Усилители постоянного тока — назначение, виды, схемы и принцип действия
Основная функция усилителя — генерировать выходной сигнал, который является копией входного, но с более высоким уровнем сигнала. Усилители могут быть разработаны специально для усиления по напряжению, мощности или току. Чаще всего усилитель используется в качестве устройства усиления по напряжению.
Ниже на рисунке показана типичная схема усилителя, где входной сигнал Vi подается на его входную клемму, а выходное напряжение Vo генерируется на его выходе. Коэффициент усиления по напряжению усилителя может быть выражен как отношения выходного напряжения к входному.
Например, усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 100 будет преобразовывать входной сигнал 50 мкВ в сигнал 5 мВ.
Во многих приложениях уровень постоянного тока на входе или выходе не важен. Скорее это вариационная или переменная часть сигнала, которая содержит информацию, подлежащую обработке.
Усилители, предназначенные только для передачи вариационных частей входного сигнала, называются усилителями со связью по переменному току, тогда как усилители, предназначенные для усиления и передачи постоянного тока, а также уровней вариаций, называются усилителями с прямой связью.
Электронные усилители представляют собой сложные и дорогие элементы электронного оборудования, включающие как линейные, так и нелинейные компоненты.
Суммарное назначение этих устройств (кроме подавления посторонних шумов) состоит в том, чтобы преобразовать слабый сигнал в сильную версию того же сигнала с минимальными искажениями.
Чем ближе усилитель приближается к идеалу отсутствия искажений в широкой полосе частот, тем сложнее и дороже он должен быть.
Современные усилители высокой точности очень близко подходят к достижению идеала в довольно широком диапазоне частот. Это сделало возможным точное усиление сигналов, ранее записанных с низкой точностью или вообще не записанных.
Так, например, детальный анализ таких данных, как электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, сейсмограммы, записи космических лучей, во многом стал реальностью благодаря развитию современной записывающей и усиливающей аппаратуры.
Усилители постоянного тока
Усилители постоянного тока, как может показаться из названия, сами по себе ток не усиливают, то есть они не генерируют никакой дополнительной мощности. Данные электронные устройства служат для управления электрическими колебаниями в определенном диапазоне частот начиная с 0 Гц.
Но посмотрев на форму сигналов на входе и выходе усилителя постоянного тока, можно однозначно сказать — на выходе имеется усиленный входной сигнал, однако источники энергии для входного и выходного сигналов — индивидуальные.
По принципу действия усилители постоянного тока подразделяются на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.
Усилители постоянного тока с преобразованием преобразуют ток постоянный — в переменный, затем он усиливается и выпрямляется. Это называется усилением сигнала с модуляцией и демодуляцией — МДМ.
Схемы усилителей прямого усиления не содержат реактивных элементов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты.
Вместо этого существует непосредственная гальваническая связь выхода (коллектора или анода) усилительного элемента одного каскада с входом (базой или сеткой) очередного каскада.
По этой причине усилитель прямого усиления способен пропускать (усиливать) даже постоянный ток. Такие схемы популярны и в акустике.
Однако непосредственная гальваническая связь хотя и передает очень точно между каскадами перепады напряжения и медленные изменения тока, такое решение сопряжено с нестабильностью работы усилителя, с затруднением установления режима работы усилительного элемента.
Когда напряжение источников питания немного изменяется, или изменяется режим работы усилительных элементов, либо немного плывут их параметры, — тут же наблюдаются медленные изменения токов в схеме, которые по гальванически связанным цепям попадают во входной сигнал и соответствующим образом искажают форму сигнала на выходе.
Зачастую эти паразитные изменения на выходе схожи по размаху с рабочими изменениями, вызываемыми нормальным входным сигналом.
Искажения выходного напряжения могут быть вызваны различными факторами. Прежде всего — внутренними процессами в элементах схемы.
Нестабильное напряжение источников питания, нестабильные параметры пассивных и активных элементов схемы, особенно под действием перепадов температуры и т. д. Они могут быть вовсе не связаны с входным напряжением.
Изменения выходного напряжения вызванные данными факторами именуют дрейфом нуля усилителя. Максимальное изменение выходного напряжения в отсутствие входного сигнала усилителя (когда вход замкнут) за определенный временной промежуток, называется абсолютным дрейфом.
Напряжение дрейфа, приведенное ко входу равно отношению абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления данного усилителя. Это напряжение определяет чувствительность усилителя, так как вносит ограничение в минимально различимый входной сигнал.
Чтобы усилитель работал нормально, напряжение дрейфа не должно быть больше заранее определенного минимального напряжения усиливаемого сигнала, который подается на его вход.
В случае если дрейф выхода окажется того же порядка или будет превышать входной сигнал, искажения превысят допустимую норму для усилителя, и его рабочая точка окажется смещенной за пределы адекватной рабочей области характеристик усилителя («дрейф нуля»).
Для снижения дрейфа нуля прибегают к следующим приемам.
Во-первых, все источники напряжения и тока, питающие каскады усилителя, делают стабилизированными. Во-вторых, используют глубокую отрицательную обратную связь.
В-третьих, применяют схемы компенсации температурного дрейфа путем добавления нелинейных элементов, чьи параметры зависят от температуры.
В-четвертых, используют балансирующие мостовые схемы. И наконец, постоянный ток преобразуют в переменный и затем усиливают переменный ток и выпрямляют.
При создании схемы усилителя постоянного тока очень важно согласовать потенциалы на входе усилителя, в точках сопряжения его каскадов, а также на нагрузочном выходе. Также необходимо обеспечить стабильность работы каскадов при различных режимах и даже в условиях плавающих параметров схемы.
Усилители постоянного тока бывают однотактными и двухтактными. Однотактные схемы прямого усиления предполагают непосредственную подачу выходного сигнала с одного элемента — на вход следующего. На вход следующего транзистора вместе с выходным сигналом от первого элемента (транзистора) подается коллекторное напряжение первого.
Тут должны быть согласованы потенциалы коллектора первого и базы второго транзистора, для чего коллекторное напряжение первого транзистора компенсируют при помощи резистора.
Резистор добавляют также в цепь эмиттера второго транзистора, чтобы сместить его напряжение база-эмиттер.
Потенциалы на коллекторах транзисторов следующих каскадов также должны быть высокими, что тоже достигается применением согласующих резисторов.
В двухтактном параллельном балансном каскаде резисторы коллекторных цепей и внутренние сопротивления транзисторов образуют собой четырехплечевой мост, на одну из диагоналей которого (между цепями коллектор-эмиттер) подается напряжение питания, а к другой (между коллекторами) — присоединяется нагрузка. Сигнал который требуется усилить прикладывается к базам двух транзисторов.
При равенстве коллекторных резисторов и полностью одинаковых транзисторах, разность потенциалов между коллекторами, в отсутствие входного сигнала, равна нулю.
Если входной сигнал не равен нулю, то на коллекторах будут приращения потенциалов равные по модулю, но противоположные по знаку.
На нагрузке между коллекторами появится переменный ток по форме повторяющий входной сигнал, но большей амплитуды.
Такие каскады часто применяются в качестве первичных каскадов многокаскадных усилителей либо в качестве выходных каскадов для получения симметричного напряжения и тока.
Достоинство данных решений в том, что влияние температуры на оба плеча одинаково изменяет их характеристики и напряжение на выходе не плывет.
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:
Как называется усилитель постоянного тока с очень высоким усилением
Основные определения, термины
и понятия по военно-технической подготовке
- Военно-техническая подготовка
- Тактитка зенитных ракетных войск
- Боевое применение зенитного ракетного комплекса
1.9. Усилители электрические
1.9.1. Усилитель постоянного тока (УПТ)
Общие сведения об усилителях находятся в разделе 1.6.4.
Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).
На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.
В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.
Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.
Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора.
Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды.
Недостатками схемы являются малое входное сопротивление и отсутствие усиления по току.
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α
Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов (для мощных — ещё меньше), так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства:
- Хорошие температурные и частотные свойства.
- Высокое допустимое напряжение
Недостатки:
- Малое усиление по току, так как α < 1
- Малое входное сопротивление
- Два разных источника напряжения для питания.
Рис 1. Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора
1.9.2. Усилитель низкой частоты (УНЧ)
Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ) усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню −3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот.
Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются также усилителями звуковой частоты. Кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники; радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.
Классификация по режиму работы выходного каскада.
В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:
класс, или режим « A » — режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 360°: прибор никогда не закрывается и, как правило, никогда не переходит в режим насыщения или ограничения тока. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.
класс « AB » — режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.
класс « B » — режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 180° или несколько превышает это значение. Для уменьшения нелинейных искажений при переходе сигнала через ноль выходные лампы или транзисторы работают с небольшими, но не нулевыми токами покоя.
Установка нулевого тока покоя переводит каскад из режима B в режим С : угол отсечки уменьшается до менее 180°, при переходе через ноль оба плеча двухтактной схемы находятся в отсечке. Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.
класс « D » — режим работы каскада, в котором активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходным ключом (ключами). Выходной LC-фильтр, включённый между ключами и нагрузкой, усредняет импульсный сигнал от ключей, восстанавливая звуковой сигнал.
Режиму А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D — наименьшие потери при удовлетворительной линейности.
Рис 1. Структурная схема усилителя класса D.
Входной звуковой сигнал и сигнал дополнительного генератора пилообразного напряжения подаются на аналоговый компаратор (С), формирующий ШИМ ( Широтно-импульсная модуляция — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.) прямоугольное колебание, далее усиливаемое силовыми ключами и подаваемое на громкоговоритель через LC-фильтр нижних частот. Частота пилообразного сигнала выбирается много больше самой верхней частоты в спектре звукового сигнала.
Рис 2. Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах
1.9.3. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) ( схема с общей базой, схема с общим эммитером )
Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) — электронный усилитель сигнала промежуточной частоты.
Применяется в трактах радиоприёмных и радиопередающих устройств, измерительных приборов. Широко используются при построении систем связи, радиолокации, радионавигации. Благодаря применению УПЧ достигается полная развязка между каскадами усиления в многокаскадных усилителях. Без применения УПЧ даже слабые наводки, создаваемые верхними каскадами усилителя, попадая в нижние каскады, вызвали бы эффект самовозбуждения колебаний, сделав невозможной работу усилителя.
На рисунке приведена практическая схема усилителя промежуточной частоты с одним источником питания. Нагрузкой усилителя является резонансный контур С 3 L 1 с трансформаторной связью. С 1 – входной разделительный конденсатор, резисторы R 1 и R 2 образуют цепь смещения по постоянному току, R 3 — эмиттерный резистор. Развязывающий конденсатор С 2 обеспечивает сохранение на базе транзистора нулевого потенциала по переменному току. В данном случае развязывающий конденсатор присоединен к положительной шине источника питания, а не с шасси. Это допустимо, поскольку по переменному току (то есть для переменного сигнала) потенциал этой шины равен нулю. Потенциалы положительной шины источника питания и шасси отличаются только по постоянному току.
Рис 3. Одноконтурный каскад УПЧ по схеме с общим эммитером (ОЭ).
1.9.4. Усилительный каскад ( на квадратиках схема, его характеристики )
Каскад с общим эмиттером.
Рис 4. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)
При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, но снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.
Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.
Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:
по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов ( Ie, Ic, Ib ) равна нулю
, где
— коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером,
— коэффициент передачи тока эмиттера.
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]
Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб
Достоинства:
Большой коэффициент усиления по току
Большой коэффициент усиления по напряжению
Наибольшее усиление мощности
Можно обойтись одним источником питания
Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки:
Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой
Простейший усилительный каскад с общим эмиттером
Простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала и нагрузке
На рисунке изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала и нагрузке.
Каскад состоит из:
биполярного транзистора VT1 ;
резистора R Б, который задаёт точку покоя каскада по постоянному току;
резистора R К, который преобразует меняющийся ток коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также участвует в задании напряжения покоя на коллекторе.
Для удаления постоянной составляющей входного сигнала источник подключается ко входу каскада через разделительную ёмкость C Р1. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке R Н через ёмкость C Р2. Поскольку ёмкости вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они искажают сигнал, однако выбором достаточно больших величин ёмкости эти искажения сводятся к минимуму. Нагрузка, изображённая в виде сопротивления R Н может представлять собой устройства различного назначения — динамик, индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.
Режим работы каскада.
В активном режиме транзистор VT1 открыт, напряжение на базе относительно эмиттера U BE меняется слабо и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,7 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения U BE объясняется тем, что зависимость U BE( I B) логарифмическая, и в широком диапазоне изменении тока базы I B напряжение U BE меняется очень мало.
С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при фиксированном R С полностью определяется сопротивлением R B: