Электронные усилители в промышленной электронике
Это устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности электрического сигнала.
Простейший усилитель представляет собой схему на основе транзистора. Использование усилителей вызвано тем, что обычно электрические сигналы (напряжения и токи), поступающие в электронные устройства малы по амплитуде и возникает необходимость увеличивать их до требуемой величины, достаточной для дальнейшего использования (преобразования, передачи, подачи на нагрузку).
На рисунке 1 представлены устройства, необходимые для работы усилителя.
Рисунок 1 — Окружение усилителя
Мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя, является преобразованной мощностью его источника питания, а входной сигнал только управляет ею. Усилители питаются от источников постоянного тока.
Обычно усилитель состоит из нескольких каскадов усиления (рис. 2). Первые каскады усиления, предназначенные, главным образом для усиления напряжения сигнала, называют предварительными. Их схемное построение определяется типом источника входного сигнала.
Каскад, служащий для усиления мощности сигнала, называют оконечным или выходным. Их схемотехника определяется видом нагрузки. Так же, в состав усилителя могут входить промежуточные каскады, предназначенные для получения необходимого коэффициента усиления и (или) формирования необходимых характеристик усиливаемого сигнала.
Рисунок 2 — Структура усилителя
1) в зависимости от усиливаемого параметра усилители напряжения, тока, мощности
2) по роду усиливаемых сигналов:
- усилители гармонических (непрерывных) сигналов;
- усилители импульсных сигналов (цифровые усилители).
3) по полосе усиливаемых частот:
- усилители постоянного тока;
- усилители переменного тока
- низкой частоты, высокой, сверхвысокой и т.д.
4) по характеру частотной характеристики:
- резонансные (усиливают сигналы в узкой полосе частот);
- полосовые (усиливают определенную полосу частот);
- широкополосные (усиливают весь диапазон частот).
5) по типу усилительных элементов:
- на электровакуумных лампах;
- на полупроводниковых приборах;
- на интегральных микросхемах.
При выборе усилителя исходят из параметров усилителя:
- Выходная мощность , измеряется в Ватах. Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя, например в усилителях звука — от милливатт в наушниках до десятков и сотен ватт в аудиосистемах.
- Диапазон частот , измеряется в Герцах. Например, тот же усилитель звука обычно должен обеспечивать усиление в диапазоне частот 20–20 000 Гц, усилитель телевизионного сигнала (изображение + звук) – 20 Гц – 10 МГц и выше.
- Нелинейные искажения , измеряются в процентах %. Характеризуют искажение формы усиливаемого сигнала. Обычно тем меньше данный параметр, тем лучше.
- КПД (коэффициент полезного действия) , измеряются в процентах %. Показывает, какая часть энергии источника питания расходуется на выделение мощности в нагрузке. Дело в том, что часть мощности источника тратится бесполезно, в большей степени это тепловые потери – протекание тока всегда вызывает нагрев материала. Особенно критичен данный параметр для устройств с автономным питанием (от аккумуляторов и батарей).
На рисунке 3 представлена типовая схема предварительного каскада усиления на биполярном транзисторе. Входной сигнал поступает от источника напряжения Uвх. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 пропускают переменный, т.е. усиливаемый сигнал и не пропускают постоянный ток, что позволяет создавать независимые режимы работы по постоянному току в последовательно включенных каскадах усилителя.
Рисунок 3 — Схема каскада усиления на биполярном транзисторе
Резисторы Rб1 и Rб2 являются базовым делителем, обеспечивая начальный ток базы транзистора Iб0, резистор Rк обеспечивает начальный ток коллектора Iк0. Эти токи называют токами покоя. При отсутствии входного сигнала они постоянные. На рисунке 4 изображены временные диаграммы работы усилителя. Временная диаграмма – это изменение какого-либо параметра во времени.
Резистор Rэ обеспечивает отрицательную обратную связь (ООС) по току. Обратная связь (ОС) — это передача части выходного сигнала во входную цепь усилителя. Если входной сигнал и сигнал обратной связи противоположны по фазе, обратная связь называется отрицательной. ООС уменьшает коэффициент усиления, но при этом уменьшает нелинейные искажения и увеличивает стабильность усилителя. Применяется практически во всех усилителя.
Резистор Rф и конденсатор Сф являются элементами фильтра. Конденсатор Сф образует цепь низкого сопротивления для переменной составляющей тока, потребляемого усилителем от источника Uп. Элементы фильтра необходимы если от источника запитываются несколько усилительных каскадов.
При подаче входного сигнала Uвх во входной цепи появляется ток Iб~, а в выходной Iк~. Падение напряжения, создаваемое током Iк~ на нагрузке Rн, и будет усиленным выходным сигналом.
Из временных диаграмм напряжений и токов (рис. 3) видно, что переменные составляющие напряжений на входе Uб~ и выходе Uк~ = Uвых каскада противофазны, т.е. каскад усиления на транзисторе с ОЭ изменяет (инвертирует) фазу входного сигнала на противоположную.
Рисунок 4 — Временные диаграммы токов и напряжений в усилительном каскаде на биполярном транзисторе
Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного и переменного тока с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью.
Позволяет реализовывать большое количество электронных устройств, но традиционно называется усилителем.
Можно сказать, что операционные усилитель являются основой всей аналоговой электроники. Широкое распространение ОУ связано с их универсальностью (возможность построения на их основе различных электронных устройств, причём, как аналоговых, так и импульсных), широким диапазоном частот (усиление сигналов постоянного и переменного токов), независимость основных параметров от внешних дестабилизирующих факторов (изменение температуры, напряжения питания и др.). В основном используются интегральные усилители (ИОУ).
Присутствие в названии слова «операционные» объясняется возможностью выполнения данными усилителями ряда математических операций — суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования и др.
На рисунке 5 изображены УГО ИОУ. Усилитель имеет два входа – прямой и инверсный, и один выход. При подаче входного сигнала на неинвертирующий (прямой) вход, выход-ной сигнал имеет ту же полярность (фазу) – рисунок 5, а.
Рисунок 5 – Условно-графические обозначения операционных усилителей
При использовании инвертирующего входа фаза выходного сигнала будет сдвинута на 180˚ по отношению к фазе входного сигнала (полярность изменяется на противоположную)- рисунок 6, б. Инверсные входы и выходы обозначают кружком.
Рисунок 6 — Временные диаграммы ОУ: а) – неинвертирующего, б) — инвертирующего
При подаче напряжения на обои входы выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений. Т.е. сигнал на инвертирующем входе берётся со знаком «-». Uвых=К(Uнеинв – Uинв), где К – коэффициент усиления.
Рисунок 7 – Амплитудная характеристика ОУ
Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника, обычно +15В и -15В. Также допускается однополярное питание. Остальные выводы ИОУ указывают по мере их использования.
Работу ОУ поясняет амплитудная характеристика – рисунок 8. На характеристике можно выделить линейный участок, на котором с увеличением входного напряжения пропорционально увеличивается выходное, и два участка насыщения U+нас и U-нас. При определённом значении входного напряжения Uвх.max усилитель переходит в режим насыщения, при котором выходное напряжение принимает максимальное значение (при значении Uп=15 В примерно Uнас=13 В) и остаётся неизменным при дальнейшем увеличении входного сигнала. Режим насыщения используется в импульсных устройствах на ОУ.
Усилители мощности применяются в оконечных каскадах усиления и предназначены для создания необходимой мощности в нагрузке.
Их основная особенность — работа при больших уровнях входного сигнала и больших выходных токах, что вызывает необходимость использовать мощные усилительные приборы.
Усилители могут работать в режимах А, АВ, В, С и D.
В режиме А выходной ток усилительный прибор (транзистора или радиоэлектронная лампа) открыт в течении всего периода усиливаемого сигнала (т.е. постоянно) и через него протекает выходной ток. Усилители мощности класса А вносят минимальные искажения в усиливаемый сигнал, но имеют очень низкий КПД.
В режиме В выходной ток делится на две части, один усилительный прибор усиливает положительную полуволну сигнала, второй отрицательную. Как следствие более высокий КПД, чем в режиме А, но и большие нелинейные искажения, возникающие в момент переключения транзисторов.
Режим АВ повторяет режим В, но в момент перехода с одной полуволны на другую открыты оба транзистора, что позволяет снизить искажения при сохрани высокого КПД. Режим АВ является наиболее распространенным для аналоговых усилителей.
Режим С применяют в тех случаях, когда искажение формы сигнала при усилении не имеет, т.к. выходной ток усилительного прибора протекает меньше чем половина периода, что конечно же ведет к большим искажениям.
В режиме D используется преобразование входных сигналов в импульсы, усиление этих импульсов, а затем обратное преобразование. При этом выходные транзисторы работают в ключевом режиме (транзистор полностью закрыт или полностью открыт), что приближает КПД усилителя к 100% (в режиме АВ КПД не превышает 50%). Усилители, работающие в режиме D, называют цифровыми усилителями.
В двухтактной схеме усиление (режим В и АВ) происходит за два такта. В течение первого полупериода входной сигнал усиливается одним транзистором, а другой в течение этого полупериода или его части закрыт. При втором полупериоде сигнал усиливается вторым транзистором, а первый при этом закрыт.
Двухтактная схема усилителя на транзисторах показана на рисунке 8. Каскад на транзисторе VT3 обеспечивает двухтактный режим работы выходных транзисторов VT1 и VT2. Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзисторов по постоянному току.
При приходе отрицательной полуволны Uвх ток коллектора VT3 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2. При этом VT2 закрывается, а через VT1 протекает ток коллектора по цепи: +Uп, переход К-Э VT1, С2 (при этом заряжается), Rн, корпус.
При приходе положительной полуволны Uвх VT3 подзакрывается, что приводит к уменьшению напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2 – VT1 закрывается, а через VT2 протекает ток коллектора по цепи: +С2, переход Э-К VT2, корпус, Rн, -С2. Т
аким образом, обеспечивается протекание тока обоих полуволн входного напряжения через нагрузку.
Рисунок 8 – Схема двухтактного усилителя мощности
В режиме D работают усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Входной сигнал модулирует прямоугольные импульсы, изменяя их длительность. При этом сигнал преобразуется в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна значению сигнала в каждый момент времени.
Последовательность импульсов поступает на транзистор (транзисторы) для усиления. Т.к. усиливаемый сигнал импульсный, транзистор работает в ключевом режиме. Работа в ключевом режиме связана с минимальными потерями, т.к. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт (обладает минимальным сопротивлением). После усиления из сигнала извлекается низкочастотная составляющая (усиленный исходный сигнал) с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) и подается на нагрузку.
Рисунок 9 – Структурная схема усилителя класса D
Усилители класса D применяются в аудиосистемах портативных компьютеров, мобильные средства связи, устройствах управления двигателями и д.р.
Для современных усилителей характерно широкое использование интегральных схем.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Электронные усилители. Назначение, классификация, параметры и модель усилительного каскада.
Усилитель электрических сигналов — это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведенного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямоугольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, определяющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.
Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя.
Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу которого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро — необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Рвх выходная мощность Рвых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Рвх Рвых < Ро. Следовательно,усилитель — это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполярных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.
Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве случаев одного элемента недостаточно и в усилителе применяют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом. Усилитель состоит из активных и пассивных элементов: к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляющего сигнала на входных электродах. Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необходимый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие параметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально необходимого набора активных и пассивных элементов.
Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.
Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя.
Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.
Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.
Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические.
Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д.Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анодных цепях ламп; используется для поддержания заданных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.
Классификация усилительных устройств.
Усилительные устройства классифицируют по различным признакам. Основными являются: диапазон усиливаемых частот, функциональное назначение, характер и полоса усиливаемого сигнала. Основнымколичественным параметром усилителя является его коэффициент усиления (коэффициент передачи). Различают коэффициенты усиления напряжения Ku , тока Ki или мощности Kp .
По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических(непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.
По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:
— Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты 
= 0 до верхней рабочей частоты 
. УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.
— Усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на усилители низкой, высокой и сверхвысокой частоты.
По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:
— избирательные усилители (усилители высокой частоты — УВЧ), для которых действительно отношение частот /
1;
— широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1(например УНЧ — усилитель низкой частоты).
— Усилители мощности — оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной Rвн. к = Rн, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).
По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микросхемы (ИМС).
Показатели работы усилителей.
Одним из основных показателей усилительного каскада является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. Форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала из-за линейных и нелинейных искажений, вносимых усилителем.
Линейные искажения возникают из-за реактивных элементов в схеме и определяются скоростью изменения сигнала во времени.
К показателям работы усилителей относятся входные и выходные данные, коэффициент усиления, диапазон частот, коэффициент искажений, КПД и другие параметры, Характеризующие его качественные и эксплуатационные свойства.
К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения Uвх=U1, тока Iвх=I1или мощности Pвх=P1), входное сопротивление, входная емкость или индуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное сопротивление Rвх в сравнении с сопротивлением источника сигнала Rи предопределяет тип усилителя; в зависимости от их соотношения различают усилители напряжения (при Rвх >> Rи), усилители тока (при Rвх Rи) или усилители мощности (при Rвх = Rи). Входная емкость Свх, являясь реактивной компонентой сопротивления, оказывает существенное влияние на ширину рабочего диапазона частот.
Выходные данные — это номинальные значения выходного напряжения Uвых=U2, тока Iвых=I2, выходной мощности Pвых=P2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление должно быть значительно меньшим, чем сопротивление нагрузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (индуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие
Характеристики усилителя.
Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сигналы различной частоты и формы. К важнейшим характеристикам относятся амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная и переходная.
Рис. 3. Амплитудная характеристика.
Амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты (рис. 3.). Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, причем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех Uп, создаваемых самим усилителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна амплитуде входного Uвых=K * Uвх и амплитудная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика отличается от прямой.
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.
Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а выходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке 4.
Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.
Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.
Обратные связи в усилителях.
Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посредством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи усилителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.
Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).
Обратная связь может возникать в схеме через паразитные цепи, такая обратная связь называется паразитной. Так как паразитные связи, как правило, нельзя рассчитать, а они могут существенно ухудшить работу усилителя, поэтому паразитные связи усилителя ослабляют, чтобы они практически не сказывались на его свойствах. Обратная связь возникает также благодаря конструктивным особенностям и физическим свойствам усилительных элементов. Такую обратную связь называют внутренней, ее усчитывают при моделировании усилительных элементов. Внешняя обратная связь, искусственно введенная и правильно построенная, вводится для изменения свойств усилителя в желаемом направлении, придания ему определенных функциональных особенностей и для улучшения основных показателей его работы. Далее, по умолчанию, речь будет идти о внешней обратной связи.
Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линейных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усилитель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает отдельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке представлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.
Модель усилительного каскада.
Усилительный каскад — конструктивное звено усилителя — содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.
Один из вариантов транзисторного каскада для усиления переменного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа включен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база — эмиттер создается источником с ЭДС Еc и внутренним сопротивлением Rc источника. В цепи базы установлены резисторы R1и R2. Коллектор транзистора соединен с отрицательным зажимом источника Eк через резисторы Rк и Rф. Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С2 поступает в нагрузку Rн. Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС-звено фильтра (положительную обратную связь — ПОС), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике Eк с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь — ООС) можно дополнительно включить RC-фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.
Аналоговые измерительные устройства
Электронные усилители по полосе пропускания разделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока.
Усилители постоянного тока
Усилителями постоянного тока называются усилители, коэффициент усиления которых отличен от нуля при частоте сигнала равной нулю, или полоса пропускания которых не ограничена снизу.
По принципу действия УПТ можно разделить на две группы: 1) усилители с преобразованием спектра; 2) усилители без преобразования спектра.
Усилители первой группы часто называют усилителями МДМ (модуляция – демодуляция).
Структурная схема УПТ с преобразованием спектра показана на рис. 2.22.
Рис. 2.22
Работает усилитель следующим образом. Постоянное входное напряжение Uвх подается на вход модулятора М. Модулированное напряжение усиливается усилителем модулированного сигнала УМС и подается на демодулятор ДМ. На фильтре Ф выделяется постоянное выходное напряжение Uвых. Цепь обратной связи ОС предназначена для стабилизации работы УПТ.
В усилителях МДМ используются в основном два вида модуляции: амплитудная (АМ) и амплитудно-импульсная.модуляция первого рода (АИМ-1).
Полоса частот при АИМ-1 шире, чем при АМ при одинаковых значениях несущей частоты ω0.
Учитывая неидеальность характеристик элементов усилителя МДМ, несущая частота ω0 выбирается из соотношения ω0 = (3 – 5)ωmax (ωmax – максимальная частота входного сигнала).
Выбор модулятора определяется полосой пропускания усилителя, его входным сопротивлением, порогом чувствительности, конструктивными и технологическими параметрами.
При построении УПТ с преобразованием спектра могут использоваться как электронные, так и электромеханические модуляторы (вибропреобразователи, динамические конденсаторы). Одним из недостатков электромеханических модуляторов является их ограниченный срок службы (3000 – 5000 часов).
В качестве усилителей модулированного сигнала могут использоваться как избирательные усилители, так и широкополосные усилители. Выбор типа усилителя определяется полосой частот, занимаемой модулированным сигналом.
В качестве демодуляторов обычно используются транзисторные ключевые схемы или фазочувствительные усилители. В усилителях МДМ могут использоваться диодные мостовые или кольцевые демодуляторы.
Для подавления гармоник несущей частоты на выходе демодулятора используется фильтр нижних частот., во многом определяющий динамические характеристики усилителя.
Достоинством усилителей с преобразованием спектра является малый дрейф нулевого уровня.
К недостаткам следует отнести принципиальное ограничение полосы пропускания усилителя сверху.
Промышленностью выпускаются усилители МДМ в интегральном исполнении, например усилитель 140УД13.
Усилители без преобразования спектра представляют собой усилители с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Они позволяют усиливать сигналы постоянного тока. Усилители с непосредственной связью применяются в качестве широкополосных усилителей с нулевой граничной частотой.
Основной элементной базой для создания усилителей с непосредственной связью являются линейные интегральные схемы – операционные усилители.
Погрешности усилителей постоянного тока на ОУ появляются вследствие неидеальности параметров ОУ и внешних элементов, а также их нестабильности.
На основе ОУ могут быть построены УПТ с пороговым значением порядка 10 – 100 мкВ, входным сопротивлением более 1 МОм и погрешностью менее 0,1%.
Усилители переменного тока
Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью.
В усилителях с непосредственной связью полоса пропускания ограничена только сверху. В усилителях с резистивно-емкостной или с взаимно индуктивной связью полоса пропускания имеет ограничения как сверху, так и снизу. Ограничение полосы сверху обусловлено паразитными реактивностями элементов и монтажа. В области низких частот неравномерность частотной характеристики усилителя связана с параметрами разделительных элементов.
Причинами появления погрешностей в усилителях переменного тока являются 1) собственные шумы пассивных и активных элементов схемы; 2) воздействие на усилитель внешних помех; 3) непостоянство коэффициента усиления усилителя за счет изменения: во времени свойств активных и пассивных элементов схемы; условий эксплуатации усилителя; неинформативных параметров сигнала.
Первые две причины приводят к появлению погрешности нуля, а третья – мультипликативной погрешности. К мультипликативным относятся также погрешности, вызванные наличием нелинейных искажений сигнала, которые зависят от входного напряжения. Следует отметить, что эта зависимость нелинейная.
Как правило, погрешности усилителей нормируются не более чем двучленной формулой. Несоответствие между реальной функцией погрешности и выражением, использующимся для нормирования, ведет к завышению допустимой погрешности усилителя при некоторых значениях входного сигнала.
Кроме нелинейных искажений в усилителе присутствуют линейные искажения, которые не связаны непосредственно со значением сигнала, а зависят от скорости его изменения, спектра. Линейные искажения обычно называют частотными.
Погрешности усилителя, обусловленные частотными искажениями, относятся к динамическим. Для анализа частотных искажений пользуются АЧХ и ФЧХ. На АЧХ различают область низших частот в окрестности нижней граничной частоты fН, область высших частот fВ в окрестности верхней граничной частоты и расположенную между ними область средних частот.
В усилителях измерительных устройств изменение коэффициента усиления на граничных частотах составляет 1 – 6, реже 10% по сравнению с его значением на средних частотах.
Избирательные усилители
Избирательные усилители это усилители, полоса пропускания которых сужена с целью отделить сигналы в нужной полосе частот от сигналов, помех, или шумов других частот. В таких усилителях в усилительном тракте или в цепи обратной связи используются частотно-зависимые LC и RC-цепи.
Избирательный усилитель с одним или несколькими резонансными контурами, настроенными на одну частоту называют резонансным. Данные усилители широко используются в анализаторах спектра, электронных указателях равновесия мостовых схем.
Резонансный усилитель обычно реализуется в виде каскадов параллельным резонансным LC–контуром.
Усилители использующий контур с раcстройкой по частоте, называют узкополосными.
Избирательные усилители характеризуются избирательностью, которое представляет собой отношение коэффициента усиления К0 на резонансной частоте ω0 к коэффициенту усиления на частоте ωn. Это отношение численно равно коэффициенту частотных искажений на частоте ωn.
Электронный усилитель
Электронный усилитель — прибор, способный усиливать электрическую мощность. Приборы, усиливающие только ток или напряжение (например, трансформаторы) к числу усилителей не относятся. Принцип работы электронного усилителя основан на изменении его активного или реактивного сопротивления электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках под воздействием сигнала малой мощности [1] . Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.
История [ править | править код ]
- 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода — разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящее из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
- 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
- 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.
Устройство и принцип действия [ править | править код ]
Обобщённая схема усилителя, представленная в виде четырёхполюсника
Трёхкаскадный усилитель низкой частоты (УНЧ) с отрицательной обратной связью. Типичная схема.
Структура усилителя [ править | править код ]
Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями.
В большинстве усилителей, кроме прямых, присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики.
Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
Как и в любом активном устройстве, в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.
Каскады усиления [ править | править код ]
Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), а в некоторых случаях могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)
- Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.
- Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.
- Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному . Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.
- Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.
- Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.
- Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.
Режимы (классы) мощных усилительных каскадов [ править | править код ]
Подробное рассмотрение темы: Классификация электронных усилителей
Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления: