“Homo geologicus - человек геологический” (2009);pdf

Лекция 11
Раздел 1. АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Тема 1.2: ТРАНЗИСТОРЫ
План лекции:
1. Общие сведения об усилителях.
2. Классификация усилителей.
3. Основные параметры и характеристики усилителей.
Литература и источники информации:
[1] И.П.Жеребцов „Основы электроники” – 4-е изд., перераб. и доп. Л.:
Энергоатомиздат. Ленинградское отд-е, 1985.-352 с, ил.
[2] Ю.П.Колонтаєвський, А.Г.Сосков „Промислова електроніка та мікросхемотехніка:
теорія і практикум”. За ред. А.Г.Соскова.- К.: Каравела, 2003.- 368 с.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ
ЭЛЕКТРОННЫМ УСИЛИТЕЛЕМ называют устройство, предназначенное для усиления
электрических сигналов (увеличения параметров электрического сигнала - напряжения
U, тока I или мощности P) за счет энергии потребляемой от источника питания
усилителя с помощью усилительных элементов (вакуумных ламп, транзисторов) при
заданном уровне искажений. В усилительных элементах используется явление
электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный
усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок
(функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника,
магнитофона, измерительного прибора и т. д.
Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых
устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с
помощью электрических сигналов. Высокая
чувствительность, быстродействие, компактность,
экономичность электронных усилителей обусловили
их широкое применение в измерительной технике,
электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной
технике и т.п.
Рис.1.
•
•
•
Структурную схему любого усилителя можно
представить в виде двух последовательно
соединенных элементов: линейного (ЛЭ) и
нелинейного (НЭ), включенных в цепь источника
питания Eип (рис.1):
• Усилительные свойства схемы проявляются тем
больше, чем в больших пределах изменяется
сопротивление НЭ.
Усиление сигнала осуществляется за счет энергии источника питания главной
цепи Eип.
Во входной цепи необходимо создать режим начального смещения (рис.2).
Электронный усилитель регулирует поток энергии от источника энергии в
нагрузку, обеспечивая пропорциональное соответствие напряжения (тока,
мощности) на нагрузке Rн напряжению (току, мощности) источника сигнала ег.
КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
Виды усилителей по элементной базе:
• ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — усилитель, усилительными элементами которого служат
электронные лампы.
• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — усилитель, усилительными элементами которого
служат полупроводниковые приборы (транзисторы, стабилистроны).
• ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах,
часть — на полупроводниках.
• КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ.
Рис.2. Усилитель на биполярном транзисторе.
По функциональному назначению
электронные усилители делятся на:
• УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
• УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА:
(1) усилители низкой
(звуковой) частоты УНЧ или
УЗЧ- диапазон усиливаемых
частот от 10Гц до 100кГц;
(2) усилители высокой (радио-)
частоты УВЧ или УРЧдиапазон усиливаемых
частот от 100кГц до
100МГц;
(3) импульсные усилители ИУ –
широкополосные импульсные
и видеоусилители,
усилитель, предназначенны
для усиления импульсов
тока или напряжения с
минимальными искажениями
их формы. Частотный
диапазон усиливаемых
частот от 1кГц до 100кГц;
Виды усилителей по полосе частот:
• Широкополосный (апериодический) усилитель
Рис.3. Виды усилителей: (а) ламповый,
— усилитель, дающий одинаковое усиление в
(б) на биполярном транзисторе,
широком диапазоне частот.
(в) на полевом транзисторе.
• Полосовой усилитель — усилитель, работающий
при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково
усиливающий сигнал в заданной полосе частот.
• Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален
в узком диапазоне частот и минимален за его пределами
Виды усилителей по типу нагрузки:
• с резистивной,
• с емкостной,
• с индуктивной,
• с резонансной.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ (по напряжению, току или мощности):
Кu = Uвых/Uвх
Кi = Iвых/Iвх
Кp = Pвых/Pвх
Если коэффициент усиления недостаточен, применяются МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ. В
многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению
коэффициентов усиления каждого каскада (рис.4).
Рис.4.
ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Задача передачи максимальной энергии от источника
сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется
СОГЛАСОВАНИЕМ (рис.5). Для оптимального согласования входное сопротивление
усилителя должно быть как можно больше, т.е. значительно больше внутреннего
сопротивления источника сигнала, а выходное
сопротивление значительно меньше сопротивления
нагрузки. Вопросы согласования возникают и в
МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ. Если два усилительных
каскада не согласованы между собой по входному и
выходному сопротивлению, то между ними ставится
ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ, имеющий очень большое входное
и малое выходное сопротивление.
Рис.5.
ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ и КПД усилителя. Выходная мощность может быть определена по
формуле:
Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, т. к. при большом
выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счёт нелинейности
характеристик усилительных элементов. Поэтому вносится понятие НОМИНАЛЬНОЙ ВЫХОДНОЙ
МОЩНОСТИ - это наибольшая выходная мощность, при которой сигнал не искажается.
КПД усилителя можно определить по следующей формуле:
УРОВЕНЬ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ состоит из следующих составляющих:
• Тепловые шумы при нагревании сопротивлений, емкостей.
• Шумы усилительных элементов.
• Шум за счет пульсаций источника питания.
ДИАПАЗОН УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ (ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ) - это полоса частот, в
которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной
величины.
ИСКАЖЕНИЯ УСИЛИТЕЛЯ возникают за счет нелинейности характеристик транзисторов.
Искажения происходят за счет появления в спектре сигнала высших гармонических
составляющих, и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициент
гармоник).
ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА – это зависимость амплитуды
выходного сигнала от амплитуды входного сигнала (рис.6):
Uвых = f (Uвх).
ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН:
АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
(АЧХ)
представляет
собой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты
при постоянной амплитуде входного сигнала.
Uвх = f (F) при Uвх = сonst.
Рис.6.
Часто АЧХ представляют в виде зависимости Кn=f(F) при Uвх =сonst (рис.7).
Зависимость коэффициента усиления от частоты характеризуется КОЭФФИЦИЕНТОМ
ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ. Коэффициент частотных искажений для низких частот определяется
соотношением:
Коэффициент частотных искажений для высоких частот определяется соотношением:
ФАЗОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА – это зависимость разности фаз между входными и выходными
сигналами от частоты: φ = f (F).
Рис.7.