Усилитель мощности с раздельным начальным смещением

Для устранения нелинейных искажений вводится раздельное смещение на базы транзисторов (рис.5.6,а). На диодах VD₁ и VD₂ создается падение напряжения U*, которое смещает рабочую точку транзистора VТ₁ влево и VT₂ – вправо от начала координат (рис.5.6,б). Характеристика передачи будет представлять прямую линию. Следовательно, уменьшатся нелинейные искажения. Эти диоды всегда открыты, так как суммарное напряжение источников питания Е₁ + Е₂ всегда больше, чем входной сигнал.

Рисунок 5.6 – Усилитель мощности с раздельным смешением

Рассмотрим разновидность бестрансформаторного усилителя мощности с делителем напряжения в базовой цепи (рис.5.7).

Рисунок 5.7 – Схема усилителя мощности с ДН в базовой цепи

Такая схема еще называется схемой с дополнительной симметрией. Здесь R₁, R₂, R₃ ‑ делитель напряжения для создания смещения в классе В.

Должно выполняться условие R₁ = R₃ >> R₂.

Очевидно, что средняя точка R₂ имеет нулевой потенциал. Базы обоих транзисторов можно считать закороченными по переменному току и подавать входное напряжение на одну из баз. Так как сигнал подается в одной фазе на оба транзистора, то они работают поочередно. Вместо R₂ обычно ставят диоды. На каждом диоде падает U*= 0,7В, которое создает смещение, обеспечивающее режим класса В.

2. По заданному динамическому диапазону усилителя определить границы входного сигнала. D = 100 дБ, U_вхmin = 0,1 мВ. U_вхmax -?

DдБ = 20 lg(Uвхmax /Uвхmin)

lg(Uвхmax /Uвхmin) = DдБ /20

Uвхmax /Uвхmin = 10^(D/20)

Uвхmax = 10^(D/20) * Uвхmin = 10^(100/20) * 0,1 * 10^(-3) = 10^(5) * 0,1 * 10^(-3) = 10 В

Разработать схему, реализующую заданную функцию

Билет №6

1. В чем проявляются нелинейные и частотные искажения усилителя? (графики СДХ и К(f)).

На (рис.1.1) в т.А при U_вх = 0 присутствует напряжение на выходе усилителя U_выхmin = U_помех. В точке B на входе U_вхmin, когда входной сигнал можно различить на фоне помех. На участке ВС имеет место линейное усиление, то есть форма сигнала не меняется. В точке С начинается нелинейное усиление, U_выхmax ограничивается заданным уровнем нелинейных искажений.

Рисунок 1.1 –Амплитудная характеристика усилителя при f = const

Амплитудная характеристика дает возможность оценить предельное значение амплитуды входного сигнала, соответствующее границе линейного усиления. По этой характеристике определяется динамический диапазон усилителя D

D_дБ = 20 lg(U_вхmax /U_вхmin).

На участке CD нелинейные искажения возникают за счет нелинейности характеристик транзистора и проявляются в искажении формы сигнала, которые оцениваются коэффициентом нелинейных искажений К_н или клирфактором

где U₂, U₃ – высшие гармоники, U₁ – первая гармоника (полезная). В спектре выходного сигнала появляются новые высшие гармоники, которые искажают сигнал.

Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него, и поэтому называются собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки, тепловые шумы резисторов и элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов.

Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость коэффициента усиления сигнала К от частоты f (рис.1.2,а).

Рисунок 1.2 – АЧХ (а) и ФЧХ (б) усилителя

По АЧХ определяются:

а) полоса пропускания ∆f = f_в - f_н;

б) f_н и f_в – нижняя и верхняя граничные частоты усиления;

в) М_f – коэффициент частотных искажений на заданной частоте f

Частотные искажения являются линейными, т.е. форма сигнала не меняется, не добавляются спектральные составляющие, только падает коэффициент усиления на нижних и верхних частотах. Они обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами усилителя.

2. По заданному динамическому диапазону усилителя определить границы входного сигнала. D = 60 дБ, U_вхmax = 1 В. U_вхmin =?

Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя D_вх называют отношение U_{вх .max} (при заданном уровне нелинейных искажений) к U_{вх .min} (при заданном отношении сигнал/шум на входе):

D_вх = U_{вх .max}/ U_{вх .min}

D_вх, dB = 20lg D_вх

U_{вх .min}= U_{вх .max}/ D_вх=1/60=0.017В

Билет № 8 В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5 %^[15], реального транзисторного каскада — примерно 72 %. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки P_макс(R_н). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 P_макс(R_н), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46 % от P_макс(R_н), а КПД каскада уменьшается до 40 %. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться^[16].

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B всегда устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5…15 % от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10…100 мА на каждый транзистор^[17][18]. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала.

2)

Dвх=Uвх.max/Uвх.min

D=120;Uвх max=10

Uвх min=83.333*

Билет № 9

1.

Класс «AB» — некий компромисс между качеством сигнала и мощностными параметрами: за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала («стыковка» ближе к идеальной), но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому, что транзистор (лампа) противоположного плеча полностью не закрывается. Но класс AB — компромиссное решение и всех устраивает по соотношению цена/качество.
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, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льше 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°.
2.Сделайте по онологии.

Билет№10

1. Класс усиления С

В этом режиме начальная рабочая точка выбирается левее начала СДХ на оси абсцисс. При отсутствии входного сигнала ток коллектора равен нулю. Угол отсечки коллекторного тока q < 90°. Усиливается только небольшая часть синусоиды. К.п.д. высокий η ≈ 0,9, но и высок К_н (коэффициент нелинейных искажений).

Применяется класс С в LC – генераторах. Резонансный контур в коллекторной цепи настраивается на заданную частоту и из широкого спектра частот, который имеет срезанная синусоида, выделяется нужная.

2. По заданному коэффициенту частотных искажений М_f усилителя и коэффициенту усиления K_o на средней частоте f_o определить коэффициент усиления на границах частотного диапазона. М_f = 1,01-1,6; K_o = 84. К_в = К_н -?

Кв= 84/1.01-1.6=52.5

Билет №11

1.класс «D» — режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходными ключами. Выходной LC-фильтр, включенный между ключами и нагрузкой, демодулирует импульсы выходного тока.Режиму D свойствены— наименьшие потери при удовлетворительной линейности. Достоинства — очень высокая экономичность, недостатки — ВЧ импульсные помехи, которые необходимо подавлять. В зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%.

2.

Билет № 12

1) Определение и виды ОС (схема).

2) Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному, т. е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи (рис. 2.5).

3)

4) Рисунок 2.5 – Структурная схема усилителя с обратными связями

5) где К – коэффициент усиления усилителя; γ_ос – коэффициент передачи звена обратной связи.

6) Различают обратные связи:

7) – внутреннюю – обусловлена физическими свойствами и конструкцией активного элемента;

8) – внешнюю – вводятся специальные цепи обратной связи;

9) – паразитную – возникает помимо желания разработчика

Это индуктивная, емкостная и гальваническая связь между цепями, создающая пути для обратной передачи энергии. Её стараются устранять введением специальных схем. Цепь ОС с частью схемы усилителя, которую она охватывает и образует замкнутый контур, называется петлей ОС. В зависимости от количества петель ОС различают однопетлевую и многопетлевую ОС. Петли ОС могут быть независимыми, а также частично или полностью входить одна в другую. Если петля ОС охватывает часть усилителя или один каскад, то ОС называют местной Обратная связь, которая охватывает все каскады усиления или пару каскадов, называется общей ОС. Введение ОС в усилитель позволяет создавать усилители с необходимыми свойствами, а также новые классы электронных схем с разными функциями.

ОС к входу и выходу подключается разными способами.

От способа снятия ОС с выхода различают:

- ОС по току и напряжению.

Если ОС снимается с R_н или с RIIR_н и U_ос изменяется пропорционально выходному напряжению, то это ОС по напряжению. Если ОС снимается с сопротивления, последовательного R_н и изменение напряжения обратной связи пропорционально изменению тока, то это ОС по току. От способа подачи сигнала ОС на вход усилителя различают на:

- параллельную и последовательную.

Параллельная ОС имеет место, если напряжение ОС подается на вход усилителя параллельно источнику сигнала Е_с. Если ОС подключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала Е_с, то имеется последовательная ОС.

2. По заданному коэффициенту частотных искажений М_f усилителя и коэффициенту усиления K_o на средней частоте f_o определить коэффициент усиления на границах частотного диапазона. М_f = 1,15–1,6; K_o = 23; К_в = К_н -?

Кв= 23/1.6=14,4

Билет №13

1. Представим схему усилителя с ОЭ (рис.4.1).

Рисунок 4.1 – Схема усилителя с ОЭ

Обычно источник питания E_к выбирается так, чтобы падение напряжения на нем от переменной составляющей было намного меньше, чем падение напряжения на остальных элементах усилителя. Тогда внутренним сопротивлением E_к можно пренебречь. Сопротивление делителя напряжения равно

Транзистор можно представить в виде его эквивалентной схемы. В схеме транзистора пренебрегаем:

а) диффузионной емкостью эмиттерного перехода С_бэ, т. к. его емкостное сопротивление намного больше, чем r_э – дифференциальное сопротивление ЭП

б) R_э, С_э – сопротивлением и емкостью в эмиттерной цепи.

Барьерная емкость коллекторного перехода увеличивается, а дифференциальное сопротивление уменьшается по сравнению со схемой с ОБ

Учитывая вышесказанное и, что , получаем эквивалентную схему усилителя (рис. 4.2) для всего диапазона частот.

Рисунок 4.2 – Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для всего диапазона частот

2. Kuoc = Ku / (1 – Ku * γ) = 10/ (1 + 10 * 0.4) = 2

Билет №18

1.

Эквивалентная схема УНЧ с ОЭ для высоких частот

Коэффициент усиления на верхних частотах

где из-за зависимости коэффициента передачи тока β от частоты ω.

В общем виде коэффициент усиления

2. Инвентирующий ОУ.

Vin=?

Vout=-0.5v

Rf=10kOm

Rin=1kOm

Vin=-Vout*Rin/Rf= -(-0.5*1/10)=0.05v

3.

ln

Х

Uin R R Uout

корень

Билет № 19

Вопрос № 1

Эмиттерный повторитель

Имеет место 100% отрицательная обратная связь

Эмиттерный повторитель - частный случай повторителей напряжения. То есть выходное напряжение "повторяет" входное. Существует множество различных повторителей, но в электронике применяют в основном два: транзисторные (эмиттерный и истоковый) повторители и на операционном усилителе (с коэффициентом усиления около 1)

Вопрос № 2. По заданным параметрам схемы инвертирующего ОУ определить значения выходного напряжения. R_oc = 10кОм, R₁ = 1 кОм, U_вх = 100 мВ. U_вых -? Ku=-Roc/R1=-10000/1000=-10; Ku=-Uвых/Uвх => Uвых=10*10мВ=1мВ.

Билет №37

1.

Триггер Шмита а) неинвентирующий

б) инвентирующий

2. Q=2=> T=2t=2*ln2*RC

R=100kOm

C=20нФ

γос=0.462

Т=2*0.693*2/1000=0,00277

3.

5R

X

X

X

U1

SUM

U2

Uout

Билет №20

1) Какой основной недостаток в схеме УМ и метод его устранения?

Недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений К_н. На (рис.5.5) приведена совмещенная передаточная характеристика I_э = f (U_б).

Рисунок 5.5 – Совмещенная переходная характеристика усилителя

Длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается). Выходной ток I_э носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно существенно при малых U_вх, соизмеримых с U*.

5.4.2 Усилитель мощности с раздельным начальным смещением

Для устранения нелинейных искажений вводится раздельное смещение на базы транзисторов (рис.5.6,а). На диодах VD₁ и VD₂ создается падение напряжения U*, которое смещает рабочую точку транзистора VТ₁ влево и VT₂ – вправо от начала координат (рис.5.6,б). Характеристика передачи будет представлять прямую линию. Следовательно, уменьшатся нелинейные искажения. Эти диоды всегда открыты, так как суммарное напряжение источников питания Е₁ + Е₂ всегда больше, чем входной сигнал.

2) По заданным параметрам схемы инвертирующего ОУ определить значения выходного напряжения. R_oc = 10кОм, R₁ = 1 кОм, U_вх = 100 мВ. U_вых -?

Билет№22

1.Дифференциальный усилитель с ГСТ

Разность входных сигналов называется дифференциальным сигналом.

Сигнал одновременно на обоих входах.

Синфазный сигнал (одновременно на обоих входах) – помеха, влияние которой надо уменьшить. Необходимо стабилизировать ток эмиттера, но тогда необходимо увеличить напряжение питания, а его не нужно изменять. Вместо ставиться транзисторный каскад, у которого сопротивление по постоянному току мало, а по переменному – велико

Вместо ставиться транзисторный каскад, у которого сопротивление по постоянному току мало, а по переменному – велико

Разновидности дифференциальных усилителей

Для увеличения коэффициента усиления и увеличения

Используют пару Дарвингтона

Используют эмиттерные повторители

Ставят полевые транзистора на входе

Используют Д.У. с динамической нагрузкой.

В цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения влияния синфазного сигнала на схему. генераторы стабильного тока (ГСТ), являющиеся одним из основных узлов практически любой усилительной схемы. ГСТ обычно используются для запи-тывания точки соединения эмиттеров входного дифференциального каскада (ТЗ), повышая стабильность, быстродействие, усиление, подавление синфазного сигнала и помех по цепям питания по сравнению с пассивным (резистивным) квазигенератором тока. Генератор стабильного тока также является идеальной коллекторной нагрузкой (Т5) в каскадах усиления напряжения (КУН).

2. Выходное напряжение определяется как:

Uвых= - КU ∙ Uвх = - (Roc/ R1)∙ Uвх (подставьте значение и вычислите по формуле)

Билет

1. Назначение динамической нагрузки в схеме ДУ.

Для увеличения коэффициента усиления усилителя K_U необходимо увеличить коллекторную нагрузку R_k, но тогда потребуется увеличить напряжение источника питания Е_к. В интегральных схемах увеличение R_k ведет к увеличению площади и габаритов микросхемы. Поэтому в ИС используется динамическая нагрузка, т.е. вместо резисторов R_k1 и R_k2 ставятся транзисторы VТ₃ и VТ₄, которые имеют низкое сопротивление по постоянному току и высокое – по переменному. Транзисторы VТ₃ и VТ₄ имеют полярность, противоположную к основным (рис.7.2).

Рисунок 7.2 – Схема ДУ с динамической нагрузкой

Транзисторы VT₁ и VT₂ (n-p-n-типа) – основные, транзисторы VТ₃ и VТ₄ (p-n-p-типа) – коллекторная нагрузка. Эти транзисторы соединены коллекторами. Транзистор VТ₃ используется в диодном включении. В эмиттерной цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения влияния синфазного сигнала на работу схемы.

Вход ДУ – дифференциальный, выход ‑ однотактный.

2. По заданным параметрам схемы неинвертирующего ОУ определить значения входного напряжения. R_oc = 10кОм, R₁ = 5 кОм, U_вых = 900 мВ. U_вх -?

Uвх=Uвых/(1+Rос/R1)=900/(1+2)=300 мВ

Ответ: 300мВ

3Разработать схему, реализующую заданную функцию

Билет № 26

1. График амплитудной характеристики инвертирующего ОУ с разбалансом.

Состояние, когда U_вых = 0 при U_вх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U_вх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (U_вых = + U_вых или U_вых = - U_вых). Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

2. По заданным параметрам схемы инвертирующего сумматора определить значение выходного напряжения. R_oc = 10кОм, R₁ = R₂ = R₃ = 1 кОм, U_вх1 = 2 В, U_вх2 = -8 В, U_вх3 = 4 В. U_вых -?

3. Разработать схему, реализующую заданную функцию

Билет № 27

Дата добавления: 2015-10-26