Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется как

На выходе первого каскада (МУ1) включены мостовые вы­прямители В1 и В2, предназна­ченные для питания обмоток управления второго каскада (МУ2). Нагрузка /^ переменно­го тока включена на выходе

второго каскада. Напряжение питания первого каскада U₂, — сни­мается со специальных трансформаторных обмоток ы>_тр, намотан­ных на сердечниках МУ2 таким образом, что наводимые в них из рабочих обмоток w_p2 ЭДС складываются. Поэтому напряжение и_г, не зависит от изменяющихся напряжений на отдельных обмотках ш_у. Это напряжение остается пропорциональным напряжению пи­тания сети £/,_. Следовательно, в данной схеме не нужен отдельный трансформатор питания.

В основном инерционность многокаскадного усилителя опреде­ляется инерционностью первого каскада. Поэтому первый каскад обычно выполняют с небольшим коэффициентом усиления и малой постоянной времени. А необходимый общий коэффициент усиле­ния стремятся получать за счет следующих каскадов. В итоге инер­ционность, например, двухкаскадного усилителя будет меньше, чем инерционность однокаскадного усилителя одинаковой мощности с тем же коэффициентом усиления.

Пример 25Л. Определить постоянную времени однокаскадного магнитного усилителя с положительной обратной связью при kf = 3,6 — Ю 3 ; К_ж = 0,97; /= 50 Гц.

Определить постоянную времени двухкаскадного усилителя, работающего на той же частоте и с таким же коэффициентом об­ратной связи, но с коэффициентами усиления первого каскада К_п = 60 и второго каскада k_n = 60, обеспечивающими общий коэф­фициент усиления k_Pik_n = 60 • 60 — 3,6 1C 3 . Сравнить эти постоян­ные 1 времени, полагая для простоты КПД т]= 1.

Из (23.6) получим выражение для постоянной времени при по­ложительной обратной связи

Как видно из данного примера, инерционность двухкаскадного усилителя при том же усилении уменьшается в 30 раз. Для умень­шения инерционности используют питание первых каскадов повы-

шенной частотой и лишь последний (выходной) каскад питают «на­пряжением той частоты, на которую рассчитана нагрузка.

•§ 25.2. Быстродействующие магнитные усилители

К быстродействующим относятся магнитные усилители, постоянная времени которых меньше длительности периода переменного пита­ющего напряжения. Если в обычных усилителях на инерционность ‘оказывает основное влияние депь управления, то в быстродейству­ющих усилителях необходимо учитывать запаздывание и в рабочей цепи. Высокое быстродействие в магнитных усилителях (в одном каскаде) может быть обеспечено лишь при использовании высоко­качественных материалов для сердечников. К таким материалам ог­ласятся железоникелевые сплавы (пермаллои), основные достоин­ства которых — близкая к прямоугольной петля гистерезиса, высо­кая машитная проницаемость в слабых полях и малое «значение коэрцитивной силы.

Для упрощенного анализа работы быстродействующего магнит-нога усилителя воспользуемся теорией идеализированного магнит­ного усилителя, т. е. пренебрежем шириной петли гистерезиса »рг-.«итного материала сердечника. Представим эту кривую графически в даде ломаной линии, состоящей из трех отрезков (рис, 25.2, а). Вертикальный участок этого графика соответствует магнитной про­ницаемости, стремящейся к бесконечности, а на горизонтальных участках магнитная проницаемость стремится к нулю. Это означает, что в режиме работы сердечника на вертикальном участке индук­тивное сопротивление рабочей обмотки стремится к бесконечности, а на горизонтальном участке — к нулю.

Простейшим быстродейст­вующим магнитным усилите­лем является схема на одном сердечнике с внутренней обрат­ной связью за счет однополупе-риодного выпрямления в цепи рабочей обмотки (рис. 25.2, б). Работу такой схемш можно’ рас­сматривать по двум полуперио­дам питающего напряжения U-. Когда диод Д открыт Хполяр-Ноеть приложенного напряже­ния совпадает с проводящим

направлением диода), изменение магнитного состояния сердечника происходит под действием тока в рабочей обмотке. Этот полупериод называется рабочим. Когда диод Д закрыт, изменение магнитного со­стояния сердечника происходит только под влиянием тока в обмотке управления. Этот полупериод называется управляющим.

В рабочем полупериоде можно выделить два режима работы усилителя: рабочая точка находится на вертикальном или на гори­зонтальном участке характеристики намагничивания (рис. 25.2, а). В первом режиме индуктивное сопротивление рабочей обмотки очень велико и ток в рабочей цепи (ток нагрузки /_н) равен нулю. Во втором режиме индуктивное сопротивление рабочей обмотки близ­ко к нулю и ток в рабочей цепи /_н определяется только мгновенным значением напряжения питания и активным сопротивлением на­грузки. В зависимости от значения тока управления изменяется мо­мент времени, в который индуктивное сопротивление рабочей об­мотки скачком изменяется от бесконечности до нуля (напомним, что речь идет об идеализированном магнитном усилителе). На рис. 25.3 показаны кривые тока в рабочей цепи для двух значений фазы отпирания усилителя. Рабочий ток, как видно из рисунка, имеет вид срезанных по вертикали синусоидальных импульсов. Максимальная амплитуда импульсов /_н = U-^^ /R_H.

Отпирание усилителя зависит от магнитного состояния сердеч­ника в конце предшествующего (т. е. управляющего) полупериода. Чем выше на вертикальном участке кривой намагничивания нахо­дится точка начальной индукции (В₀₁ и В₀₂ на рис. 25.3, в), тем бы­стрее наступает момент времени, когда рабочая точка перемещается

на горизонтальную часть кривой намагничи­вания и индукция достигает значения B_s. Если в очередном управляющем полупериоде ток управления отсутствует, то к очередному рабочему полупериоду начальное значение индукции не изменится (В₀ = B_s) и выходной сигнал будет иметь максимальное значение. Минимальное запаздывание обусловлено принципом работы усилителя с обратной связью и может колебаться от длительности полупериода (в случае совпадения момента подачи сигнала и началом управляющего по­лупериода) до длительности периода (в слу­чае подачи сигнала с началом рабочего полу­периода).

Зависимость выходного тока от управля­ющего показана на рис. 25.4, а. Как видно из характеристики /_н =/(/_у), при /_у = 0 выходной ток максимален, а для его уменьшения требу­ется подавать отрицательный входной сигнал (-/_у). На практике удобнее иметь прямо пропорциональную зависи­мость выходного сигнала от входного (рис. 25.4, б). Для получения такой характеристики в управляющую цепь включают дополнитель­ный источник напряжения смещения t/_CM (его называют опорным напряжением) с той же частотой, что и напряжение питания, но сдвинутый по фазе на 180° (рис. 25.5, а).

При выполнении соотношения между питающим и опорным напряжениями Ц._м / U— = ш_у / w_f необходимое размагничивание сер­дечника будет происходить в течение управляющего полупериода за счет U_CM и при /_у = 0. Соответственно при /_у = 0 ток нагрузки будет равен нулю, а при увеличении тока управления будет возрастать ток нагрузки, как показано на рис. 25.4, б.

На основе двух однополупериодных схем построены двухполу-периодные и реверсивные быстродействующие магнитные усилите­ли. При этом усилители с выходным постоянным или переменным током отличаются соединением цепи нагрузки.

На рис. 25.5, 6 показана схема двухполупериодного быстродей­ствующего усилителя, в которой опорное напряжение, обеспечива­ющее смещение, подается со вторичной обмотки трансформатора Тр. Поскольку это напряжение в течение одного полупериода запи­рает диод Д1, а в течение другого полупериода — Д2, в каждый из полупериодов ток проходит только по одной обмотке управления.

На рис. 25.5 показана полярность опорного напряжения, при которой диод Д2 закрыт, а диод Д1 открыт. Ток управления при этом протекает по цепи «+»U_on—ш_у,—Д1— U_m—Д4(«+»и_о„). В другой полупериод, когда изменится полярность U_on, ток управления прой­дет по обмотке w_y2— Проследите его путь самостоятельно.

Надо отметить, что быстродействующие магнитные усилители имеют коэффициенты усиления по напряжению и по мощности ме­ньше, чем усилители с нормальным быстродействием. Они стано­вятся быстродействующими именно за счет повышения мощности управляющего сигнала. Поэтому для маломощных усилителей пред­почтительнее «обычные» схемы, а не быстродействующие.

Чаще всего быстродействующие усилители применяются для непосредственного усиления сигналов переменного тока (без пред­варительного выпрямления) . Но достоинства быстродействующего усилителя будут сведены на нет, если исполнительное устройство в системе автоматики будет обладать большим запаздыванием. Поэто­му реверсивные быстродействующие магнитные усилители получи­ли применение в следящих системах с малоинерционными испол­нительными электродвигателями (например, имеющими полый тонкостенный ротор наи дисковый. poTdp с печатной обмоткой).

2.5.5 Многокаскадные усилители

Как правило, коэффициент усиления одиночного транзисторного каскада не пре­вышает нескольких десятков. Поэтому в случае необходимости получения боль­ших значений коэффициента используют многокаскадные усилители (МКУ), построенные путем последовательного соединения нескольких одиночных кас­кадов. При таком соединении встает проблема согласования входных и выходных сигналов различных каскадов как по переменному, так и по постоянному току.

Ранее отмечалось, что усилительные устройства могут классифицироваться, в частности, по виду межкаскадных связей. При этом были выделены две группы усилителей: усилители переменного тока и усилители постоянного тока.

К первой группе относятся усилители с трансформаторными и RС — связями.

Вторую группу в основном представляют усилители с гальваническими свя­зями. Между отдельными каскадами усилителя осуществляется так называемая гальваническая связь: связь посредством элементов, обеспечивающих двусто­роннюю передачу сколь угодно медленных изменений сигнала (напряжения или тока). В частном случае при отсутствии каких-либо дополнительных элементов гальваническая связь превращается в непосредственную.

Особенностью усилителей первой группы является отсутствие связи по по­стоянному току между отдельными каскадами. Ввиду этого в каждом отдельном каскаде можно установить оптимальный режим работы по постоянному току, например, с точки зрения коэффициента усиления или вносимых искажений.

Однако если в этих усилителях входной сигнал кроме переменной содержит и постоянную составляющую, то после усиления информация о постоянной со­ставляющей будет потеряна.

В усилителях с гальваническими связями необходимо заботиться о согласо­вании сигналов как по постоянному, так и по переменному току. Это накладыва­ет определенные ограничения на выбор режимов работы транзисторов и в боль­шинстве случаев существенно затрудняет проектирование усилителя.

Теоретически в составе МКУ может быть любое число каскадов, но на прак­тике используются только от двух до четырех. Они могут выполняться по оди­наковой схеме (обычно с общим эмиттером), однако чаще в силу некоторых об­стоятельств выполняются по разным схемам (например, общий коллекторобщий эмиттер). Нелинейные искажения обычно определяются последним каскадом, так как на его вход подается наибольшая амплитуда сигнала. Шумовые свойства, как пра­вило, определяются первым каскадом, поскольку здесь амплитуда входного сиг­нала незначительна и может быть сравнима с напряжением шумов.

В МКУ существенной оказывается паразитная связь через источник питания, внутреннее сопротивление которого является общим нагрузочным сопротивле­нием для всех каскадов.

При трех и более каскадах эта связь может привести к самовозбуждению уси­лителя. Для устранения этой опасности применяют следующие меры:

• увеличение емкости выходного конденсатора сглаживающего фильтра питания;
• введение в выпрямитель электронного стабилизатора напряжения с низким выходным сопротивлением;
• устройство двух- или трехсекционного сглаживающего фильтра с питанием выходного и предварительных каскадов усилителя от различных секций;
• применение дополнительных развязывающих цепочек RфСф в каждом каска­де, кроме последних одного-двух.

Рисунок 6.26 – Прниципиальная схема двухкаскадного усилителя с непосредственной связью

В обычных схемах с транзисторами одинаковой структуры непосредственную связь чаще всего осуществляют только между двумя соседними каскадами. Про­стейшая схема такого усилителя показана на рисунке 6.26.

Связь с соседними каскадами осуществляется с помощью разделительного конденсатора или трансформатора. Назначение элементов такое же, как и в ранее рассмотренной схеме с общим эмиттером. Однако здесь для второго каскада роль базового делителя выполня­ют резистор R_K1 и цепочка R_Э1–R_VТ1.СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ Статический режим первого каскада не отличается от ранее изученной схемы с ОЭ. Для второго каскада он будет несколько другим (цепи протекания токов по постоянной составляющей):

• ток базы I_Б2:

+Ек корпус  R_Э2 эмиттер-база VТ₂  R_к1  Rф  -Ек;

• ток коллектора I_К2:

+Ек  корпус  R_Э2  эмиттер-база-коллектор VТ₂  R_К2  -Ек;

• ток делителя I_д2:

+Ек  корпус  R_Э1  эмиттер-база-коллектор VТ₁  R_К1  Rф-Ек; Смещение на переходе база-эмиттер транзистора VТ₁ определяется следую­щим образом: U_БЭ1 = U_RБЭ2 – U_RЭ1. Смещение на переходе база-эмиттер транзистора VT₂ равно: U_БЭ2 = U_дел2 – U_RЭ2= (U_RЭ1 + U_ЭКVТ1) – U_RЭ2. Если предположить, что VT_l и VT₂ работают в одинаковых режимах (напри­мер, при U_БЭ = 0,2 В и U_KЭ = 3 В), то нетрудно убедиться, что для питания второ­го каскада требуется более высокое постоянное напряжение за счет вынужден­ного увеличения напряжения на R_Э2, так как R₃₂ > R_Э1.- При наличии третьего каскада потребовалось бы еще большее увеличение Е_к, поскольку U_БЭЗ = (U_RЭ2 + U_ЭKVТ2) – U_RЭ3. В численном выражении U_RЭ3 = (5,8 + 3) — 0,2 = 8,6 В. Таким образом, в нашем примере: U_RЭ3 = 3 В; U_RЭ2= 5,8 В; U_RЭ3 = 8,6 В. Видно, что с увеличением числа каскадов требуется увеличивать напряжение ис­точника питания Ек. Этот факт является недостатком усилителей с непосредст­венными связями на однотипных транзисторах. В случае, если напряжение Е_к оказывается недостаточным, применяют схемы на транзисторах с различным типом проводимости, которые включаются пооче­редно друг за другом. Хотя здесь и не требуется увеличения напряжения источни­ка питания (берется как для одного каскада), однако с точки зрения эксплуата­ции и изготовления это нежелательно из-за увеличения разнотипности деталей. Поэтому такая мера используется лишь в крайних случаях. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ Пусть статический режим обеспечен и к зажимам 1-1′ приложено напряжение сиг­нала . Это напряжение через С_Э1 прикладывается к участку база-эмиттер VT₁и вызывает пульсации тока базы, который в свою очередь вызывает пульсации тока коллектора. Таким образом, в составе тока Iк появляется переменная со­ставляющая, источником которой является транзистор VT. Цель протекания пе­ременной составляющей коллекторного тока (рисунок 6.26): коллектор VТ₁Ток базы транзистора VT₂ становится пульсирующим и вызывает пульсации коллекторного тока Iк транзистора VT₂, то есть происходит управление транзи­стором VT₂. В коллекторном токе I_К2 появляется переменная составляющая, ко­торая протекает по цепи: коллектор VТ₂ СТАБИЛИЗАЦИЯ СТАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА Покажем динамику стабилизации статического режима на примере вышеприве­денной схемы (рисунок 6.27). Опишем процессы только во втором каскаде, посколь­ку стабилизация первого не отличается от ранее рассмотренной схемы с общим эмиттером.

Рисунок 6.27 – Параллельная ООС по постоянному току

Пусть увеличилась температура. Тогда уменьшится сопротивление RVТ1, сле­довательно, уменьшится также сопротивление (RVТ1 + RЭ1) значит, уменьшит­ся (Uкэ1 + URЭ1). В результате: UЪЭ2  = (UKЭl + URЭ1 )  — URЭ2  => IK2   const, то есть второй каскад стабилизируется лучше, чем первый. Стабилизация второго каскада еще больше улучшится, если учесть, что здесь RЭ2 > RЭ1.

На практике для улучшения стабилизации статического режима усилителей с непосредственными связями широко используется межкаскадная ООС по постоянному току. Реализации межкаскадной ООС по постоянному току достаточно разнообразны. Однако суть их в упрощенном варианте можно свести к двум схемам: параллельная ООС по постоянному току (рисунок 6.27.) и последовательная ООС по постоянному напряжению (рисунок 6.28). Для рисунка 6.27 действие цепи ООС можно объяснить следующим образом. Пусть температура увеличилась, что влечет за собой уменьшение сопротивления обоих транзисторов и увеличение их коллекторных токов (I_k1, I_к2). Поскольку ток базы I_Б1 транзистора VT₁ протекает по цепи: корпус  R_Э1  эмиттер-база VТ₁ Rос  эмиттер – база VТ₂  …  -Ек, то он увеличится более существенно благодаря уменьшению сопротивления тран­зистора VT₂.

Рисунок 6.28 – Последовательная ООС по постоянному напряжению

В результате транзистор VT1 откроется сильнее, напряжение Uк1 — корпус резко уменьшится, а это приведет к такому же уменьшению тока базы VT2. Как следст­вие, уменьшится ток IК2 транзистора VT2. Затем уменьшится и коллекторный ток транзистора VTl. Таким образом, осуществляется стабилизация коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2. Аналогично можно объяснить стабилизацию статического режима для схемы на рисунке 6.28.

• Проблема инвертирования фазы сигнала. Необходимо такое включение цепи ОС, чтобы напряжение с выхода поступало на вход в противофазе с сигналом.
• Обеспечение устойчивости МКУ. Для обеспечения устойчивости при глубо­кой ОС, особенно при широкой полосе частот, используются различные при­емы, в том числе и корректирующие цепи.

Рисунок 6.29 – Общая последовательность ООС по напряжению

Как видно, в первом каскаде осуществлена местная ООС. Глубина ООС опре­деляется резисторами Roc и Rос1. Она тем больше, чем меньше Roc и чем боль­ше Rос1. На рисунке 6.30 показан другой вариант осуществления ООС в двухкаскадном усилителе. Поскольку напряжение на Roc2 находится в фазе с напряжением на коллекторе транзистора VTlt а оно, в свою очередь, — в противофазе с входным, то цепь ОС подключается к базе транзистора VTt. Таким образом осуществляется параллельная ООС по току. Глубина ОС опре­деляется резисторами ROC1 и Roc2 , причем она тем глубже, чем меньше R0C] и чем больше Rоc2. Из схемы видно, что во втором каскаде осуществлена также местная ООС.

Рисунок 6.30 – Общая параллельная ООС по току

Следует иметь в виду, что рассмотренные выше обратные связи способствуют изменению входного и выходного сопротивлений, но только в одном, свойствен­ном данному виду связи, направлении. Так, в схеме на рисунке 6.29 увеличивается Rвх и уменьшается Rвых, а в схеме на рисунке 6.30 уменьшается RBX и увеличивается RBba. Степень вносимого изменения оказывается тем заметнее, чем больше глубина ОС. Кроме того, величина входного и выходного сопротивлений получается за­висимой от многих показателей усилителя, в частности от его собственных со­противлений и усилительных свойств. И наконец, у подобных устройств измене­ние внешних сопротивлений на входе и выходе (источник сигнала и нагрузка) сказывается на величине глубины ОС.

1. Коэффициент усиления и коэффициент частотных искажений МКУ равен произведению коэффициентов усиления или коэффициентов частотных ис­кажений всех каскадов.
2. Нелинейные искажения МКУ в основном определяются нелинейностью уси­лительного элемента оконечного каскада.
3. Применение ООС по току и по напряжению существенно влияет на параметры усилителя. Изменяются входное и выходное сопротивления, улучшаются ча­стотные свойства, стабилизируется коэффициент усиления. Однако при этом R_BX и R_BblK каскада, как правило, зависят от сопротивления нагрузки, источника сигнала и коэффициента усиления усилительного элемента. Поэтому для обес­печения независимости от этих факторов применяют комбинированную ОС.
4. Для стабилизации режима работы МКУ с непосредственной связью исполь­зуют ООС по постоянному току.
5. Формирование АЧХ обеспечивается включением соответствующих корректи­рующих элементов.
6. Самовозбуждение МКУ может возникнуть за счет паразитных ОС. Из них наиболее опасными являются паразитные ОС через общий источник пита­ния, где для их устранения применяются развязывающие фильтры в цепях питания усилительных элементов.

1. Как определить общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя?
2. Каким образом учитываются коэффициенты частотных искажений и углы сдвига фаз, вносимые отдельными каскадами, в многокаскадном усилителе?
3. В чем отличие стабилизации статического режима во втором каскаде (после­дующем) от стабилизации в первом каскаде?
4. Покажите цепи протекания постоянной и переменной составляющей токов в различных каскадах многокаскадного усилителя.
5. Что называют самовозбуждением или потерей устойчивости усилителя? При каких условиях возникает самовозбуждение усилителя?
6. Может ли усилитель с отрицательной обратной связью потерять устойчивость?
7. Какие меры применяют для обеспечения устойчивости усилителя с отрица­тельной обратной связью?

2.2.5 Основные технические показатели и характеристики

Технические показатели усилительных каскадов представляют собой количест­венную оценку их работы. Это коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, коэффициент полезного дейст­вия, чувствительность (номинальное входное напряжение), диапазон усилива­емых частот, линейные и нелинейные искажения, динамический диапазон, ча­стотная, фазочастотная, переходная характеристики.

Коэффициентом усиления, или коэффициентом передачи, называют отноше­ние выходного сигнала ко входному. Он определяется обычно в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

В зависимости от характера входной и выходной величин различают: коэф­фициент усиления по напряжению К_U = Uвых / Uвх; коэффициент усиления по току К_I = Iвых / Iвх; коэффициент усиления по мощности К_Р = Рвых / Рвх.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произ­ведению коэффициентов усиления отдельных каскадов и представляет собой безразмерную величину:

Громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна лога­рифму его интенсивности. При сравнении мощности двух колебаний вводится логарифмическая единица — Бел или его десятая часть — децибел. Тогда коэф­фициент усиления, выраженный в логарифмических единицах, равен:

К_U (дБ) = 20lg (Uвых / Uвх),

К_I (дБ) – 20lg (Iвых / Iвх), (3.14)

Кр (дБ) = 10lg (Рвых / Рвх).

Коэффициенты усиления многокаскадного усилителя, выраженного в деци­белах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженных в тех же единицах:

Рисунок 3.16 – представление усилителя в виде активного четырехполюсника

Коэффициенты усиления по напряжению и току в общем случае являют­ся комплексными величинами, характеризуемыми модулем и фазой. Это связа­но с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разно­му из-за наличия реактивных элементов схемы и частотных свойств активных элементов — транзисторов. Коэффициент усиления по мощности всегда есть число действительное, поскольку он имеет смысл лишь при активном характере нагрузки.

Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно представить в виде ак­тивного четырехполюсника. Одна из возможных эквивалентных схем представ­лена на рисунке 3.16.

Ко входу усилителя (сечение 1-1) подключается источник входного сигнала в виде генератора напряжения с ЭДС Ег, имеющий внутреннее сопротивление г. За счет источника входного сигнала во входной цепи протекает входной ток Iвх, который создает на входе усилителя (на входном сопротивлении) входное представляет собой сопротивление (полное вх или резистивное Rвх) меж­ду входными зажимами усилителя и определяется выражением

(3.16)

Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот. В области низких частот его реактивного составляющая очень мала и на практике не учитывается.

Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источ­ником сигнала для внешней нагрузки . Нагрузкой усилителя может быть око­нечное (исполнительное) устройство или вход последующего усилительного каскада.

К выходу усилителя (сечение 2-2′) подключается нагрузка Rн, через которую протекает выходной ток Iвых. Выходное сопротивление (полное , или рези­стивное Rвых) определяют между выходными зажимами при отключенном сопро­тивлении нагрузки :

(3.17)

Выходное сопротивление усилителя Rвых в области средних частот полосы пропускания практически активное. В усилителях звуковых частот (УЗЧ) вы­ходное сопротивление во много раз меньше сопротивления нагрузки Rн Rвых, что необходимо для лучшего воспроизведения звука. Различие сопротивлений по­давляет собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабля­ет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению называют коэффициентом демпфирования:

Кд = Rн /Rвых. (3.18)

Для усилителей высшего класса коэффициент демпфирования лежит в пре­делах от 10 до 100.

Если нагрузка связана с усилением с помощью длинной линии (воздушной или кабельной, коаксиальной), то необходимо согласование выходного сопротив­ления усилителя с сопротивлением линии во избежание отражений, приводящих к искажениям формы сигнала.

Выходная мощность характеризуется номинальной мощностью, развиваемой усилителем в нагрузке. Это мощность на выходе усилителя при работе на расчет­ную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений:

(3.19)

где Uвых. m — амплитудное значение выходного напряжения.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, кото­рые возникают за счет нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигнала.

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение вы­ходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, по­требляемой от источника питания:

(3.20)

где Ро — мощность, потребляемая от источника питания.

Чувствительностью (номинальным входным напряжением) называют напря­жение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем она меньше, тем выше чувствительность усилителя. Минимально допустимое напряжение ограничивается уровнем собственных шу­мов усилителя, на фоне которых нельзя выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искаже­нием формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках ВАХ транзистора.

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к наи­меньшему называют динамическим диапазоном:

(3.21)

Диапазоном усиливаемых частот (полосой пропускания) называется разность граничных частот в.гр — н.гр, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью; допустимые изме­нения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Полоса пропускания частот усилителя должна быть больше или равна шири­не спектра усиливаемых частот. Она зависит от класса и качества аппаратуры. С расширением полосы пропускания растет стоимость аппаратуры, усложняется конструкция, увеличивается воздействие на усилитель различного рода помех. На практике полосу пропускания сужают до минимальных пределов, обеспечи­вающих необходимое качество работы усилителя.

Искажения сигнала. Кроме получения необходимого коэффициента усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его форму. Отклонение фор­мы выходного сигнала от формы входного принято называть искажениями. Они бывают нелинейные и линейные.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителя. При подаче на вход усилителя напряжения синусоидальной формы из-за нелинейности входной и выходной характеристик транзистора форма входного и выходного токов отличаются от синусоидальной из-за появления составляющих высших гармоник. Это относится как к синусои­дальному входному напряжению, так и ко входному сигналу любой другой фор­мы. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелиней­ных искажений (клир-фактор) усилителя, выраженным в процентах:

где Р₂, Р₃ , …,Рn — мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й. n — й гармонических составляющих напряжения (U₂, U₃, … Un); P₁ — мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения U₁.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают толь­ко вторую и третью гармоники, поскольку более высокие имеют малую мощность.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов отдельных каскадов.

Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и не связаны с его частотой. Для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен иметь малую амплитуду. В связи с этим в многокаскадных усили­телях нелинейные искажения в основном возникают в предоконечных и выход­ных каскадах, на входе которых действуют сигналы большой амплитуды.

ГЛАВА 4. УСИЛИТЕЛИ

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Принцип действия усилительного каскада удобно пояснить с помощью схемы, приведенной на рис.4.1. Основой усилителя являются два элемента: резистор R и управляемый активный элемент АЭ транзистор, сопротивление которого изменяется под действием входного сигнала U_вх . За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением E_п в цепи резистора R и АЭ. В результате будут меняться падение напряжения на резисторе, а следовательно, и выходное напряжение U_вых. Здесь процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания E_п в энергию выходного напряжения.

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада, приведенную на рис.4.2. Усилитель представлен как активный четырехполюсник. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения E_г, имеющего внутреннее сопротивление R_г. На выходе усилителя включен резистор нагрузки R_н. Ни генератор E_г , ни нагрузка не являются частями усилительного каскада, но довольно часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис.4.2 представляется своими входным R_вх и выходным R_вых сопротивлениями.

По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения, тока и мощности.

Удобно подразделять усилительные каскады по соотношению величин R_вх и R_г . Если в усилителе R_вх>>R_г, то он является усилителем напряжения. В усилителе тока R_вхг, т.е. имеет место токовый вход. В усилителе мощности вход согласован с источником входного сигнала, т.е. R_вх » R _г ,

По соотношению между величинами R_вых и R_н также можно разделить усилители на усилители напряжения (R_выхн), тока с токовым выходом (R_вых>>R_н), и мощности, которые работают на согласованную нагрузку (R_вых » R_н ).

Как правило усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис.4.3). Первый каскад называется входным, а последний — выходным ил

и оконечным. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому усилитель напряжения должен иметь большое входное сопротивление. Кроме того, крайне желательно, чтобы входной каскад имел минимальный коэффициент шума.

Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего является усилителем мощности и призван работать на низкоомную нагрузку. Поэтому требуется, чтобы выходной каскад имел большую допустимую мощность, малое выходное сопротивление, высокий коэффициент полезного действия и малый коэффициент гармоник. Промежуточные каскады необходимы для обеспечения заданного усиления, т.е. основным их параметром является коэффициент усиления ( по напряжению).

Соединение каскадов между собой в многокаскадном усилителе может быть осуществлено различными способами. Один из широко распространенных способов для усилителей переменного тока или напряжения реализуется с помощью разделительных емкостей. Такой усилитель называется усилителем с емкостной связью. Для усилителей постоянного тока используется непосредственная (гальваническая) связь. Отметим, что непосредственная связь между каскадами широко представлена в ИС.

4.2 Основные параметры и характеристики

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления: по напряжению , по току и по мощности . Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы. Максимальные значения коэффициентов усиления могут достигать 10 6 .

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K_u можно записать

Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах (дБ): K_u =20lg(U_вых /U_вх )=20lgK_u.

Аналогично в децибелах можно представить K_i и K_p. Для K_p справедлива следующая запись:

Выражение коэффициентов усиления в децибелах связано с тем, что человеческое ухо реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическим законом слухового восприятия.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) K_г.

, где U₁ ,U₂ ,U₃ — значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. В многокаскадных усилителях общий K_г можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения вносятся выходным (иногда предвыходным) каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис.4.4), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис.4.5) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя: и .

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что D f=f_в -f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот f_н » 20Гц и f_в » 15кГц; в широкополосных усилителях f_в может достигать десятков мегагерц; в частотно-избирательных усилителях f_н » f_в и для высокочастотных вариантов может достигать сотен мегагерц; в усилителях постоянного тока (УПТ) f_н=0, а f_в может составлять несколько десятков мегагерц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной (фазовой) характеристикой (ФЧХ) усилителя. Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др. Важнейшим параметром усилителей мощности является коэффициент полезного действия h :

P_н — где мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; P₀ — мощность, потребляемая усилителем от внешнего источника питания. Величина h всего усилителя определяется главным образом h выходного каскада.

Основные параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от типа активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.

4.3 Расчет основных параметров усилительного каскада

В рабочем (динамическом) режиме, т.е. когда в выходную цепь транзистора включено сопротивление нагрузки, а на вход подается переменный сигнал, характеристики и параметры транзистора нельзя рассматривать вне связи со схемой.

В общем случае сопротивление нагрузки может быть реактивным, смешанным или чисто активным. Рассмотрим случай чисто активной нагрузки.

Характеристики и параметры транзистора, работающего в рабочем (динамическом), режиме называют рабочими или динамическими.

Рабочие или динамические параметры транзистора связывают малые изменения токов и напряжений транзистора в динамическом режиме. Такими параметрами являются входные и выходные сопротивления, величина которых определяет условия согласования транзистора с источником сигнала и с нагрузкой, и коэффициенты усиления тока, напряжения и мощности. Каждый из этих параметров можно определить следующим образом.

Входное сопротивление — сопротивление входной цепи транзистора для переменного входного тока, при R_н =0

Выходное сопротивление — сопротивление выходной цепи транзистора для переменного выходного тока при R_н = 0

Динамический коэффициент усиления по току .

Динамический коэффициент усиления по напряжению .

Динамический коэффициент усиления по мощности

В случае усиления малых синусоидальных сигналов рабочие параметры можно определить как отношение амплитуд токов и напряжений.

Графическая зависимость между протекающими токами и приложенными напряжениями для транзистора, включенного в рабочую схему, определяется динамическими характеристиками. Так же, как и в статическом режиме, можно экспериментально снять или построить входные и выходные динамические характеристики.

Практически для того, чтобы произвести полный расчет динамического режима работы и рабочих параметров транзистора, необходимо иметь два семейства статических характеристик: входные и выходные, на которых должны быть построены входная и выходная динамические характеристики, соответственно. Для построения выходной динамической характеристики на семействе статических выходных характеристик , строится нагрузочная прямая. Т.к. по закону Кирхгофа

где E_к — напряжение источника питания в выходной цепи,

R_н — сопротивление нагрузки, ,

то нагрузочная прямая может быть построена по двум точкам, при условии что известны значения Е_к и R_н :

Точки пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками и определяют ход выходной динамической характеристики. Построение входной динамической характеристики на семействе входных статических характеристик может быть произведено либо с помощью уравнений (при известных E_к и R_н), либо путем переноса из построенной выходной динамической характеристики. В последнем случае, для точек пересечения динамической выходной характеристики со статическими, определяются значения I_вх (для которого снята данная выходная статическая характеристика) и U_вых , полученные значения переносятся на семейство статических входных характеристик. Соединяя полученные точки плавной кривой получают входную динамическую характеристику.

Построение выходной и входной динамических характеристик транзистора, включенного с ОБ, показано на рис.4.6.

Для некоторых транзисторов статические входные характеристики располагаются очень близко друг к другу. В этом случае приближенно считают, что входная динамическая характеристика совпадает со статической снятой при U_к > 0,5 — 5 В.

При выборе динамического режима работы транзистора. работающего в качестве усилителя малых сигналов низкой частоты, следует помнить, что:

1. Изменения переменных токов и напряжений должно происходить только в активной области не заходя в область насыщения и отсечки.

2. Динамический режим работы транзистора ограничен максимально допустимыми значениями:

а)I _{э макс.}-максимально допустимый ток эмиттера, определяемый мощностью эмиттерного перехода,

б)U_{к макс.} — максимально допустимое напряжение коллектора, определяемое напряжением пробоя,

в) P_{к. макс. доп.} — допустимая мощность рассеивания коллекторного перехода.

На рис. 4.7 показана область, за пределы которой не должна выходить рабочая точка при работе транзистора в качестве усилителя.

3. Если ставится условие работы без нелинейных искажений, т.е. условие точного воспроизведения на выходе транзистора формы сигнала, поданного на вход, то изменения переменных токов и напряжений должны происходить на участке выходной динамической характеристики, для которого изменения выходного тока прямо пропорциональны изменениям входного тока. Кроме того, т.к. нелинейные искажения в транзисторах в очень большой степени определяются нелинейностью входной динамической характеристики, необходимо, чтобы изменения переменных токов и напряжений лежали бы на прямолинейном участке входной динамической характеристики.

В соответствии с этими условиями определяются значения сопротивления нагрузки R_н и постоянных напряжений, подаваемых на эмиттерный и коллекторный переходы.

В качестве примера рассмотрим одиночный каскад усилителя на транзисторе (рис.4.8).

В данной схеме используется фиксированное смещение от отдельного источника E_см, с помощью которого задается положение рабочей точки на входной динамической характеристике. Величина R_н составляет, как правило, несколько кОм, что значительно меньше выходного сопротивления, а E_k — порядка 10В.

Предположим, что статические характеристики транзистора показаны на рис.4.9а,б, и что заданы R_н и E_к .

Выходную динамическую характеристику можно построить по двум точкам. Считаем , что входная динамическая характеристика совпадает со статической, снятой при U_к=-5В. Если задано условие получения минимальных нелинейных искажений, то изменения переменных токов и напряжений на динамических характеристиках не должны выходить за пределы участка аб рис.4.9.

Участок динамической характеристики, в пределах которого происходят изменения переменных токов и напряжений, называется рабочим участок.

Если на вход транзистора подается синусоидальный сигнал вида :

то для того, чтобы обеспечить работу на выбранном рабочем участке а б , на вход надо подать переменный сигнал с амплитудой

и постоянную составляющую тока

Тогда легко можно рассчитать:

1. Динамический коэффициент усиления по току

2. Динамический коэффициент усиления по напряжению

3. Динамический коэффициент усиления по напряжению

4. Входное сопротивление переменному току :

5. Выходное сопротивление переменному току .

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

©, Центр телекоммуникационных технологий, авторы, 2002
webmasters: Р.Романов Г.Сидоров e-mail: physics@tspu.tula.ru

Похожие публикации:

1. Как взять звук с монитора
2. Как залудить эмалированный провод
3. Как удалить аккаунт мой мир майл ру
4. Какое установлено предельно допустимое значение отклонения частоты