2.2 Усилители 2024

1. Электронные усилители

-
устройства, увеличивающие амплитуду
электрических сигналов за счет энергии
внешнего источника питания.
Для
реализации усилителя необходим
активный элемент, способный под действием
слабого
входного
сигнала
управлять
энергией, поступающей из источника
питания в нагрузку.

2. Блок-схема усилителя

Мощность
входного
сигнала
Источник
сигнала
Pс
Активный
элемент
Pпит
Источник
питания
Pн Pc ,
Pн Pпит
Pн
Мощность выходного
сигнала на нагрузке
Нагрузка
Мощность источника
питания
Pн
100%
Pпит
КПД усилителя

3. Требования к активным элементам

1. Высокая линейность в широком диапазоне напряжений и
токов (желательна линейность в окрестности нулевых
напряжений). Для минимизации искажений слабых
сигналов.
2. Возможность работы с двумя полярностями входных
напряжений (для усиления переменных сигналов без
смещения рабочей точки).
3. Малая инерционность/высокое быстродействие (для
усиления широкого диапазона частот).
4. Энергоэффективность (малое потребления энергии самим
элементом).
5. Малые габариты и возможность микроминиатюризации
(для создания БИС и СБИС микросхем).
* Ни один современный активный элемент в полной мере не удовлетворяет данным
требованиям. По этой причине для реализации электронных усилителей при
выборе активного элемента приходится искать компромисс. Обычно
предпочтение отдают биполярным или полевым транзисторам.

4. Классификация усилителей

1. По характеру усиливаемых сигналов:
1) Усилители гармонических сигналов – усилители
входной сигнал которых можно представить в виде
суммы гармонических колебаний. У таких
усилителей скорость реакции активного элемента
превосходит скорость изменения параметров
сигнала. # усилители звуковой частоты.
2) Усилители импульсных сигналов – усилители
входной сигнал которых представляет резкие
перепады постоянного тока. Для таких усилителей
скорость реакции активного элемента близка к
скорости изменения параметров сигнала.
# усилитель цифровых сигналов.

5.

2. По частотным свойствам усилителей:
1) Усилители переменного тока – усиливают только
переменную составляющую сигнала определённого
частотного диапазона. В зависимости от частотного
диапазона выделяют: усилители низкой частоты
(fу<100 кГц); усилители высокой частоты (fу>100 кГц);
видеоусилители (fу = 50 Гц ÷ 6 МГц).
2) Усилители постоянного тока – усиливают как
постоянную составляющую сигнала, так и переменную.
К
усилителям
постоянного
тока
относятся
операционные усилители, измерительные усилители.
Усилители постоянного тока нашли широкое
применение в автоматике.

6.

3. По типу активного элемента:
1) Ламповые усилители – используют в качестве
активного элемента электронные лампы.
2) Транзисторные усилители – используют в качестве
активных элементов транзисторы.
3) Гибридные – используют и лампы и транзисторы.
4. По усиливаемой величине:
1) Усилители тока – усиливают преимущественно ток;
2)
Усилители
напряжения
–
усиливают
преимущественно напряжение;
3) Усилители мощности – усиливают и ток и
напряжение.

7.

5. По количеству каскадов:
1) Однокаскадные – содержат один каскад.
2) Двухкаскадные – содержит два каскада;
3) Многокаскадные – содержат 3 и более каскадов.
* Каскад – электрическая схема с минимальным набором
элементов, выполняющая определенную функцию.
6. По классу усиления (по режиму работы активного элемента):
1) Класс А – активный элемент находится в открытом
состоянии в течение полного периода усиления сигнала
включая режим покоя. (низкий КПД, но высокая линейность);
2) Класс В – активный элемент находится в открытом
состоянии только половину периода входного сигнала
(повышенный КПД, высокие переходные искажения типа
«ступенька» см. далее в лекциях)

8.

3)
Класс АВ – объединение двух классов. Активный
элемент работает больше, чем полупериод входного
сигнала (средний КПД при сниженных переходных
искажениях);
4) Класс С – активный элемент работает меньше, чем
полупериод входного сигнала (наибольший КПД,
максимальные искажения);
5) Класс D – активный элемент работает в ключевом
режиме (включено/выключено). (повышенный КПД,
большая выходная мощность при небольших
габаритах.)

9.

Для
линейного усиления слабых сигналов
(предварительные усилители) применяются
преимущественно усилители класса А.
Для
усиления мощности применяются
усилители класса АВ или D.
Усилители
класса С используются в
радиопередатчиках и умножителях частоты,
т.к. обладают высокими значениями КПД, а
искажения формы сигнала могут быть
скомпенсированы
применением
резонансных цепей (см. Электротехника
Резонансы).

10. Простейший однокаскадный усилитель переменного тока на биполярном транзисторе

Назначение элементов:
VT – биполярный транзистор (активный элемент); Rк – ограничивает ток в
цепи коллектора и является также нагрузкой; Rб – подает на базу
транзистора напряжение смещения для установки режима работы
транзистора по постоянному току; С1, С2 – разделительные конденсаторы –
препятствуют протеканию постоянного тока во входной и выходной цепи
для устранения его влияния на режимы работы транзисторов в данном и
других каскадах.

11.

Принципы работы усилительного каскада:
Режим покоя усилителя: Uвх = 0.
При этом на базу транзистора
через резистор Rб подается
напряжение смещения, которое
приводит к частичному открытию
транзистора.
Величину
Rб
выбирают таким образом,
чтобы постоянное напряжение на коллекторе было близко к
половине напряжения питания Uпит/2. В этом случае будет
максимально эффективно использовано напряжение питания
для усиления сигнала. Таким образом в режиме покоя на
коллекторе действует постоянное напряжение равное
≈Uпит/2 при этом Uвых = 0, т.к. конденсатор C2 не
пропускает постоянное напряжение на выход.
1)

12.

Режим покоя
Рабочая
точка
Входная характеристика
Нагрузочная
прямая
Рабочая
точка
Выходная характеристика
* Нагрузочная прямая показывает как изменяется ток в коллекторе Iк и напряжение
на коллекторе Uкэ при изменении тока базы Iб.

13.

2)
Рабочий режим усилителя: Uвх ≠
0. Т.е. на вход усилителя через
конденсатор C1 подается слабый
переменный сигнал uвх.
Этот
переменный сигнал складывается
на
базе
с
постоянным
напряжением смещения, и на базе
транзистора будет действовать пульсирующее напряжение
постоянное по знаку, но переменное по величине. Это
пульсирующее напряжение будет периодически открывать и
закрывать транзистор в соответствии с формой входного
переменного сигнала. При этом напряжение на коллекторе будет
пульсировать в соответствии с напряжением на базе только со
сдвигом фаз в 180o (при увеличении напряжения на базе
напряжение на коллекторе падает). Конденсатор С2 пропустит на
выход только переменную составляющую сигнала, т.о. на выходе
будет действовать переменный усиленный сигнал Uвых.

14.

Рабочий режим
Входной
переменный
сигнал
вызывает
пропорциональное
(линейное) изменение ∆Iб тока на
базе.
Изменение тока на базе ∆Iб вызывает
пропорциональное (линейное) изменение
напряжения Uкэ и тока Iк коллектора.

15.

Временные диаграммы работы усилительного каскада.
Входное напряжение
(Переменный ток)
Напряжение на базе
(Пульсирующий ток)
Напряжение на
коллекторе
(Пульсирующий ток)
Выходное напряжение
(Переменный ток)

16.

* замечания
* Можно заметить, что усилитель обладает ограниченными областями линейности
(отмечены голубым цветом) выход за которые приведет к возникновению
искажений формы выходного сигнала.
* Искажения формы могут возникнуть при неправильном выборе рабочей точки
(режима покоя), а также при очень больших напряжениях входного сигнала.
* Искажения сигнала также возникают при отсутствии смещения (точка О). Т.е. в
данной схеме смещение обязательно!
* Также видно, что амплитуда напряжения на выходе не может превышать половину
напряжения питания.

17.

* особенности данного усилительного каскада:
1) Усилитель работает в классе А, из-за этого имеет
КПД < 50%, однако при этом искажения сигнала
минимальны.
2) Усилитель изменяет фазу сигнала на 180o
3)
Входное
сопротивление
усилителя
на
переменном токе порядка 102 Ом, что не позволяет
его использовать для усиления сигналов от
источника с большим внутренним сопротивлением
(~ 106 Ом) из-за потери входного напряжения.
4) Данная схема обладает максимальным усилением
по напряжению и по току из-за использования
схемы с общим эмиттером транзистора.

18.

Линейные
усилительные схемы ОК, ОБ
работают похожим образом. Попробуйте
самостоятельно разобраться в их работе.
Схема с ОК (эмиттерный повторитель)
Схема с ОБ

19. Характеристики и параметры усилителей

Представим усилитель в виде 4-х полюсника.
U 1 U1 e j 1
j 2
U2 U2 e
U 2
Ku
U 1
Входное и
выходное
комплексное
напряжение
- комплексный коэффициент передачи по напряжению.
U 2 e j 2 U 2 j ( 2 1 ) U 2 j k
Ku
e
e
j 1
U1 e
U1
U1
k 2 1
U2
Ku
U1
- разность фаз входного и выходного сигнала.
модуль
коэффициента
передачи.

20.

Для
усилителя справедливо соотношение: U2 > U1
значит Ku >1, такой коэффициент передачи
называют
коэффициентом
усиления
(по
напряжению).
* Аналогично можно ввести коэффициент усиления
по току Ki или по мощности Kp, однако, зная другие
параметры усилителя (Rвх, Rн), можно легко перейти
от Ku к Ki и Kp:
I вых U вых / Rн
Rв х
Ki
Iвх
U в х / Rв х
Ku
Rн
Pвых I выхU вых
2 Rвх
Kр
Ku Ki K u
Pвх
I вхU вх
Rн
* В общем случае коэффициент усиления величина безразмерная,
однако в ряде случаев удобно пользоваться размерным
коэффициентом усиления, выраженным в логарифмических
единицах.

21.

U2
KuдБ 20 lg дБ Логарифмический коэффициент
усиления выраженный в децибелах.
U1
Удобство использования логарифмического коэффициента
проявляется при вычислении общего усиления нескольких
каскадов. В этом случае общий логарифмический Kuдб
коэффициент усиления находится как сумма каскадных
коэффициентов в отличие от безразмерного Ku
коэффициента, который вычисляется как произведение
коэффициентов отдельных каскадов.
Kuобщ Ku1 Ku2 ... Kun
KuдБ общ KuдБ1 KuдБ 2 ... KuдБ n

22.

Амплитудно-частотная
зависимость
частоты.
характеристика
коэффициента усиления Ku
–
от
fн – граничная нижняя частота; fв – граничная верхняя
частота; (fн ÷ fв) – диапазон усиливаемых частот
(рабочий диапазон частот усилителя).
П = (fв – fн) – полоса усиления (разность верхней и
нижней частот в диапазоне пропускания).

23.

Фазо-частотная характеристика – зависимость угла
сдвига фаз в усилителе φк от частоты. Для
минимизации искажений сигнала ФЧХ усилителя
должна быть линейна в полосе усиления.

24.

Амплитудная
характеристика усилителя –
зависимость напряжения на выходе усилителя от
напряжения на входе при постоянной частоте и
напряжении питания.
Характеристика
идеального
усилителя
линейна и бесконечна, у
реального
усилителя
характеристика линейна
только в определенном
диапазоне напряжений.
Границы линейного диапазона определяются
напряжениями: Uвх min, Uвых min и Uвх max, Uвых
max.

25.

Существование
Uвх min и Uвых min связано с
наличием шумов и помех в усилителе, т.е. даже при
Uвх = 0 Uвых ≠0.
Существование Uвх max и Uвых max связано с
ограниченностью мощности источника питания
(источник питания не может обеспечивать
бесконечно большое напряжение на нагрузке.
Динамический диапазон
D
–
выраженное
в
логарифмических
единицах
отношение
граничных
входных
напряжений.
[дБ]

26.

Коэффициент
гармонических искажений
(THD) Kг – относительная величина
определяющая
совокупную
амплитуду
гармоник, возникающих в усилителе при
воздействии на вход синусоидального
сигнала с постоянной частотой f.
U 22 U 32 ... U n2
Kг
100%,
U1
U1 амплитуда _ первой _ гармоники (испытательный _ сигнал),
U n амплитуда _ n й _ гармоники _ с _ частотой _ f n f n.
Современные
усилители обладают очень малыми
Кг < 0.001 %. Для усилителей мощности Кг ≤ 1 %.

27.

*
Следует отметить, что коэффициент
гармоник для усилителей звуковой частоты
не
является
параметром,
который
однозначно определяет его субъективные
качественные показатели.
Так усилитель с коэффициентом гармоник
1% может субъективно звучать приятнее, чем
усилитель с Кu ≈ 0.1%.
Это связано с особенностью восприятия
звука человеком, а также влиянием на
субъективное восприятие частотного спектра
искажений.

28.

Частотный спектр гармонических искажений.
Амплитуда гармоник (дБ)
Хорошо видны гармоники от частоты 1 кГц.
Частота тестового
сигнала
Частота (Гц)
Гармоники,
появившиеся в
усилителе.

29.

Также
для
гармонических усилителей
принято
измерять
коэффициент
интермодуляционных искажений (IMD)Kими.
В этом случае на вход усилителя подается 2
сигнала с некратными частотами, в
результате
нелинейных
процессов
в
выходном сигнале появляются колебания с
частотами в виде суммы и разности частот
входных колебаний.

30.

Спектр интермодуляционных искажений
Первый тестовый
сигнал f = 60 Гц
Результаты
интермодуляции
Второй тестовый
сигнал f = 7 кГц
Результаты
интермодуляции

31.

* Для оценки искажений формы импульсных
сигналов для импульсных усилителей
оценивают переходные искажения.
Переходные искажения оцениваются по
переходной характеристике – отклику
усилителя на единичное воздействие (скачок
напряжения).
Тестовый сигнал
(единичное воздействие)
Переходная характеристика усилителя
(отклик)

32. Вопросы

1. Дайте определение усилителям.
2. Нарисуйте блок-схему усилителя.
3. Перечислите требования к активным элементам для
усилителей.
4. Приведите полную классификацию усилителей.
5. Приведите схему однокаскадного усилителя переменного
тока на биполярном транзисторе, опишите назначение
элементов.
6. Опишите принципы работы усилительного каскада в
режиме покоя и в рабочем режиме.
7. Перечислите характеристики и параметры усилителей.
8. Чем определяется минимальное напряжение на входе
реальных усилителей?
9. Чем ограничено выходное напряжение у реальных
усилителей?