Электротехника и электроника Комплексный метод расчета цепей Биполярные транзисторы Индикаторные приборы Мультивибраторы Электронные ключи Однофазные выпрямители Расчёты в трёхфазных цепях Микропроцессор

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

Электронные усилители

Транзисторные усилители

Назначением усилителя как электронного устройства является увеличение мощности сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усилители сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилителями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усилители. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

,  (14.1)

где ,  – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Соответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэффициенты усиления напряжения и тока

. (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного  сопротивлений и сопротивлений источника сигнала  и нагрузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения ,  дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью работают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сигнала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при  и .

Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из нескольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточным каскадами.

Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информационные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проходной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармонических составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свойства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспечивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной  обратной связью – операционные усилители.

Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлением  и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питания  и источником смещения .

Резистор  уменьшает коэффициент усиления по току биполярного транзистора и крутизну характеристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивления конечны.

Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиления. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выполняются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями   (рис. 14.2 а, б).

В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц.

В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение цепей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный режим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достигается путем использования реактивных сопротивлений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конденсаторными (RC-связями) и трансформаторными связями.

Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их относительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному режиму усиления мощности вплоть до согласования транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выполняют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот (). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне от  до . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплечего моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзисторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических операций.

14.1.2. Усилители на микросхемах

В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC-связью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилителей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц. Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхемах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденсаторов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обве– дена пунктиром) и схема его включения.


Рис. 14.4

При выведенных отрицательных обратных связях коэффициент усиления напряжения   в зависимости от модификации усилителей составляет 250…800. При входном сопротивлении  = 1,5 кОм и сопротивлении нагрузки  = 5 кОм коэффициент усиления мощности может составлять (2…20)·104. Такое усиление позволяет за счет сильных общих отрицательных обратных связей обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления мощности. При этом наибольшая выходная мощность  может достигать 1 мВт.

Усилитель на рис. 14.4 трехкаскадный, причем третий каскад выполнен на основе включения транзисторов Т3 и Т4 по схеме составного транзистора, поэтому в нем возможны общие отрицательные обратные связи.

В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии осуществляется в основном на переменном токе. Цепи с изменяющимися — переменными — токами по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Переменные токи и напряжения вызывают переменные электрические и магнитные поля. В результате изменения этих полей в цепях возникают явления самоиндукции и взаимной индукции, которые оказывают самое существенное влияние на процессы, протекающие в цепях, усложняя их анализ.
Расчет электротехнических цепей Лабораторные работы и решение задач