
Fсч lg(F / Fсч)
21

22.

Резонансные усилители
|K|
Kср
0,707 Kср
АЧХ
Fр
F
Fр
F
φ
π/2
π/4
0
-π/4
-π/2
22

23.

Переходные характеристики усилителей
Uвх
Uм
t
Uвых
K* Uм
t
23

24.

Амплитудные характеристики усилителей
Uвых
K*Uм
Uвых
K*Uм
Uвх
Uвх
24

25.

Структурные схемы усилительных устройств
Вход
Входной
каскад
1 промеж.
каскад
2 промеж.
каскад
Выходной
Выход
каскад
Каскадная структура
Входной
каскад
1 промеж.
каскад
2 промеж.
каскад
Вход
Входной
каскад
1 промеж.
каскад
Выходной
каскад
Выход
2 промеж.
каскад
Параллельно – последовательная структура
25

26.

Усилители на комплементарных парах
+Eп1
R1
VT1
VD1
VD2
Uвх
VT2
Uвых
- Eп1
+Eп1
R2
-Eп2
Двухтактный УМ на комплементарных транзисторах
26

27.

27

28.

Составные транзисторы
Схема Дарлингтона
1 2
28

29.

Схема Шиклаи (на комплементарной паре)
29

30.

Биполярный транзистор с изолированным затвором
30

31.

Каскодная схема
Каскодный усилиитель содержит два активных
трёхэлектродных элемента, первый из которых для малого
сигнала включен по схеме с общим эмиттером (истоком —
для полевых транзисторов), а второй — по схеме с общей
базой (затвором).
Каскодный усилитель обладает повышенной
стабильностью работы и малой входной и проходной
ёмкостью, расширенной полосой усиливаемых частот.
Название усилителя, произошло со времён ламповой
схемотехники от соединения частей слов из
словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. "CASCade to
cathODE"). Иногда каскодный усилитель называют просто
«каскод».
Поскольку входное сопротивление каскада с ОБ пренебрежимо мало по сравнению с выходным
сопротивлением предыдущего каскада с ОЭ, то можно считать, что каскад ОЭ (в цепь коллектора
которого включён эмиттер каскада ОБ) работает в режиме короткого замыкания на выходе для
малого сигнала. При этом каскод усилитель обеспечивает усиление как идеализированный каскад
ОЭ, в котором этот воображаемый транзистор имеет очень большое выходное коллекторное
сопротивление, иначе говоря, коэффициент усиления каскода при прочих равных условиях выше,
чем у реального каскада ОЭ, причём коэффициент усиления по напряжению увеличивается при
увеличении коллекторного резистора и максимален при применении в качестве коллекторного
резистора какого-либо электронного генератора тока, например, токового зеркала
31

32.

Транзисторы в диодном включении

33.

Преобразование тока в напряжение с последующим масштабированием тока

34.

35.

Каскад с общим коллектором как трансформатор сопротивлений.
R1
C
I1
IC
IB
E
I2
uin
uСE
IE
R2
RE
Rout RE 100Ом
uout
1 кОм
Rin RE
Rin 10кОм
100кОм
Rin
Rout
Электроника

36.

Усилители постоянного тока.
Операционные усилители
Операционными называют (ОУ) усилители постоянного тока с большим
коэффициентом усиления, способными работать с глубокой обратной связью.
Ранее ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах для
выполнения математических операций над входными сигналами:
интегрирования, дифференцирования, сложения, умножения и др.
Первые ОУ выполнялись на электровакуумных лампах: триодах и пентодах,
затем, с появлением полупроводниковых приборов, на транзисторах. Сегодня ОУ
выполняются в интегральном исполнении на одном кристалле полупроводника и
содержат на нём десятки транзисторов.
Современные ОУ выполняются в дифференциальном исполнении, т. е. имеют два
входа: инвертирующий и неинвертирующий.
Некоторые из ОУ обладают одновременно большим входным сопротивлением по
неинвертирующему входу и малым – по инвертирующему входу.
Выпускаются ОУ с малым выходным сопротивлением или, наоборот, с большим
выходным сопротивлением.
36

37.

Операционные усилители
+Еп.1
11
I1
I2
I4
VT9
3
VT1
VT2
Cк
VT8
13
2
VT7
VT5
VT3
VT4
I3
Uвых
VT10
VT6
4
–Еп.2
1
14
Схема принципиальная электрическая ОУ типа К157УД2
37

38.

Операционные усилители
Входной
дифференциальный
каскад
Промежуточный
каскад
Выходной каскад.
Эмиттерный повторитель
Источники
тока
38

39.

Операционные усилители
Дифференциальный коэффициент усиления Kдиф = U вых / Uвх (>1000).
Дифференциальное входное сопротивление Rвх = U вх / Iвх (>10 кОм).
Входной ток Iвх (10 - 0,001 мкА).
Разность входных токов ∆Iвх = 0,1 Iвх.
Напряжение смещения нуля U см (10 – 0,001 мВ).
Температурный дрейф смещения нуля ∆U см /1º C (10 – 0,001 мкВ /1º C).
Граничная частота (частота единичного усиления) fгр (1-100 МГц).
Скорость нарастания выходного напряжения ∆U вых / ∆t ( 0,1-3000 В / мкс)
Коэффициент подавления синфазного сигнала Kсинф = U вых / Uвх синф (80 160 дб).
Напряжение питания (± (3 -15)В.
Потребляемый ток (1-10 мА).
39

40.

Операционные усилители
Идеальный операционный усилитель
1.
2.
3.
Бесконечно большое входное сопротивление.
Бесконечно малое выходное сопротивление
Бесконечно большой коэффициент усиления
40

41.

Операционные усилители.
Условно – графическое изображение
Ск
1
14
3
13
2
–Еп.2
4
+Еп.1
11
а)
3
2
1
14
13
11
FC
FC
+U
–U
4
б)
Условное изображение ОУ типа К157УД2А на рисунках (а)
и чертежах (б)
41

42.

Операционные усилители.
Схемы включения
Uвх1
Uвх
Uвых
K1 = Uвых / Uвх
Неинвертирующее включение
Uвх
K2 = - Uвых / Uвх
Инвертирующее включение
Uвых
Uвх2
Uвых
Uвых = K1*Uвх1 – K2*Uвх2
Дифференциальное включение
Uвх
Uвых
Uвых = (K1 – K2)*Uвх
Синфазное включение
42

43.

Обратная связь в усилителях
Обратная связь –это явление передачи выходного сигнала или его части на вход
усилителя для улучшения или изменения его параметров и характеристик в
нужном направлении.
Uвх
Uвх.ус
Ус
ИС
Uос
Uвых = Kос·Uвх,
K= Uвых / Uвх.ус,
β = Uос / Uвых
Uвх.ус = Uвх ± Uос
Uвых
Н
ЦОС
Kос = K / (1 ± K · β)
Kоос = K / (1 + K · β)
Kпос = K / (1 - K · β)
F = 1 + K· β –глубина ООС
T = K · β – петлевое усиление
43

44.

Обратная связь в усилителях
Пример введения ООС
Uвых
Uвх.ус
ИС
Н
Rн
Uвх
Uос
R2
R1
ЦОС
β = R1 / (R1+R2),
Kос = K / (1 + K · β) = K (R1+R2) / (R2+R1(1+K)) ≈ (R1+R2) / R1
44

45.

Обратная связь в усилителях.
Введение сигнала ОС на вход усилителя
ИС
Uвх
Uвх.ус
Uос
Ус
Uвых
Н
ЦОС
Uвх – Uос = Uвх.ус
Последовательная ООС
45

46.

Обратная связь в усилителях.
Введение сигнала ОС на вход усилителя
Iвх
ИС
Iос
Iвх.ус
Ус
Uвых
Н
ЦОС
Iвх – Iос = Iвх.ус
Параллельная ООС
46

47.

Обратная связь в усилителях.
Получение сигнала ОС на выходе усилителя
Ус
ИС
Uос
Uвых
Н
ЦОС
Uос = β·Uвых
ООС по выходному напряжению
47

48.

Обратная связь в усилителях.
Получение сигнала ОС на выходе усилителя
Iвых
Ус
ИС
Uос
R
Н
ЦОС
Uос = β·Iвых·R
ООС по выходному току
48

49.

Обратная связь в усилителях.
Получение сигнала ОС на выходе усилителя
Iвых
Ус
ИС
Uос
R
Н
ЦОС
Uос = β·(Uвых + Iвых·R)
Комбинированная ООС по выходному току и выходному напряжению
49

50.

Обратная связь в усилителях.
Название усилителя с ООС
Iвых
ИС
Uвх
Uвх.ус
Uос
Ус
R
Н
ЦОС
Uвх – Uос = Uвх.ус
Uос = β·Iвых·R
Усилитель с последовательной ООС по выходному току
50

51.

Обратная связь в усилителях.
Название усилителя с ООС
ИС
Uвх
Uвх.ус
Uос
Ус
Uвых
Н
ЦОС
Uвх – Uос = Uвх.ус
Uос = β·Uвых
Усилитель с последовательной ООС по выходному напряжению
51

52.

Обратная связь в усилителях.
Название усилителя с ООС
Iвх
ИС
Iос
Iвх.ус
Ус
Uвых
Н
ЦОС
Iвх – Iос = Iвх.ус
Iос = βg·Uвых
Усилитель с параллельной ООС по выходному напряжению
52

53.

Обратная связь в усилителях.
Название усилителя с ООС
Iвх
ИС
Iвх.ус
Iос
Iвых
Ус
R
Н
ЦОС
Iвх – Iос = Iвх.ус
Iос = βg·R·Iвых
Усилитель с параллельной ООС по выходному току
53

54.

Линейные функциональные устройства на ОУ.
Инвертирующий усилитель
R2
R1
R2
R1
-KU0
Uвх
Uвх
DA
Uвых
U0
Uвых
Rвх
R2
R2
R1
R1
-KU0
Uвх U01
Rвх
Uвых
Uвых
U02
Rвх
U 01 U вх
R2 || Rвх
R1 R2 || Rвх
U 02 U вых
R1 || Rвх
R2 R1 || Rвх
R2 || Rвх
R1 R2 || Rвх
R
2
R1 || Rвх
R1
1 K
R2 R1 || Rвх 54
K
K ос

55.

Линейные функциональные устройства на ОУ.
Неинвертирующий усилитель
KU0
Uвх
DA
R1
Uвых
U0
Uвх
Rвх
R2
R2
R1
Rвх
Rвх R1 || R2
R
1 2
R1 || Rвх
R1
1 K
R2 R1 || Rвх
55
K
U 01 U вх
Rвх
Rвх R1 || R2
Uвых
U 02 U вых
R1 || Rвх
R2 R1 || Rвх
K ос

56.

Линейные функциональные устройства на ОУ
R1
Суммирующий усилитель
U1
Rос
R2
U2
R3
U3
Uвых
R1
Rос
Rос
Rос
U вых U1 U 2 U 3
R2
R3
R1
R6
U1
Rос
R2
Суммирующий и вычитающий усилитель
U2
R3
U3
R4
Uвых
U4
R5
56

57.

Линейные функциональные устройства на ОУ.
Интегратор
C
R
C
R
-KU0
Uвх
Uвх
DA
Uвых
1 j C || Rвх
R 1 j C || Rвх
1
K ос ( )
R || Rвх
j RC
1 K
1 j C R || Rвх
Uвых
U0
Rвх
K
t
U вых (t )
1
U вх (t )dt U c (0)
RC 0
57

58.

Линейные функциональные устройства на ОУ. Интегратор
Uвх
1В
Uвх
1В
1с
t
t
Uвых
Uвых
1В
RC
t
t
1В 1с
RC
58

59.

Линейные функциональные устройства на ОУ.
Дифференциатор
R
R
С
C
-KU0
Uвх
Uвх
DA
Uвых
R || Rвх
1 j C R || Rвх
K ос ( )
j RC
1 j C || Rвх
1 K
R 1 j C || Rвх
Uвых
U0
Rвх
K
U вых (t )
dU вх
dt
59

60.

Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Компаратор
Компаратор напряжений предназначен для сравнения двух входных напряжений U1 и U2.
Выходное напряжение компаратора принимает два значения: + Um и - Um.
Максимальное положительное напряжение на выходе компаратора появляется в том
случае, когда напряжение U1 больше чем U2, а минимальное отрицательное, когда,
наоборот. Такая связь входных и выходного напряжений описывается знаковой функцией,
Uвых = Um sign ( U1-U2 )
Uвых
+Еп.1
+Еп1
+Um
U1
Uвых
U1-U2
U2
-Еп.2
а)
- Um
- Еп.2
б)
Типовая схема включения компаратора а) и его амплитудная характеристика б)
60

61.

Нелинейные функциональные устройства на ОУ.
Логарифматор
Логарифмирующий усилитель. Логарифмирующие усилители предназначены для
получения выходного напряжения, пропорционального логарифму входного напряжения.
Они используются в компандерах и эспандерах сигналов (в устройствах сжатия и
расширения динамического диапазона входных сигналов при магнитной записи), в
системах шумопонижения, устройствах перемножения напряжений и т. д.
Теоретически логарифмическая зависимость определяется следующим соотношением:
y = loga(x). При а = е имеем y = ln(x).
VD
Uвых
Uвых = - mφTln(Uвх /I0R)
R
Uвх
Uвх
Uвых
а)
б)
Схема логарифмирующего усилителя а) и его амплитудная характеристика б)
61

62.

Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Логарифматор
и потенциатор
U вых
U
m T ln вх
I0 R
U вых
mU вх
T
I0 R e
1
VT1
R
R
Uвх
Логарифматор
VT2
DA1
Uвых
Uвх
DA2 Uвых
Потенциатор (антилогарифматор)
62

63.

Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Устройство
перемножения напряжений
VT1
R1
DA1
Uвх1
R3
U вых3
Uвых1
VT2
R2
Uвх2
U вх1 U вх2 R5
I 0 R1 R2
R5
DA2 R4
VT3
Uвых2
DA3
Uвых3
Перемножитель напряжений
63

64.

Нелинейные функциональные устройства на ОУ.
Операционный выпрямитель
Uвых1
R2
VD1
R3
VD2
Uвх
Uвых3
R1
t
Uвых1
Uвых2
Uвх
t
а
Uвх
Uвых1
Uвых3
Uвых2
f
f0
Uвых3
2f0
4f0
f
t
f
б
в
64