Классификация усилителей

По роду усиливаемых сигналов:

- усилители гармонических сигналов;

- усилители импульсных сигналов.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени:

- усилители постоянного тока;

- усилители переменного тока:

а) усилители низкой частоты;

б) усилители высокой частоты;

в) широкополосные;

г) избирательные;

д) универсальные многофункциональные и пр.

В зависимости от характера нагрузки и назначения:

- усилители напряжения;

-усилители мощности;

- усилители тока.

В зависимости от типа использованных в усилителе активных элементов:

- ламповые;

- полупроводниковые;

- магнитные;

- оптоэлектронные;

- диэлектрические и др.

29 Основные параметры и характеристики усилителей.

1 Коэффициент преобразования (передачи) - это отношение выходного сигнала к входному. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления

Коэффициент усиления рассчитывают по соотношению:

К_U = U_вых/U_вх.

Коэффициент усиления при каскадном соединении: К_S = К₁*К₂ *…*К_n.

2Входное сопротивление - отношение приращения входного напряжения к приращению входного тока: R_вх = DU_вх/DI_вх.

Для усилителей обычно можно применять соотношение:

R_вх = U_вх/I_вх.

3Выходное сопротивление. отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его приращению входного тока R_вых = DU_вых/DI_вых.

Для усилителей обычно можно применять соотношение, полученное из системы двух уравнений, описывающих по эквивалентной схеме усилителя выходные напряжения для двух различных сопротивлений нагрузки.

В частном случае выходное сопротивление можно определить по формуле: R_вых = U_вых.хх/I_вых.кз.

где U_вых.хх - выходное напряжение при холостом ходе на выходе;

I_вых.кз. - ток при коротком замыкании на выходе.

4 Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного сигнала от амплитуды синусоидального входного напряжения.

5 Динамический диапазон - отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению:

D = U_{вх max}/ U_{вх min}.

Часто динамический диапазон выражают в децибелах:

D (дб) = 20*lg (U_{вх max}/ U_{вх min}).

6 Номинальная выходная мощность - это наибольшая выходная мощность, при которой искажения сигнала не превышает допустимого значения.

7 КПД усилителя, который определяют как отношение полезной мощности к затраченной.

8 Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

9 Коэффициент частотных искажений для низких и высоких частот:

М_н = К₀ / К_н;

М_в = К₀ / К_в;

где К₀, К_н, К_в – коэффициенты усиления на средней, низкой и высокой частотах соответственно.

Для определенности К₀ обычно определяют на частоте

f₀ = (f_н*f_в)^1/2.

10 Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) – полоса частот от низшей рабочей частоты f_н до высшей рабочей частоты f_в, в пределах которой коэффициент преобразования или коэффициент усиления не выходит за пределы заданных допусков.

11 Фазо-частотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями от частоты.

12 Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения.

13 Фазовые искажения появляются вследствие отклонения фазо-частотной характеристики реального усилителя от идеальной. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами активных приборов.

Доказано, что идеальной фазовой характеристикой является прямая, проходящая под любым углом к оси частот.

13 Нелинейные искажения обусловлены нелинейностями амплитудной характеристики усилителя. Количественно их оценивают коэффициентом нелинейных искажений К_ни или коэффициентом гармоник К_г.

К_ни = [(Р₂ + Р₃+ Р₄ +… Р_n)/(Р₁ + Р₂+ Р₃ +… Р_n)]^1/2;

К_Г = [(Р₂ + Р₃+ Р₄ +… Р_n)/Р₁]^1/2;

где Р_n – мощность n-й гармонической составляющей выходного сигнала.

На практике коэффициент нелинейных искажений применяется чаще из-за простоты реализации его измерителя.

30 Обобщенная структура усилителя с ОС. Классификация ОС.

Обратной связью (ОС) называется явление передачи части сигнала из выходной цепи во входную.

Электрические цепи, обеспечивающие эту передачу, называются цепями ОС.

Для количественной оценки влияния цепи ОС используют коэффициент обратной связи

b = U_ос/U_вых.

Петлей ОС называется замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения.

1 По сдвигу фаз между входным сигналом и сигналом ОС:

а) отрицательная

Dj = 180°; U₁ = U_вх - U_ос;

б) положительная

Dj = 0°; U₁ = U_вх + U_ос.

2 По диапазону частот, в котором действует ОС:

- ОС по постоянному току;

- ОС по переменному току;

- ОС, действующая во всем диапазоне частот работы усилителя.

3 По способу получения сигнала ОС:

- ОС по напряжению;

- ОС по току;

- комбинированная ОС.

ОС по напряжению ОС по току

3 По способу введения сигнала ОС во входную цепь:

- последовательная;

- параллельная;

- комбинированная.

Последовательная ОС Параллельная ОС

31 Основные параметры усилителей с ООС. Коэффициент усиления по напряжению.

Определим параметры для усилителей с отрицательной ОС (ООС)

1 Коэффициент усиления.

По определению

К_ос = U_вых/ U_вх.

При ООС U₁ = U_вх - U_ос, откуда

U_вх = U₁ +U_ос.

Проведем преобразования и получим

К_ос = U_вых/ (U₁ +U_ос) = U₁*К /(U₁ + b*К*U₁) = К /(1 + b*К).

Из анализа соотношения следует, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления в (1 + b*К) раз.

Произведение b*К называют петлевым усилением, а (1 + b*К) – глубиной ОС.

Оценим относительное изменение коэффициента усиления усилителя с ООС. Для этого продифференцируем соотношение для К_ос, разделим правую и левую часть на К_ос и в результате получим:

dК_ос /К_ос = (dК /К) *1/ (1+ b*К) + d b / b.

Нестабильность основного усилителя уменьшается в 1/(1+ b*К), а нестабильность усилителя, охваченного ООС, определяется, в основном, нестабильностью цепи ОС.

32 Основные параметры усилителей с ООС. Выходное и входное сопротивления.

2 Выходное сопротивление.

Зависит от способа получения ОС. Рассмотрим при ООС по напряжению.

По определению

R_вых = DU_вых/DI_вых.

При отсутствии ООС

DU_вых = R_вых *DI_вых.

При подключении ООС выходное напряжение изменяется не только под влиянием тока нагрузки, но и из-за изменения сигнала ОС на входе, т.е.:

DU_вых.ос = R_вых *DI_вых - b*К *DU_вых.ос.

Откуда

R_вых.оc =DU_вых.ос/ DI_вых = R_вых /(1 + b*К).

Отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление в (1 + b*К) раз.

Можно показать, что ООС по току увеличивает выходное сопротивление. Оно описывается соотношением:

R_вых.оc = R_вых + R_ос*(1 + b*К).

Обычно R_вых ® 0, поэтому

R_вых.оc» R_ос*(1 + b*К).

Таким образом, введение ОС можно использовать для целенаправленного изменения выходного сопротивления.

3 Входное сопротивление.

Зависит от способа введения ОС во входную цепь. Рассмотрим при последовательном введении ООС.

По определению сопротивление усилителя без ООС

R_вх = U₁/I₁.

При наличии ООС

R_вх.оc =U_вх/ I₁ = (U₁ + U_ос)/ I₁ =(U₁ + b*К*U₁) / I₁ =

= (U₁/ I₁ )*(1 + b*К) = R_вх*(1 + b*К),

т.е. последовательная ООС увеличивает входное сопротивление в (1 + b*К).

Можно показать, что параллельная ООС изменяет входное сопротивление по закону:

R_вх.оc = R_вх*||[ R_оc *(1 + b*К)].

ОС позволяет управлять входным сопротивлением.

33 Влияние ООС на АЧХ, помехи и нелинейные искажения.

4 Влияние ООС на помехи и нелинейные искажения

ООС уменьшает нелинейные искажения и помехи, возникающие в той части усилителя, которая охвачена ООС.

Пусть усилитель без ООС формирует на выходе напряжение полезного сигнала и напряжение помех U_п. Если его охватить ООС, то уменьшаются пропорционально напряжение полезного сигнала и напряжение помех. Вследствие этого коэффициент нелинейных искажений не уменьшается. Однако напряжение полезного сигнала можно довести до прежнего уровня увеличением коэффициента усиления предыдущего каскада. Из-за этого уровень полезного сигнала на выходе каскада повысится, а все мешающие напряжения уменьшатся, что приведет к уменьшению уровня помех и нелинейных искажений.

Действительно, при введении ООС на выходе каскада возникает новое напряжение U_п.ос, равное разности напряжения U_п, вносимого усилителем, и напряжения U_п.ос, прошедшего через усилитель и цепь ОС и следовательно умноженного на b*К, т.е.

U_п.оc = U_п – U_п.ос* b*К,

откуда

U_п.оc = U_п /(1+ b*К).

Таким образом, ООС уменьшает искажения и помехи, вносимые усилителем, в /(1+ b*К) раз.

5 Влияние ООС на АЧХ

Пусть в усилителе без ООС коэффициент частотных искажений

М _н = К_о/К_н >1.

В усилителе, охваченном ООС,

М_н.ос = [К_о/(1+ b*К_о)]/ [К_н/(1+ b*К_н)] =
= (К_о/К_н)* [(1+ b*К_н)]/[(1+ b*К_о)].

Поскольку К_о >К_н, то следовательно [(1+ b*К_н)]/[(1+ b*К_о)] <1 и поэтому

М_н.ос < М _н,

а при b*К_о >>1 и b*К_н >>1

Мн.ос»1.

34 Устойчивость усилителей с ООС.

Основной недостаток усилителей с ООС состоит в возможности возникновения автоколебаний (генерации) из-за превращения ООС в положительную.

При введении ООС обычно необходимо проводить исследования на устойчивость.

Исследования проводят теоретически и экспериментально.

Основная идея проверки устойчивости теоретически состоит в следующем:

1 размыкают цепь ОС;

2 исследуют АЧХ и ФЧХ последовательно включенных усилителя и цепи ОС;

3 определяют область частот, в которой и b*К ³1;

4 анализируют ФЧХ в этой области. Если фазовый сдвиг достигает 180°, то усилитель неустойчив и переходит в режим генерации сигналов. В ином случае усилитель устойчив.

Разность фаз между 180° и дополнительным фазовым сдвигом в точке, где 20lg(к*g) = 0, называют запасом устойчивости по фазе (j_зап). Отрицательное значение ЛАЧХ петлевого усиления в точке, где дополнительный фазовый сдвиг достигает 180°, называют запасом устойчивости по амплитуде (К_зап). Запас устойчивости по фазе должен быть не менее (30..60)°, а по амплитуде – не менее 3 дб.

35 Усилитель с положительной ОС.

При положительной ОС (ПОС)

U₁ = U_вх + U_ос.

В этом случае коэффициент усиления описывается соотношением

К_ос = К /(1 - b*К).

ПОС увеличивает коэффициент усиления. Значение петлевого усиления ограничено значением b*К <1.

При b*К ³1 усилитель с положительной ОС теряет устойчивость и не может рассматриваться как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного сигнала.

В случае b*К ³1 любой малейший входной сигнал, вызванный шумами, наводками или колебаниями параметров компонентов, усиливается и подается на вход усилителя. Суммируясь с входным сигналом, он вызывает его возрастание. В итоге любой малый входной сигнал, возникший в усилителе, которой охвачен ПОС, вызывает появление выходного сигнала, амплитуда которого стремится к бесконечности.

В реальном усилителе на выходе появятся незатухающие колебания или максимальное напряжение, которое может быть в усилителе.

Таким образом, если на какой-то частоте выполняются условие баланса амплитуд

B*К ³1

и баланса фаз

Dj = 2*p*n,

то усилитель теряет устойчивость.

Если условия выполняются на одной частоте, то сигнал имеет синусоидальную форму.

Если условия выполняются в диапазоне частот, то сигнал имеет несинусоидальную форму.

При выполнении условий на нулевой частоте автоколебания отсутствуют и наблюдается появление триггерного эффекта.

36 Влияние ПОС на параметры и характеристики усилителя.

Дата добавления: 2015-11-16