Введение. Основные понятия

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: Изучение работы электронных усилителей и их схемотехника. Экспериментальное и компьютерное исследование влияния ООС на основные характеристики усилителя низкой частоты.

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Для увеличения амплитуды напряжения или силы тока, а также мощности электрических сигналов используют специальные устройства, называемые электронными усилителями.

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом работы и нелинейным.

К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения и тока, составляющих во времени входной сигнал.

Важнейшим показателем усилителей, как линейных четырехполюсников с линейным режимом работы является комплексный коэффициент передачи по напряжению или току:

.

Величина является комплексной, т.е. характеризует изменение как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе. Модуль коэффициента передачи усилителя называют коэффициентом усиления. Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определенного для гармонического входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частоты носит название фазово-частотной характеристики усилителя.

В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяются на:

· усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока – УПТ),

· усилители низкой частоты (УНЧ),

· усилители высокой частоты (УВЧ),

· широкополосные, импульсные усилители (ШПУ),

· избирательные, узкополосные усилители (УПУ).

Характерная особенность УПТ – способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к (f_н ® 0). Верхняя граница частоты f_в в УПТ может составлять в зависимости от назначения 10³ ¸ 10⁸ Гц. УНЧ характеризуются частотным диапазоном от десятков герц до десятков килогерц. УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ – имеют нижнюю границу частот примерно такую же, как у УНЧ, а верхнюю – как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители. УПУ – характеризуются пропусканием узкой полосы частот.

K K K K K

f_в f f_н f_в f f_н f_в f f_н f_в f f_o f

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. В зависимости от закона изменения выходного сигнала от входного , к усилителям с нелинейным режимом работы можно отнести: усилители ограничители, логарифмические усилители и т. п. В зависимости от характера нагрузки и назначения различают также усилители: напряжения, тока и мощности, хотя такое деление условно, так как в любом случае по существу усиливается мощность.

Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителей.

Коэффициент усиления. Коэффициент усиления по напряжению различных усилителей достигает десятков тысяч. Часто для достижения необходимого используют многокаскадные усилители, в которых предыдущего каскада является для следующего и общий коэффициент усиления равен:

.

Коэффициент усиления - величина безразмерная и в ряде случаев принято усилительные свойства выражать в логарифмических единицах – децибелах:

.

Для многокаскадного усилителя:

.

Используют также коэффициент усиления по току и по мощности, которые тоже можно выражать в децибелах.

.

Входное и выходное сопротивление. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого присоединен источник усиливаемого сигнала с ЭДС Е_вх и внутренним сопротивлениемR_вт, а к выходным - сопротивление нагрузки R_н .Для выходной цепи усилитель представляет источник ЭДС Е_вых с внутренним сопротивлением R_вых.

Для усиливаемого сигнала усилитель характеризуется входным сопротивлением . Сопротивление R_вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке.

R_вт R _вых I_вых=I_н

Е_вх U_вх R_вх E_вых U_вых R_н

I_вх

Усилитель

Протекающий от источника сигнала в усилитель ток и входное напряжение определяют формулами:

.

В зависимости от соотношения между R_втиR_вхисточник сигнала может работать в режимах: а) холостого хода, если R_вх > R_вт, когда ; б) короткого замыкания, если R_вх < R_вт и значит I_вх @ E_вх / R_вт; в)согласования, когда R_вх @ R _вт и в усилитель передается наибольшая мощность.

Мощность, передаваемая усилителю:

Приравняв нулю производную , получим . При этом в усилитель поступает , т.е. четверть потенциальной мощности источника сигнала. Аналогичные режимы работы возможны и для выходной цепи.

При согласовании нагрузки и выходного сопротивления усилителя в нагрузке выделяется наибольшая мощность.

Выходная мощность. При чисто активной нагрузке и синусоидальном напряжении

,

где - действующее и амплитудное значение выходного напряжения; - амплитуда тока в нагрузке.

Коэффициент полезного действия. КПД , где Р_S – мощность, потребляемая усилителем от источников питания.

Следует отметить, что любой усилитель, на каком бы виде энергии он ни функционировал, является, по существу, лишь регулятором для мощности Р_вых, пропускаемой от источника питания в нагрузку, а входной сигнал лишь регулирует значение этой пропускаемой мощности, затрачивая на это мощность Р_вх.

Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Её снимают при гармоническом входном сигнале для области средних частот.

Типичный вид амплитудной характеристики показан на рисунке. Участок 1-3 соответствует пропорциональному усилению. Участок ниже точки 1 амплитудной характеристики не используется, так как полезный сигнал трудно отличить от собственных шумов усилителя.

U_{вых. м.}

U_max 3 U_вых.3

2 U_вых.2

U_min. 1 U_вых.1

U_{вх. м.}

Участок 3 – 4 соответствует нарушению пропорциональной зависимости выходного напряжения от входного. Участок за точкой 4 соответствует состоянию ограничения выходного сигнала. Отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому , называется динамическим диапазоном усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика. (АЧХ) Это зависимость коэффициента усиления (по напряжению) от частоты усиливаемого сигнала:

.

Примерный вид АЧХ для различных типов усилителей показан на рисунке классификации усилителей по частотному диапазону усиливаемых сигналов. Величина указывает на полосу пропускания усилителя в частотном диапазоне.

Фазочастотная характеристика. (ФЧХ) Она представляет собой зависимость угла сдвига фаз “j” между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты сигнала.

Нелинейные искажения. Они представляют собой степень изменения формы кривой усиливаемого сигнала. Основная причина их возникновения – нелинейность характеристик усилительных элементов. На рисунке в качестве примера приведена входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, и показано, как искажается форма тока , т.е. входного тока усилителя, по сравнению с синусоидальной формой входного напряжения . В результате нелинейных искажений выходное напряжение усилителя содержит кроме постоянной составляющей и основной (первой) ещё и высшие гармонические составляющие.

I _б I _б + I _m

- I _m

U_бэ t

U_вх

t

Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений, представляющим квадратный корень из отношения мощностей всехвысших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:

,

или близким к нему коэффициентом гармоник:

,

где - действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе. Эти коэффициенты часто выражают в %.

Дата добавления: 2015-07-16