Нулева ос unch с tnd каскада. Предварителна оценка на усилването на ламповия усилвател

ИЗСЛЕДВАНЕ НА РЕЗИСТОРИ

УСИЛВАТЕЛ КАСКАДЕН

ОСНОВНИ УСЛОВИЯ И СЪКРАЩЕНИЯ

AFC - амплитудно-честотна характеристика;

PH - преходна реакция;

MF - средни честоти;

LF - ниски честоти;

HF - високи честоти;

K е коефициентът на усилване на усилвателя;

Uc е напрежението на сигнала с честота w;

Cp - изолационен кондензатор;

R1,R2 - съпротивление на делителя;

Rк - съпротивление на колектора;

Re - съпротивление в емитерната верига;

Ce - кондензатор в емитерната верига;

Rн - съпротивление на натоварване;

CH - товароносимост;

S - наклон на транспроводника;

Lk - коригираща индуктивност;

Rf, Sf - елементи на нискочестотна корекция.

1. ЦЕЛ НА РАБОТАТА.

Целта на тази работа е:

1) изследване на работата на резисторна каскада в областта на ниски, средни и високи честоти.

2) изследване на схеми за нискочестотна и високочестотна корекция на честотната характеристика на усилвателя;

2. ДОМАШНА РАБОТА.

2.1. Проучете веригата на етапа на резисторния усилвател, разберете предназначението на всички елементи на усилвателя и тяхното влияние върху параметрите на усилвателя (подраздел 3.1).

2.2. Проучете принципа на работа и схемите на нискочестотната и високочестотната корекция на честотната характеристика на усилвателя (подраздел 3.2).

2.3. Разберете предназначението на всички елементи на предния панел на лабораторното оформление (раздел 4).

2.4. Намерете отговори на всички въпроси за сигурността (раздел 6).

3. РЕЗИСТОРНА КАСКАДА НА БИПОЛЯРЕН ТРАНЗИСТОР

Резисторните усилвателни каскади се използват широко в различни области на радиотехниката. Идеалният усилвател има равномерна честотна характеристика в цялата честотна лента; истинският усилвател винаги има изкривяване в честотната характеристика, предимно намаляване на усилването при ниски и високи честоти, както е показано на фиг. 3.1.

Схемата на AC резисторен усилвател, базиран на биполярен транзистор съгласно обща емитерна верига, е показана на фиг. 3.2, където Rc е вътрешното съпротивление на източника на сигнал Uc; R1 и R2 - разделителни съпротивления, които задават работната точка на транзистора VT1; Re е съпротивлението в емитерната верига, което се шунтира от кондензатора Se; Rк - съпротивление на колектора; Rн - съпротивление на натоварване; Cp - разединителни кондензатори, които осигуряват DC разделяне на транзистора VT1 от сигналната верига и веригата на натоварване.

Температурната стабилност на работната точка се увеличава с увеличаване на Re (поради увеличаване на дълбочината на отрицателната обратна връзка в DC каскадата), стабилността на работната точка също се увеличава с намаляване на R1, R2 (поради увеличаване на тока на разделителя и повишаване на температурната стабилизация на базовия потенциал VT1). Възможно намаляване на R1, R2 е ограничено от допустимото намаление на входното съпротивление на усилвателя, а възможното увеличение на Re е ограничено от максимално допустимия спад на постояннотоковото напрежение в съпротивлението на емитера.

3.1. Анализ на работата на резисторен усилвател в ниските, средните и високите честоти.

Еквивалентната схема е получена, като се вземе предвид фактът, че при променлив ток силовата шина („-E p“) и общата точка („земя“) са съединени накъсо, а също и като се вземе предвид предположението за 1/wCe<< Rэ, когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.

Поведението на усилвателя е различно в областта на ниските, средните и високите честоти (виж фиг. 3.1). При средни честоти (MF), където съпротивлението на свързващия кондензатор Cp е незначително (1/wCp<< Rн), а влиянием емкости Со можно пренебречь, так как 1/wCо >> Rк, еквивалентната схема на усилвателя се преобразува във схемата на фиг. 3.4.

От диаграмата на фиг. 3.4 следва, че при средни честоти усилването на каскадата Ko не зависи от честотата w:

Ko = - S/(Yi + Yk + Yn),

откъдето с отчитане на 1/Yi > Rн > Rк получаваме приблизителната формула

Следователно, в усилватели с високоомно натоварване, номиналното усилване Ko е право пропорционално на стойността на съпротивлението на колектора Rk.

В областта на ниските честоти (LF) малкият капацитет Co също може да бъде пренебрегнат, но е необходимо да се вземе предвид съпротивлението на разделителния кондензатор Cp, което се увеличава с намаляване на w. Това ни позволява да получим от фиг. 3.3 е еквивалентна схема на нискочестотен усилвател под формата на фиг. 3.5, от която се вижда, че кондензаторът Cp и съпротивлението Rн образуват делител на напрежение, взет от колектора на транзистора VT1.

Колкото по-ниска е честотата на сигнала w, толкова по-голям е капацитетът Cp (1/wCp) и по-малката част от напрежението достига изхода, което води до намаляване на печалбата. По този начин Cp определя поведението на честотната характеристика на усилвателя в областта на ниските честоти и практически няма ефект върху честотната характеристика на усилвателя в средните и високите честоти. Колкото по-голям е Cp, толкова по-малко изкривяване на честотната характеристика в нискочестотната област и при усилване на импулсни сигнали, толкова по-малко изкривяване на импулса в областта на дълги времена (спад на плоската част на върха на импулса) , както е показано на фиг. 3.6.

Във високочестотната (HF) област, както и в средния диапазон, съпротивлението на разделителния кондензатор Cp е незначително, докато наличието на капацитет Co ще определи честотната характеристика на усилвателя. Еквивалентната схема на усилвателя в HF областта е представена на диаграмата на фиг. 3.7, от която може да се види, че капацитетът Co шунтира изходното напрежение Uout, следователно, когато w се увеличава, усилването на каскадата ще намалее. Допълнителна причина за намаляване на RF усилването е намаляването на транспроводимостта на транзистора S съгласно закона:

S(w) = S/(1 + jwt),

където t е времеконстантата на транзистора.

Маневреният ефект на Co ще има по-малък ефект с намаляване на съпротивлението Rк. Следователно, за да се увеличи горната гранична честота на усилената честотна лента, е необходимо да се намали съпротивлението на колектора Rк, но това неизбежно води до пропорционално намаляване на номиналното усилване.

Една от възможностите за значително подобряване на качеството на възпроизвеждане на музикални файлове е методът за разделяне на сигнала на честотни компоненти (LF, MF, HF) в предварителни нискомощни стъпала и допълнителното им усилване с подходящи теснолентови усилватели и динамични системи. . Тази опция позволява, например, да се отървете от необходимостта от използване на пасивни RLC филтри в акустичните системи, които въвеждат неизбежно затихване и изкривяване в сигнала още при изхода му от пътя на усилване. Освен това тази опция дава възможност за използване на отделни акустични системи за ниски честоти () и малки средночестотни и високочестотни излъчватели, които изискват много по-малко енергия. Изискванията към характеристиките на самите усилватели на мощност също не са еднакви за НЧ, СЧ и ВЧ сигнали, а предложената опция позволява използването на такива усилватели по оптимален начин. Тази статия ще даде пример за изграждане на система за разделно, двупосочно възпроизвеждане на средна мощност. По време на производството му беше поставена задачата да се използват най-ефективно наличните от съветско време малогабаритни широколентови акустични системи „Радиотехника С-30” и високоговорителите „PHILIPS FB-20PH”. Разбира се, с предложения усилвател е възможно да се използват всякакви други подобни по мощност и характеристики системи.

Както знаят всички, които някога са се сблъсквали с високоговорители S-30, качеството на възпроизвеждане на звука на тези високоговорители беше много посредствено, особено в средния диапазон (средно високи честоти) поради използването на динамични драйвери с не много високи параметри. Но използването на тези високоговорители като „субуфери“ за обикновени жилищни помещения е напълно възможно. В същото време съществуващите високоговорители от мини-комплекса PHILIPS с номинална мощност от 20 W възпроизвеждат средно високочестотните компоненти на сигнала доста ефективно, но имат забележимо преобръщане при честоти под 90 Hz. Ето защо възникна тази опция за използване на тази акустика с максимална възвръщаемост.

Едно от важните предимства на тази опция, както беше споменато по-горе, е, че усилвателят на мощността за всяка честотна лента е отделен и може да бъде оптимално избран по мощност и характеристики. Въз основа на номиналните мощности на използваната акустика беше решено да се използват специализирани микросхеми на усилвател на мощност като UMZCH (разбира се, можете да използвате MS от друга серия в подходящата връзка или, например, транзисторни вериги). Такива микросхеми с мощност до 45 W на канал (обикновено съдържащи 2 или 4 канала) се използват широко в радиооборудване с малък размер, например в автомобилни радиостанции.

Предварителни степени с филтри

Тъй като микросхемите на усилвателя на мощност от серията TDA, използвани в този усилвател, имат еднополярно захранване (+8...18 V), етапите на предусилвателя са избрани с еднополярно захранване. В същото време задачата беше да се използват схеми с минимален брой каскади и активни елементи в тях, за да се намалят изкривяванията, въведени от тези каскади в оригиналния сигнал. Като входен етап с филтър, който изолира нискочестотния компонент на сигнала, е използвана схемата на фиг. 1, публикувана по едно време в един от броевете на списание Modelist-Konstruktor, но със замяната на транзисторите с съвременни аналози и промяна на граничната честота на филтъра към горната акустика.

Тук транзисторът T1 работи като фазов превключвател; напрежението в противофаза се появява през резисторите R3 и R4. Директният сигнал се отстранява от емитера и се подава към следващия етап на транзистора Т2. Той пропуска средно- и високочестотните компоненти на сигнала и забавя ниските честоти, които преминават към нискочестотния изход през каскадата на T3. Граничната честота се избира чрез избор на кондензатори C3 и C4, в този случай е около 150 Hz. Граничната честота може да бъде изместена към по-високи честоти чрез намаляване на тези капацитети. Например, в оригиналната схема, с капацитети C3 = C4 = 330 pF, граничната честота е определена като 3 kHz. За съжаление, не успях да намеря оригиналната схема с подробно описание и изчисления, така че граничната честота и тези капацитети бяха избрани в готовата схема експериментално въз основа на най-доброто съотношение на звука на нискочестотните и средно-високочестотните високоговорители . Наклонът на прекъсване на филтъра е около 12 dB на октава. MF + HF сигналът от изхода на този филтър се подава директно към средно-високочестотния усилвател на мощност, а нискочестотният сигнал се подава към друг филтър - инфра-ниски честоти (sabsonic), който прекъсва честотите под 30 Hz (фиг. 2).

Това ни позволява да се отървем от съответните вибрации с много ниски честоти, които практически не се възпроизвеждат от използваните високоговорители, но въпреки това причиняват ненужни вибрации на техните дифузори с голяма амплитуда, което води до големи претоварвания и изкривяване на сигнала. Честотата на срязване на филтъра се задава от елементите C2, C3, C4, R4, R5, а режимът на работа на транзистора T1 чрез избор на стойността на резистора R3 (колекторът на този транзистор трябва да бъде настроен на приблизително половината от каскадното захранващо напрежение, т.е. 4,5 V). На изхода на филтъра е включен променлив резистор (може да бъде от 10 до 100 kOhm, това зависи от входното съпротивление на усилвателя на мощността, свързан зад него). С негова помощ можете да регулирате нивото на усилване на ниските честоти спрямо средните и високите честоти, за да изравните общата честотна характеристика на цялата система. Шунтиращият кондензатор C5 след променливия резистор е необходим за допълнително прекъсване на честоти над 1000 Hz, за да се премахнат възможни радиочестотни шумове и смущения, а разделителният кондензатор C6 μF може да бъде пропуснат, ако такъв кондензатор вече се използва на входа на усилвател на мощност. За да намалят собствения си шум, веригите са избрани без използването на оксидни електролитни кондензатори в сигналните вериги (с изключение на входния кондензатор C1 на първия филтър, но той също може да бъде заменен, ако желаете, с обикновен, например филмова). Транзисторите и в двата филтъра могат да се използват във всяка структура n-p-n с ниска мощност, но за предпочитане с високо усилване и ниско ниво на шум (2PC1815L, BC549C, BC550C, BC849C (smd), BC850C (smd), BC109C, BC179C и др.)

Крайни усилватели на мощност

За да се опрости схемата и да се намали размерът на готовото устройство, като крайни усилватели бяха използвани микросхеми от серия TDA, които се използват широко в аудио оборудване с малък размер, например в автомобилни радиостанции. Тези микросхеми като правило имат доста приемливи характеристики за домакинско оборудване с доста високо качество. Освен това имат вградени вериги за защита срещу претоварване, прегряване и късо съединение в товара. Характеристиките на мощността се определят единствено от мощностите на наличните високоговорителни системи. По този начин, за MF-HF обхвата, TDA1558Q MS беше използван в мостова връзка. Тази MS може да бъде свързана с помощта на 4-канална 11 W верига или мостова схема 2x22 W). За високоговорители с мощност 20 вата е използвана следната мостова схема (фиг. 3)

Схемата е изключително проста и очевидно не изисква отделно описание. Неизползваните MS щифтове - 4,9,15 - трябва да се оставят свободни. Ако няма да се използва отделен превключвател MUTE / ST-BY, щифт 14 MC трябва да бъде свързан директно към положителния захранващ проводник. Препоръчително е да поставите електролитен кондензатор с голям капацитет (2200 mF) възможно най-близо до клемите на MS. Не само качеството на изглаждане на захранващото напрежение, но и капацитетът на претоварване на усилвателя зависи от неговия капацитет. Кондензатор от 0,1 mF е поставен в захранващата верига, за да филтрира възможните високочестотни компоненти. Работното напрежение на всички елементи не трябва да бъде по-ниско от захранващото напрежение (+U).

За нискочестотната лента е използвана една от оригиналните TDA7575 MSs. Тези микросхеми са наистина „оригинални“ и се намират, като правило, в устройства от по-висок клас и мощност. Намирането на такъв не е много лесно, както и схемата му за свързване. Разбира се, тук могат да се използват много други MS с подобни характеристики (2 или 4 канала по 45 W всеки), чиито таблици с данни лесно могат да бъдат намерени в Интернет. Тази микросхема ще бъде описана тук малко по-подробно за тези, които искат да я използват (фиг. 4).

Основни характеристики: мощност - 2x45 W или 1x75 W (за товар 1 Om), линейна честотна характеристика 20...20 000 Hz, Rin = 100 kOhm.

Отрицателните входни щифтове 9 и 19 в моята версия на връзка са свързани към земята (общ проводник), нискочестотният сигнал се подава към щифтове 8 и 20 (съответно ляв и десен канал). Ако тук са инсталирани входни кондензатори от 0,33 μF, кондензатор C6 на изхода на филтъра съгласно схемата на фиг. 2, разбира се, не е необходимо да се инсталира. Както можете да видите, MS съдържа различни входове и изходи за допълнително управление, които в нашия случай не се използват и могат да бъдат оставени свободни (пинове 3,13,14,16,17,18 и 25). За да включите MS в работен режим, към контактите ST-BY и MUTE трябва да се подаде захранващо напрежение +U. Микросхемата ви позволява да свържете акустика със съпротивление от 1 Ohm и след това може да извежда мощност до 75 W, но с мостова връзка и съответно в едноканален режим. В този случай трябва да се спазват следните условия:

• паралелизиране на изходите (OUT1+ свържете към OUT2+; OUT1- свържете към OUT2-);
• минимизирайте съпротивлението на изходния контур, т.е. направете проводниците от MC изхода към високоговорителя възможно най-дебели и къси, като за това самият усилвател трябва да се намира до високоговорителя. Съпротивлението на изходния контур има много значителен ефект върху хармоничното изкривяване;
• Подайте входния сигнал на вход IN2 (IN1 - оставете свободен или заземен);
• приложете U=2.5V към щифта “1 Om SETTING” (за двуканален 45 W вариант, както в нашия случай, този изход трябва да бъде оставен свободен или свързан към общ проводник). Аз самият не съм опитвал да използвам схема с такава връзка за високоговорител 1 Ohm, тъй като нямам високоговорители със съпротивление 1 Ohm, така че предоставям тук като справка данните за тази опция, които можах да намеря в достъпни за мен източници.

Захранване

За захранване на усилвателя като цяло са използвани два трансформатора с мощност 60-70 W, по един за LF и MF-HF каналите. Един трансформатор с достатъчна мощност (120 W или повече) просто не се „побира“ в малкия корпус по височина. Има и два стабилизатора съответно. Захранването на използваните тук MCs варира от 8 до 18 волта, така че трансформаторът може да бъде избран с подходящо напрежение на вторичната намотка и изходен ток от най-малко 3 ампера без значително „усвояване“. След трансформатора се монтират конвенционални пълновълнови мостови токоизправители с диоди с необходимата мощност или диоден модул (например KBU810 за 8 A). След това изправеното напрежение се стабилизира във веригата на "мощен" стабилизатор на MS тип KREN8 или подобен с допълнителен управляващ транзистор (фиг. 5)

Изходното напрежение на стабилизатора може да бъде в диапазона 12 - 17 волта за постигане на максимална възможна мощност с минимално изкривяване. В този случай се използва микросхема KIA7812 със стабилизиращо напрежение от 12 волта и за повишаване на изходното напрежение до 15-16 волта е инсталиран допълнителен 3-4 волтов ценеров диод (KS133, KS 139) между средния терминал и общия проводник. Не трябва да повишавате захранващото напрежение до 18 волта, въпреки че такова ограничение е посочено в спецификациите на TDA MS, тъй като на практика в момента на включване вътрешната защитна система на тези микросхеми може да се задейства поради „претоварване ”. Можете да захранвате усилватели с нестабилизирано напрежение, но това ще увеличи тяхното нагряване по време на работа и ще намали тяхната претоварваща способност.

Каскадите за предварително усилване - филтри - могат да се захранват от едни и същи стабилизатори, но е по-добре в крайна сметка да се направи един общ стабилизатор за тях на 9...12 волта, за да се изолират от смущения и възможно взаимно влияние на лентовите канали.

Всички микросхеми (усилватели и стабилизатори на мощност), както и допълнителни мощни транзистори (KT818 или подобни внесени) на захранването трябва да бъдат монтирани на радиатори с достатъчна площ. В моя случай всички тези елементи са разположени на един общ радиатор, състоящ се от две успоредно монтирани алуминиеви плочи с дебелина 3 mm и размери 70x200 mm. По правило повечето TDA и подобни микросхеми имат минус на захранването на корпуса и съответно могат да бъдат прикрепени към един радиатор без изолационни дистанционни елементи. Транзисторите и стабилизаторните чипове трябва да бъдат изолирани. Печатни платки в архив.

Заключение

Използването на усилвател според представените тук схеми направи възможно значително подобряване на качеството на възпроизвеждане на фонограми, дори при използване на акустика със средно ниво и качество. В същото време високоговорителите на PHILIPS не бяха модифицирани по никакъв начин, а в S-30 всички вътрешни пасивни филтри и средновисокочестотната глава 6GDV-1 бяха изключени и нискочестотният сигнал се подава директно към високоговорителя (25GDN-1-4). Регулирането на нивото на нискочестотния компонент ви позволява да балансирате общата честотна характеристика на цялата система в зависимост от размера на помещението и разстоянието на слушателя до акустиката. Специално за сайта - А. Баришев.

Обсъдете статията СХЕМА НА ДОМАШЕН ДВУЛЕН ГОВОРИТЕЛ С ULF

Нискочестотните усилватели са предназначени главно да осигурят дадена мощност на изходното устройство, което може да бъде високоговорител, записваща глава на магнетофон, намотка на реле, намотка на измервателен уред и др. Източниците на входен сигнал са звукоприемник, фотоклетка и различни преобразуватели на неелектрически величини в електрически. По правило входният сигнал е много малък, стойността му е недостатъчна за нормална работа на усилвателя. В тази връзка пред усилвателя на мощността се включват едно или повече предусилвателни стъпала, изпълняващи функциите на усилватели на напрежение.

В предварителните етапи на ULF резисторите най-често се използват като товар; те се сглобяват с помощта на лампи и транзистори.

Усилвателите, базирани на биполярни транзистори, обикновено се сглобяват с помощта на обща емитерна верига. Нека разгледаме работата на такава каскада (фиг. 26). Синусоидално напрежение ти вътрезахранван към секцията база-емитер чрез изолационен кондензатор C p1, което създава пулсации на базовия ток спрямо постоянния компонент I b0. Значение I b0определя се от напрежението на източника E kи съпротивление на резистора R b. Промяната в базовия ток предизвиква съответна промяна в колекторния ток, преминаващ през съпротивлението на товара R n. Променливият компонент на колекторния ток създава съпротивление на товара Rkамплитудно-усилен спад на напрежението ти навън.

Изчисляването на такава каскада може да се направи графично, като се използват показаните на фиг. 27 входни и изходни характеристики на транзистор, свързан по схема с ОЕ. Ако устойчивостта на натоварване R nи напрежение на източника E kса дадени, тогава позицията на товарната линия се определя от точките СЪСИ д. В същото време точката ддадено по стойност E k, и точка СЪС- токов удар аз да =E k/R n. Товарна линия CDпресича семейството на изходните характеристики. Избираме работната зона на товарната линия, така че изкривяването на сигнала по време на усилването да е минимално. За това пресечните точки на линията CDс изходни характеристики трябва да бъде в правите участъци на последния. Сайтът отговаря на това изискване ABтоварни линии.

Работната точка за синусоидален входен сигнал е в средата на тази секция - точка ОТНОСНО. Проекцията на сегмента AO върху ординатната ос определя амплитудата на колекторния ток, а проекцията на същия сегмент върху абсцисната ос определя амплитудата на променливата компонента на колекторното напрежение. Работна точка Оопределя колекторния ток I k0и колекторно напрежение U ke0съответстващ на режима на почивка.

Освен това точка Оопределя базовия ток на покой I b0, и следователно позицията на работната точка О"върху входната характеристика (фиг. 27, а, б). До точки АИ INизходните характеристики съответстват на точки а"И В"на входната характеристика. Проекция на отсечка А "О"оста x определя амплитудата на входния сигнал U в t, при което ще се осигури режим на минимално изкривяване.

Строго погледнато, U в t, трябва да се определя от семейството на входните характеристики. Но тъй като входните характеристики при различни стойности на напрежението U ke, се различават леко, на практика те използват входната характеристика, съответстваща на средната стойност U ke=U ke 0.

Усилвател на електрически сигнал - е електронно устройство, предназначено да увеличи мощността, напрежението или тока на сигнал, приложен към неговия вход, без значително да изкривява формата на вълната. Електрическите сигнали могат да бъдат хармонични колебания на емф, ток или мощност, сигнали с правоъгълна, триъгълна или друга форма. Честотата и формата на вълната са важни фактори при определяне на типа на усилвателя. Тъй като мощността на сигнала на изхода на усилвателя е по-голяма от тази на входа, тогава според закона за запазване на енергията усилвателно устройствотрябва да включва източник на захранване. По този начин енергията за работа на усилвателя и товара се доставя от източника на захранване. Тогава обобщената блокова схема на усилвателното устройство може да бъде изобразена, както е показано на фиг. 1.

Фигура 1. Обобщена блокова схема на усилвателя.

Електрическите вибрации идват от източника на сигнала към входа на усилвателя , към изхода на който е свързан товар, Енергията за работа на усилвателя и товара се подава от източника на захранване. Усилвателят се захранва от източника на захранване Ро - необходими за усилване на входния сигнал. Източникът на сигнал осигурява захранване на входа на усилвателя R в изходяща мощност P вън разпределени към активната част от товара. В усилвателя на мощността е валидно следното неравенство: R в < P вън< Ро . Следователно, усилвател- управлява се от въвеждане конверторенергията на източника на захранване в енергията на изходния сигнал. Преобразуването на енергия се извършва с помощта на усилващи елементи (AE): биполярни транзистори, транзистори с полеви ефекти, електронни тръби, интегрални схеми (IC). варикапи и други.

Най-простият усилвател съдържа един усилващ елемент. В повечето случаи един елемент не е достатъчен и в усилвателя се използват няколко активни елемента, които са свързани поетапно: трептенията, усилени от първия елемент, се подават към входа на втория, след това на третия и т.н. на усилвателя, който съставлява едно усилващо стъпало, се наричакаскада. Усилвателят се състои отактивни и пасивниелементи: к активни елементивключва транзистори, ел. микросхеми и други нелинейни елементи, които имат свойството да променят електрическата проводимост между изходните електроди под въздействието на управляващ сигнал на входните електроди.Пасивни елементиченгетаса резистори, кондензатори, индуктори и други елементи, които формират необходимия диапазон на трептене, фазови отмествания и други параметри на усилване.Така всяко усилвателно стъпало се състои от минимално необходимия набор от активни и пасивни елементи.

Блоковата схема на типичен многостъпален усилвател е показана на фиг. 2.

Фигура 2. Схема на многостъпален усилвател.

Входен етап И предусилвателса предназначени да усилват сигнала до стойността, необходима за подаването му към входа на усилвател на мощност (изходен етап). Броят на етапите на предварително усилване се определя от необходимото усилване. Входното стъпало осигурява, ако е необходимо, съгласуване с източника на сигнала, параметрите на шума на усилвателя и необходимите настройки.

Изходен етап (степен на усилване на мощността) е проектиран да доставя дадена мощност на сигнала към товара с минимално изкривяване на формата му и максимална ефективност.

Източници на усилени сигнали може да има микрофони, четящи глави на магнитни и лазерни устройства за съхранение на информация, различни преобразуватели на неелектрически параметри в електрически.

Заредете са високоговорители, електрически двигатели, предупредителни светлини, нагреватели и др. Захранващи устройствагенерират енергия със зададени параметри - номинални стойности на напрежения, токове и мощност. Енергията се изразходва в колекторните и базовите вериги на транзисторите, във веригите с нажежаема жичка и анодните вериги на лампите; използвани за поддържане на зададените режими на работа на елементите на усилвателя и натоварването. Често енергията на захранващите устройства е необходима и за работата на преобразувателите на входния сигнал.

Класификация на усилвателните устройства.

Усилващите устройства се класифицират според различни критерии.

от ум усилено електрическо сигнали усилвателите са разделени на усилватели хармоничен (непрекъснати) сигнали и усилватели пулс сигнали.

Въз основа на честотната лента и абсолютните стойности на усилените честоти, усилвателите се разделят на следните типове:

- DC усилватели (UPT)са предназначени да усилват сигнали, вариращи от най-ниската честота = 0 до горната работна честота. UPT усилва както променливите компоненти на сигнала, така и неговия постоянен компонент. UPTs се използват широко в автоматизацията и компютърните устройства.

- Усилватели на напрежението, от своя страна те се делят на усилватели с ниска, висока и свръхвисока честота.

ширина честотна лента разграничават се усилени честоти:

- изборен усилватели (високочестотни усилватели - UHF), за които е валидно отношението на честотите /1 ;

- широколентов достъп усилватели с голям честотен диапазон, за които съотнош />>1 (например ULF - нискочестотен усилвател).

- Усилватели на мощност - ULF крайно стъпало с трансформаторна изолация. За осигуряване на максимална мощност R вътр. Да се= Rn,тези. съпротивлението на натоварване трябва да бъде равно на вътрешното съпротивление на колекторната верига на ключовия елемент (транзистор).

от дизайн усилвателите могат да бъдат разделени на две големи групи: усилватели, направени с помощта на дискретна технология, тоест чрез повърхностен монтаж или монтаж на печатни платки, и усилватели, направени с помощта на интегрирана технология. В момента аналоговите интегрални схеми (ИС) се използват широко като активни елементи.

Показатели за работа на усилвателя.

Показателите за ефективност на усилвателите включват входни и изходни данни, усилване, честотен диапазон, коефициент на изкривяване, ефективност и други параметри, които характеризират неговото качество и експлоатационни свойства.

ДА СЕ входни данни се отнасят до номиналната стойност на входния сигнал (напрежение Uвход= U 1 , текущ азвход= аз 1 или мощност Пвход= П 1 ), входно съпротивление, входен капацитет или индуктивност; те определят пригодността на усилвателя за конкретни практически приложения. Вход отсъпротиваРвходв сравнение с импеданса на източника на сигнал РИпредопределя вида на усилвателя; В зависимост от съотношението им се разграничават усилватели на напрежение (с Рвход >> РИ), усилватели на ток (с Рвход << РИ) или усилватели на мощност (ако Рвход = РИ). Вход ядекостенS вход, като реактивен компонент на съпротивлението, има значително влияние върху ширината на работния честотен диапазон.

Изход - това са номиналните стойности на изходното напрежение U изход = U 2, текущ аз излизам = аз 2, изходяща мощност P изход = P 2и изходно съпротивление. Изходният импеданс трябва да бъде значително по-малък от импеданса на товара. Както входното, така и изходното съпротивление могат да бъдат активни или да имат реактивен компонент (индуктивен или капацитивен). Като цяло всеки от тях е равен на импеданса Z, съдържащ както активни, така и реактивни компоненти

Печалба се нарича отношението на изходния параметър към входния параметър. Печалбите на напрежението са диференцираниK u= U 2/ U 1 , по ток K i= аз 2/ аз 1 и мощност Kp= P2/ П 1 .

Характеристики на усилвателя.

Характеристиките на усилвателя отразяват способността му да усилва сигнали с различни честоти и форми с определена степен на точност. Най-важните характеристики включват амплитуда, амплитуда-честота, фаза-честота и преход.

Ориз. 3. Амплитудна характеристика.

Амплитуда характеристиката е зависимостта на амплитудата на изходното напрежение от амплитудата на хармонично трептене с определена честота, подадено на входа (фиг. 3.). Входният сигнал се променя от минимална към максимална стойност, като нивото на минималната стойност трябва да надвишава нивото на вътрешния шум UП създадени от самия усилвател. В идеален усилвател (усилвател без смущения) амплитудата на изходния сигнал е пропорционална на амплитудата на входа U out= К*Uвход а амплитудната характеристика има формата на права линия, минаваща през началото. В реалните усилватели не е възможно да се отървете от смущенията, така че неговата амплитудна характеристика се различава от правата линия.

Ориз. 4. Амплитудно-честотна характеристика.

Амплитуда-И фаза-честота характеристиките отразяват зависимостта на усилването от честотата. Поради наличието на реактивни елементи в усилвателя, сигналите с различни честоти се усилват неравномерно и изходните сигнали се изместват спрямо входните сигнали под различни ъгли. Амплитудно-честотна Характеристиката под формата на зависимост е представена на фигура 4.

Работен честотен диапазон усилвател се нарича честотният интервал, в рамките на който модулът на коеф К остава постоянна или варира в предварително определени граници.

Фаза-честота характеристика е честотната зависимост на ъгъла на фазово изместване на изходния сигнал спрямо фазата на входния сигнал.

Обратна връзка в усилвателите.

Обратна връзка (ОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА) наричаме връзката между електрическите вериги, чрез които сигналната енергия се прехвърля от верига с по-високо ниво на сигнала към верига с по-ниско ниво на сигнала: например от изходната верига на усилвател към входната верига или от следващите етапи към предишния нечий. Блоковата схема на усилвателя с обратна връзка е показана на фигура 5.

Ориз. 5. Структурна (вляво) и електрическа схема с отрицателна обратна връзка по ток (вдясно).

Предаването на сигнал от изхода към входа на усилвателя се осъществява чрез мрежа с четири порта IN.Четиритерминалната мрежа за обратна връзка е външна електрическа верига, състояща се от пасивни или активни, линейни или нелинейни елементи. Ако обратната връзка обхваща целия усилвател, тогава се извиква обратната връзка общ:ако обратната връзка обхваща отделни стъпала или части от усилвателя, се нарича местен.Така фигурата показва блокова схема на усилвател с обща обратна връзка.

Модел на усилвателното стъпало.

Усилвател нална каскада - структурна единица на усилвателя - съдържа един или повече активни (усилващи) елементи и набор от пасивни елементи. На практика, за по-голяма яснота, сложните процеси се изучават с помощта на прости модели.

Една от опциите за транзисторна каскада за усилване на променлив ток е показана на фигурата вляво. Транзистор V1 п-п-птип, свързан в съответствие с обща емитерна верига. Входното напрежение база-емитер се създава от източник с ЕМП E c и вътрешно съпротивление Rc източник. В основната верига са монтирани резистори Р 1 И Р 2 . Колекторът на транзистора е свързан към отрицателния извод на източника E до чрез резистори РДа сеИ Р f. Изходният сигнал се взема от клемите на колектора и емитера и през кондензатора C 2 влиза в товара Рн. Кондензатор Sf заедно с резистор Rf форми RС -филтърна връзка ( положителна обратна връзка - ПОЗ), което е необходимо по-специално за изглаждане на вълните на захранващото напрежение (с източник с ниска мощност E дос високо вътрешно съпротивление). Също така, за по-голяма стабилност на устройството, към емитерната верига се добавя транзистор V1 (отрицателна обратна връзка - OOC) могат да бъдат допълнително активирани R.C. - филтър, който ще предотврати част от изходния сигнал да бъде прехвърлен обратно към входа на усилвателя. По този начин може да се избегне ефекта на самовъзбуждане на устройството. Обикновено изкуствено създадени външна защита на околната среда ви позволява да постигнете добри параметри на усилвателя, но това обикновено е вярно само за усилване на постоянен ток или ниски честоти.

Нискочестотна усилвателна схема, базирана на биполярен транзистор.

Усилвателно стъпало, базирано на биполярен транзистор, свързан във верига с OE, е един от най-разпространените асиметрични усилватели. Схематична диаграма на такава каскада, направена върху отделни елементи, е показана на фигурата по-долу.

В тази верига резисторът Rк , включен в основната верига на транзистора, служи за ограничаване на колекторния ток, както и за осигуряване на необходимото усилване. Използване на делител на напрежение R1R2 задава първоначалното преднапрежение в основата на транзистора VT, необходимо за режим на усилване клас А.

Верига ReSe изпълнява функцията на емитер термична стабилизация на точката на покой; кондензатори C1 И C2 са разделителни за компоненти на постоянен и променлив ток. Кондензатор Se заобикаля резистора Re според променлив ток, тъй като капацитетът Se значително.

Когато към входа на усилвател на напрежение се подаде сигнал с постоянна амплитуда при различни честоти, изходното напрежение, в зависимост от честотата на сигнала, ще се промени, тъй като съпротивлението на кондензаторите C1 , C2 различни при различни честоти.

Зависимостта на усилването от честотата на сигнала се нарича амплитудно-честотна характеристики на усилвателя (честотна характеристика).

Нискочестотни усилватели най-широко Приложи за усилване на сигнали, носещи аудио информация, в тези случаи те се наричат ​​също усилватели на аудио честота; в допълнение, ULF се използват за усилване на информационния сигнал в различни области: измервателна технология и дефектоскопия; автоматика, телемеханика и аналогова компютърна техника; в други индустрии на електрониката. Аудио усилвателят обикновено се състои от предусилвател И усилвател на мощност (УМ). Предусилвател предназначен да увеличи мощността и напрежението и да ги доведе до стойностите, необходими за работата на крайния усилвател на мощност, често включва контроли на силата на звука, контроли на тона или еквалайзер, понякога може да бъде структурно проектиран като отделно устройство.

Усилвател трябва да достави определената мощност на електрически трептения към веригата на товара (потребителя). Неговото натоварване може да бъде излъчватели на звук: акустични системи (високоговорители), слушалки (слушалки); радиопредавателна мрежа или модулатор на радиопредавател. Нискочестотният усилвател е неразделна част от всяко оборудване за възпроизвеждане, запис и радиоразпръскване на звук.

Работата на етапа на усилвателя се анализира с помощта на еквивалентна схема (на фигурата по-долу), в която транзисторът се заменя с Т-образна еквивалентна схема.

В тази еквивалентна схема всички физически процеси, протичащи в транзистора, се вземат предвид с помощта на H-параметрите на транзистора с малък сигнал, които са дадени по-долу.

За захранване на усилвателите се използват източници на напрежение с ниско вътрешно съпротивление, така че можем да приемем, че по отношение на входния сигнал резисторите R1 И R2 са включени паралелно и могат да бъдат заменени с един еквивалент Rb = R1R2/(R1+R2) .

Важен критерий за избор на стойности на резистори Re, R1 И R2 е да се осигури температурна стабилност на статичния режим на работа на транзистора. Значителна зависимост на параметрите на транзистора от температурата води до неконтролирана промяна в тока на колектора И К , в резултат на което могат да възникнат нелинейни изкривявания на усилените сигнали. За да се постигне най-добра температурна стабилизация на режима, е необходимо да се увеличи устойчивостта Re . Това обаче води до необходимостта от увеличаване на захранващото напрежение д и увеличава консумираната мощност от него. Чрез намаляване на съпротивлението на резисторите R1 И R2 консумацията на енергия също се увеличава, намалявайки ефективността на веригата и входното съпротивление на етапа на усилвателя намалява.

Интегриран DC усилвател.

Интегрираният усилвател (op-amp) е най-често срещаната универсална микросхема (IC). Операционният усилвател е устройство с високо стабилни показатели за качество, което позволява обработка на аналогови сигнали според алгоритъм, определен с помощта на външни вериги.

Операционен усилвател (op-amp) - унифициран многостъпален DC усилвател (UPT), отговарящи на следните изисквания за електрически параметри:

· усилване на напрежението клони към безкрайност;

· входното съпротивление клони към безкрайност;

· изходното съпротивление клони към нула;

· ако входното напрежение е нула, то изходното напрежение също е нула Uin = 0, Uout = 0;

· безкрайна лента от усилени честоти.

Операционният усилвател има два входа, инвертиращ и неинвертиращ, и един изход. Входът и изходът на UPT се правят, като се вземат предвид вида на източника на сигнал и външния товар (небалансиран, симетричен) и стойностите на техните съпротивления. В много случаи DC усилвателите, както и AC усилвателите, осигуряват висок входен импеданс, за да се намали въздействието на DC усилвателя върху източника на сигнала, и нисък изходен импеданс, за да се намали влиянието на товара върху изходния сигнал на DC усилвателя.

Фигура 1 показва схемата на инвертиращ усилвател, а Фигура 2 показва неинвертиращ усилвател. В този случай печалбата е равна на:

За обръщане Kiou = Roс / R1

За неинвертиращ Know = 1 + Roс / R1

Инвертиращият усилвател е покрит от OOS паралелно напрежение, което причинява намаляване на Rin и Rout. Неинвертиращият усилвател е обхванат от последователна верига за обратна връзка на напрежението, която осигурява увеличаване на Rin и намаляване на Rout. Въз основа на тези операционни усилватели можете да изградите различни схеми за аналогова обработка на сигнали.

UPT е обект на високи изисквания за най-ниско и най-високо входно съпротивление. Извиква се спонтанна промяна на изходното напрежение на UPT с постоянно напрежение на входния сигнал дрейф на усилвателя . Причините за дрейфа са нестабилност на захранващите напрежения на веригата, температурна и времева нестабилност на параметрите на транзисторите и резисторите. Тези изисквания са изпълнени от операционен усилвател, в който първият етап е сглобен с помощта на диференциална верига, която потиска всички смущения в общ режим и осигурява висок входен импеданс. Тази каскада може да бъде сглобена на транзистори с полеви ефекти и на композитни транзистори, където GCT (генератор на стабилен ток) е свързан към веригата на емитер (източник), което подобрява потискането на смущенията в общ режим. За да се увеличи входното съпротивление, се използват дълбоки серии OOS и високо натоварване на колектора (в този случай Jin клони към нула).

DC усилвателите са проектирани да усилват сигнали, които варират бавно във времето, тоест сигнали, чиято еквивалентна честота се доближава до нула. Следователно UPT трябва да има амплитудно-честотна характеристика във формата, показана на фигурата вляво. Тъй като коефициентът на усилване на оп-усилвателя е много висок, използването му като усилвател е възможно само ако е покрито с дълбока отрицателна обратна връзка (при липса на отрицателна обратна връзка, дори изключително малък "шум" сигнал на входа на оп-усилвателя ще произведе напрежение, близко до напрежението на насищане на изхода на операционния усилвател).

Историята на операционния усилвател е свързана с факта, че усилвателите с постоянен ток са използвани в аналоговата изчислителна технология за изпълнение на различни математически операции, като сумиране, интегриране и т.н. В момента, въпреки че тези функции не са загубили значението си, те представляват само малка част от списъка с възможни приложения на операционни усилватели.

Усилватели на мощност.

какво е то усилвател- по-нататък за краткост ще го наричаме УМ? Въз основа на горното блоковата схема на усилвателя може да бъде разделена на три части:

• Входен етап
• Междинен етап
• Изходен етап (усилвател на мощност)

Всичките тези три части изпълняват една задача - да увеличат мощността на изходния сигнал, без да променят формата си до такова ниво, че да е възможно да се задвижи товар с нисък импеданс - динамична глава или слушалки.

Има трансформаторИ без трансформатормисловни вериги.

1. Трансформаторни усилватели на мощност.

Нека помислим едноцикличен трансформаторУМ, в който транзисторът е свързан по схемата с OE (фиг. вляво).

Трансформаторите TP1 и TP2 са проектирани да съответстват съответно на товара и изходния импеданс на усилвателя и входния импеданс на усилвателя с импеданса на източника на входен сигнал. Елементите R и D осигуряват първоначалния режим на работа на транзистора, а C увеличава променливия компонент, подаван към транзистора T.

Тъй като трансформаторът е нежелан елемент от усилвателите на мощност, т.к. има големи размери и тегло и е сравнително труден за производство, тогава най-разпространеният в момента без трансформаторусилватели на мощност.

2. Безтрансформаторни усилватели на мощност.

Нека помислим push-pull PAвърху биполярни транзистори с различни видове проводимост. Както беше отбелязано по-горе, е необходимо да се увеличи мощността на изходния сигнал, без да се променя формата му. За да направите това, постоянният захранващ ток на PA се взема и преобразува в променлив ток, но по такъв начин, че формата на изходния сигнал да повтаря формата на входния сигнал, както е показано на фигурата по-долу:

Ако транзисторите имат достатъчно висока стойност на проводимост, тогава е възможно да се конструират вериги, които работят при товар от един ом без използването на трансформатори. Такъв усилвател се захранва от биполярно захранване със заземена средна точка, въпреки че е възможно да се конструират и вериги за еднополюсно захранване.

Принципна диаграма на комплементарни емитер последовател - усилвател с допълнителна симетрия - показан на фигурата вляво. При същия входен сигнал токът протича през npn транзистора по време на положителните полупериоди. Когато входното напрежение е отрицателно, токът ще тече през pnp транзистора. Чрез комбиниране на емитерите на двата транзистора, зареждането им с общ товар и подаването на един и същ сигнал към комбинираните бази, получаваме двутактен етап на усилване на мощността.

Нека разгледаме по-отблизо включването и работата на транзисторите. Транзисторите на усилвателя работят в режим клас B. В тази схема транзисторите трябва да са абсолютно еднакви по своите параметри, но противоположни по планарна структура. Когато на входа на усилвателя се получи положително полувълново напрежение Uin транзистор T1 , работи в режим на усилване, а транзист Т2 - в режим на изключване. Когато пристигне отрицателна полувълна, транзисторите сменят ролите си. Тъй като напрежението между основата и емитера на отворения транзистор е малко (около 0,7 V), напрежението Uout близо до напрежение Uin . Изходното напрежение обаче се оказва изкривено поради влиянието на нелинейностите във входните характеристики на транзисторите. Проблемът с нелинейното изкривяване се решава чрез прилагане на първоначално отклонение към базовите вериги, което превключва каскадата в режим AB.

За въпросния усилвател максималната възможна амплитуда на напрежението върху товара е Хм равна на д . Следователно максималната възможна мощност на натоварване се определя от израза

Може да се покаже, че при максимална мощност на натоварване усилвателят консумира мощност от захранващите устройства, определена от израза

Въз основа на горното получаваме максимално възможното UM коефициент на ефективност: n макс = П n.max/ П консумациямакс = 0,78.

При решаването на много инженерни проблеми има нужда от усилване на електрически сигнали. Усилвателите служат за тази цел, т.е. устройства, предназначени за усилване на напрежение, ток и мощност. Усилвателите обикновено използват биполярни и полеви транзистори и интегрални схеми.

Най-простият усилвател е усилвателно стъпало.

Състав на най-простото усилвателно стъпало:

UE – нелинеен управляван елемент (биполярен или полеви транзистор);

R – резистор;

E – източник на електрическа енергия.

Усилването се основава на преобразуване на електрическа енергия от източник на постоянна едс. E в енергията на изходния сигнал поради промени в съпротивлението на RE според закона, определен от входния сигнал.

Основни параметри на етапа на усилвателя:

За многостъпални усилватели

В зависимост от обхвата на усилените честоти на входните сигнали, усилвателите се разделят на:

UPT (усилватели с постоянен ток) - за усилване на бавно променящи се сигнали;

ULF (нискочестотни усилватели) - за усилване на сигнали в звуковия честотен диапазон (20-20000 Hz);

UHF (високочестотни усилватели) - за усилване на сигнали в честотния диапазон от десетки килохерци до десетки и стотици мегахерци;

Импулсен/широколентов - за усилване на импулсни сигнали с честотен спектър от десетки херца до стотици мегахерци;

Теснолентов/селективен - за усилване на сигнали в тесен честотен диапазон.

Според метода на включване на усилващия елемент те се разделят на:

В случай на използване на биполярен транзистор като усилващ елемент:

С обща основа

Общ излъчвател

С общ колектор

В случай на използване на полеви транзистор:

С общ източник

С общ канал

С обща основа

Усилвателно стъпало с общ емитер.

OE усилвателното стъпало е едно от най-често срещаните усилвателни стъпала, в които емитерът е общ електрод за входните и изходните вериги.

Схема на усилвателно стъпало с ОЕ за структура на биполярен транзистор п-п-п.

За колекторната верига на етапа на усилвателя, в съответствие с втория закон на Кирхоф, може да се напише следното уравнение на електрическото състояние:

Характеристиката на токовото напрежение на колекторния резистор Rk е линейна, а характеристиката на токовото напрежение на транзистора е нелинейна и представлява семейство от изходни (колекторни) характеристики на емитера, свързан във верига с OE.

Изчисляване на нелинейна верига, т.е. определение аз Да се , , И U Да сеза различни базови токове аз bи съпротивление на резистора Р Да се, може да се направи графично. За да направите това, върху семейството на изходните характеристики на транзистора е необходимо да начертаете права линия от точката д Да сепо абсцисната ос на токово-напреженовата характеристика на резистора Rk, удовлетворяваща уравнението .

Точките на пресичане на правата линия на товара с линиите на изходните характеристики осигуряват графично решение на уравнението за дадена Р bи различни аз b .

От тези точки можете да определите тока в колекторната верига, напрежението U кеИ .

Съпротивление на резистора Р Да сеизбран въз основа на изискванията за усилване на входния сигнал. В този случай е необходимо да се вземе предвид, че правата линия на товара минава отляво и под допустимите стойности U Да се макс , аз Да се макс , П Да се макси осигури доста дълъг линеен участък от преходния отговор.

Еквивалентна еквивалентна схема на усилвателното стъпало с ОЕ и нейните параметри.

Преброявайки, можем да запишем тези уравнения във формата

Решавайки тези уравнения заедно, получаваме

Знакът минус означава, че изходното напрежение не е във фаза спрямо входното. Получаваме формулата за усилване на напрежението на ненатоварено усилващо стъпало с общ емитер:

защото . Ето защо

Входен импеданс на усилвателното стъпало с OE при ниски честоти:

Изходният импеданс на усилвателното стъпало с ОЕ се определя от израза

Температурна стабилизация на усилвателното стъпало с ОЕ

СЪС
Съществен недостатък на транзисторите е тяхната зависимост от температурата. С повишаване на температурата, поради увеличаване на броя на малцинствените носители на заряд в полупроводника, колекторният ток на транзистора се увеличава. Това води до промяна в изходните характеристики на транзистора. Когато колекторният ток се увеличи с ΔI к, напрежението на колектора намалява с . Това причинява изместване на работната точка на транзистора, което може да го изведе извън линейната част на характеристиките на транзистора и нормалната работа на усилвателя се нарушава.

За да се намали влиянието на температурата върху работата на усилвателния етап с общ токоизправител, в неговата емитерна верига е включен резистор Р ъъъ, шунтиран от кондензатор СЪСъъъ. В основната верига е включен делител на напрежение, за да се създаде първоначалното напрежение.

Увеличаването на емитерния ток поради повишаване на температурата води до увеличаване на спада на напрежението в съпротивлението Р ъъъ, което води до намаляване на напрежението, а това води до намаляване на базовия ток. Емитерният и колекторният ток поддържат позицията на работната точка върху линейната част на характеристиката.

Ефектът от промяната на колекторния ток в изходната верига върху входното напрежение на транзистора се нарича отрицателна постоянна обратна връзка. При липса на кондензатор работата на усилвателния етап се променя не само при постоянен ток, но и при променлив компонент.

Усилвателно стъпало с ОК

ДА СЕ
Колекторът на транзистора е свързан директно към общата точка на усилвателя чрез източника на захранване, т.к. Спадът на напрежението във вътрешното съпротивление на източника е незначителен. Можем да считаме, че входното напрежение се прилага към основата на транзистора спрямо колектора чрез кондензатор СЪС1 , а изходното напрежение е равно на спада на напрежението Р ъъъ, който се отстранява от емитера спрямо колектора. Резистор задава първоначалния ток на отклонение на транзисторната базова верига, който определя позицията на работната точка в режим на покой. В присъствието на Uвходвъв веригата се появява променлив компонент, който създава спад на напрежението Р ъъъ ( )

Коефициентът на усилване на напрежението на етапа на усилвателя с OC е по-малък от единица, така че е по-правилно да го наричаме коефициент на пренос на напрежение.

Тъй като входната стойност К uблизо до единица, входното съпротивление на емитерния повторител е много по-голямо от входното съпротивление ч 11 транзистор и достига няколкостотин килоома.

Изходното съпротивление на емитерния повторител е от порядъка на десетки ома. По този начин емитерният повторител има много високо входно съпротивление и ниско изходно съпротивление, следователно неговото усилване на тока може да бъде много високо.

Усилвателно стъпало на полев транзистор

U
силовите стъпала, базирани на транзистори с полеви ефекти, имат високо входно съпротивление.

В тази каскада резисторът R c, с помощта на който се извършва усилване, е включен в дренажната верига. Във веригата на източника е включен резистор РИ , създаване на необходимия спад на напрежението в режим на празен ход U 30 , което е преднапрежението между портата и източника.

Резистор на вратата Р 3 В режим на покой осигурява равенство на потенциалите на гейта и общата точка на усилвателното стъпало. Следователно потенциалът на затвора е по-нисък от потенциала на източника със стойността на спада на напрежението върху резистора Ри от постоянния компонент на тока I u0.Така потенциалът на затвора е отрицателен спрямо потенциала на източника.

Входното напрежение се прилага към резистора Р 3 чрез изолационен кондензатор СЪС.Когато се приложи променливо входно напрежение, променливите компоненти на тока на източника се появяват в канала на полевия транзистор ази и източен ток азс, и азИ азс. Поради спад на напрежението в резистора Ри от компонента на променливия ток азИ , променливият компонент на напрежението между портата и източника, усилен от транзистора с полеви ефекти, може да бъде значително по-малък от входното напрежение:

Това явление, наречено отрицателна обратна връзка, води до намаляване на усилването на усилвателното стъпало. За да го елиминирате, кондензатор C и е свързан паралелно с резистора R и, чието съпротивление при най-ниската честота на усиленото напрежение трябва да бъде многократно по-малко от съпротивлението на резистора Рн . При това условие спадът на напрежението от тока на източника i и през веригата Ри -C и, наречено автоматично отклонение, е много малко, така че въз основа на променливата компонента на тока, източникът може да се счита за свързан към общата точка на усилвателното стъпало.

Изходното напрежение се отстранява през свързващия кондензатор СЪСс между дренажа и общата точка на каскадата, т.е. той е равен на променливия компонент на напрежението между дренажа и източника.

Обратна връзка в усилвателите

ОТНОСНО
Реципрочното свързване в усилвателите е прехвърлянето на част (или целия) от изходния сигнал на усилвателя към неговия вход.

Обратната връзка в усилвателите обикновено се създава нарочно. Понякога обаче възникват спонтанно. Наричат ​​се спонтанни обратни връзки паразитни.

Ако при наличие на обратна връзка към напрежението на обратната връзка се добави входното напрежение uin u os , в резултат на което към усилвателя се подава повишено напрежение u 1, тогава такава обратна връзка се нарича положителен.

Ако след въвеждане на обратна връзка напрежението u 1 на входа и u out на изхода на усилвателя намалява, което се дължи на изваждане на напрежението на обратната връзка от входното напрежение u in, тогава такава обратна връзка се нарича отрицателен.

Всички обратни връзки са разделени на обратни връзки по напрежениеИ по ток.При обратна връзка по напрежение u oc = βu out, където β е коефициентът на предаване на квадруполя на обратната връзка. При обратна връзка по ток uoc = Roc i out, където Roc е взаимното съпротивление на изходната верига и веригата за обратна връзка. Освен това цялата обратна връзка е разделена на последователна, при която веригите за обратна връзка са свързани последователно с входните вериги на усилвателя, и паралелно, когато веригите за обратна връзка са свързани паралелно с входните вериги на усилвателя.

Ефект на отрицателната обратна връзка върху печалбата.

За усилвател без обратна връзка

Заключение: въвеждането на отрицателна обратна връзка намалява усилването на усилвателя с 1+βK пъти.

Въвеждането на положителна обратна връзка увеличава усилването на усилвателя. Положителната обратна връзка обаче практически не се използва в електронните усилватели, тъй като в този случай, както ще бъде показано по-долу, стабилността на усилването е значително влошена.

Въпреки намаляването на печалбата, отрицателната обратна връзка се използва много често в усилвателите. В резултат на въвеждането на отрицателна обратна връзка, свойствата на усилвателя са значително подобрени:

а) стабилността на усилването на усилвателя се увеличава, когато параметрите на транзистора се променят;

б) намалява нивото на нелинейните изкривявания;

в) входният импеданс на усилвателя се увеличава, а изходният намалява и т.н.

За да се оцени стабилността на усилването на усилвател с обратна връзка, трябва да се определи неговата относителна промяна:

Заключение: всяка промяна в печалбата се отслабва от действието на отрицателната обратна връзка с коефициент 1+βK.

Ако стойността на βK е много по-голяма от единица, което представлява дълбока отрицателна обратна връзка, тогава

В случай на положителна обратна връзка стабилността на усилването се влошава:

Въвеждането на серийна обратна връзка по напрежение увеличава входния импеданс.

Верига на усилвател с паралелна обратна връзка:

С дълбока отрицателна обратна връзка

3) магнитно свързване, което се появява, когато входните и изходните трансформатори на усилвателя са близо един до друг.

DC усилватели

Устройствата, предназначени да усилват сигнал с много ниски честоти (от порядъка на части от Hz), имащи амплитудно-честотна характеристика до най-ниските честоти, се наричат ​​усилватели на постоянен ток (DCA).

Изисквания за характеристиките на UPT:

при липса на входен сигнал не трябва да има изходен сигнал;

при промяна на знака на входния сигнал трябва да се промени и знакът на изходния сигнал;

Напрежението на товарното устройство трябва да бъде пропорционално на входното напрежение.

Тези изисквания се изпълняват най-добре от UPT, изградени на диференциално балансирани каскади. Те също така осигуряват ефективна борба срещу така наречения нулев дрейф на UPT. Изграден на принципа на четирираменния мост.

U
Регулиране на баланса на моста:

Когато Ek се промени, балансът не се нарушава и токът в товарния резистор Rn е нула. От друга страна, с пропорционална промяна на съпротивлението на резисторите R 1, R 2 или R 3, R 4, балансът на моста също не се нарушава. Ако заменим резистори R 2, R 3 с транзистори, получаваме диференциална верига, много често използвана в UPT.

IN
в диференциалния усилвател съпротивленията на резисторите R 2, R 3 в колекторните вериги на транзисторите са избрани равни, режимите на двата транзистора са еднакви. В такива усилватели се избират двойки транзистори със строго идентични характеристики.

Стабилността на електрическите режими се влияе значително от съпротивлението на резистора R1, който стабилизира тока на транзисторите. За да можете да използвате резистор с високо съпротивление Rl, напрежението на захранването Ek се увеличава до стойността E 2 E 1, а в интегралните схеми вместо резистор R 1 често се използва стабилизатор на постоянен ток, който се изпълнява на 2-4 транзистора.

Променливият резистор R p служи за балансиране на каскадата (за настройка на нула). Това е необходимо поради факта, че не е възможно да се изберат два абсолютно идентични транзистора и резистора с еднакви съпротивления R 2, R 3. Когато позицията на плъзгача на потенциометъра R p се промени, съпротивленията на резисторите, включени в колекторните вериги на транзисторите, се променят и следователно потенциалите на колекторите. Чрез преместване на плъзгача на потенциометъра R n постигаме нулев ток в товарния резистор R n при липса на входен сигнал.

При смяна на e. д.с. източник на колекторна мощност E 1 или отклонение E 2, токовете на двата транзистора и потенциалите на техните колектори се променят. Ако транзисторите са идентични и съпротивленията на резисторите R 2, R 3 са точно равни, тогава токът в резистора R H се дължи на промяна в e. д.с. Ел, Е 2 няма да съществува. Ако транзисторите не са напълно идентични, тогава в товарния резистор ще се появи ток, но той ще бъде значително по-малък, отколкото в конвенционален, небалансиран UPT.

По същия начин промените в характеристиките на транзистора, дължащи се на промени в температурата на околната среда, ще причинят практически липса на ток в товарния резистор.

В същото време, когато се приложи входно напрежение към основата на транзистора T 1, неговият колекторен ток и напрежението в неговия колектор ще се променят, което ще доведе до появата на напрежение на товарния резистор R n.

При внимателен подбор на транзистори и резистори, при стабилизиране на напреженията на захранващите устройства, дрейфът може да бъде намален до 1-20 µV/°C или при работа в температурен диапазон от -50 до +50°C ще бъде 0,1 -2 mV, т.е. в сравнение с небалансиран UPT, той може да бъде намален с 20-100 пъти.

Използвайки същите схеми, можете да направите усилватели, използвайки транзистори с полеви ефекти. Подобни балансирани вериги могат да бъдат изградени на базата на последователи на емитер и източник.

Операционни усилватели

Операционният усилвател е DC диференциален усилвател с голямо усилване, предназначен да извършва различни операции върху аналогови величини, когато работи във вериги с отрицателна обратна връзка.

Операционният усилвател е универсален блок с характеристики, близки до идеалните, на базата на който могат да бъдат изградени много различни електронни компоненти.

Диаграма и символно графично обозначение на интегралната схема K140UD8:

Първият етап на полеви транзистори VT 1 VT 11 и VT 2, VT 9, с p-тип канал, е симетричен диференциален етап с товарни транзистори VT 3, VT 10. Транзисторите VT 4, VT 5 образуват стабилизатор на ток във веригата на източника на първия етап.

Вторият етап - асиметричен диференциален етап на два емитерни последователи - е направен на транзистори VT 7, VT 12. Връзката между първата и втората каскада е пряка.

н
В композитния транзистор VT 15 е направен усилвател на напрежение, чийто товар е полевият транзистор VT 17. На изхода на микросхемите се използва безтрансформаторен усилвател на мощност с помощта на композитни транзистори VT 20, VT 22 и VT 23, VT 24.

Чипът K140UD8 има два входа (4 - неинвертиращи, 3 - инвертиращи) и един изход (пин 7), общ пин 1 и щифтове за свързване на захранващото напрежение: 8 - за +E 1 и 5- за -E 2. заключения 2i 6 се използва за балансиране на микросхемата с помощта на променлив резистор със съпротивление 10 kOhm.

UPT с преобразуване на напрежение

Методът за намаляване на дрейфа се основава на двойно преобразуване на усиленото напрежение.

Структурна схема:

Модулаторът е предназначен да преобразува бавно променящо се входно напрежение в променливо напрежение, чиято амплитуда е пропорционална на входното напрежение, а когато знакът на входното напрежение се промени, фазата на променливото напрежение се променя.

Uin се преобразува с честота от 50 Hz до 20 MHz.

Има много различни модулаторни схеми. Най-често срещаните са:

модулатор с вибрационен преобразувател;

транзисторен модулатор.

М
Одулатор с вибрационен преобразувател е електромагнитен контактор с ниска мощност, който периодично (при честотата на тока, захранващ електромагнитната бобина) свързва входното напрежение към горната или към долната (според диаграмата) половина на първичната намотка на трансформатора. В този случай токът в първичната намотка променя посоката. Във вторичната намотка на трансформатора се появява променливо напрежение. Обикновено се използва повишаващ трансформатор с коефициент на трансформация до 10, така че амплитудата на напрежението е няколко пъти по-голяма от входното напрежение.

Предимството на вибрационния преобразувател е малък дрейф, който се определя главно от термо-е. д.с. контактна двойка и може да се намали до 0,01-0,1 µV/h (0,1-0,5 µV/ден). Входният импеданс е 1-10 kOhm.

D – демодулатор – предназначен за преобразуване на променливо напрежение на входа, бавно променящо се постоянно напрежение на изхода.

Предимства:

Нисък дрейф на нулата;

недостатъци:

Лоша честотна характеристика във високочестотната област.

Модулаторът на входа на усилвателя преобразува добре постоянен ток и бавно променящи се напрежения. С увеличаване на честотата на входното напрежение работата на модулатора се влошава. В същото време на изхода на демодулатора се прилага антиалиасинг филтър. Когато честотата на сигнала се доближи до честотата на референтното напрежение u op, филтърът не може да отдели сигнала от референтното напрежение.

За разширяване на честотния диапазон се използват високочестотни преобразуватели, които позволяват увеличаване на честотата fоп до 0,5-10 MHz.

Комбинираните усилватели комбинират предимствата на усилватели без и с преобразувател на напрежение.

Блокова схема на комбинирания UPT:

Комбинираният усилвател има дрейф на нивото на UPT с преобразуване на спектъра на сигнала, а амплитудно-честотната характеристика не е по-лоша от усилвател без преобразуване на спектъра на сигнала. Някои неравномерности на амплитудно-честотната характеристика в областта на средната честота лесно се изравняват поради отрицателна обратна връзка. (KD140UD13).

Операционни усилвателиса в основата на голям клас усилватели със специални честотни характеристики. Това се постига чрез използване на различни вериги за обратна връзка.

При операционните усилватели обратната връзка е отрицателна, ако се прилага от изхода на усилвателя към инвертиращия вход. Наистина, в този случай напрежението U oc , което е във фаза с U out, ще бъде в противофаза с входното напрежение на инвертиращия вход. Обратно, обратната връзка е положителна, ако се прилага към неинвертиращ вход. При серийна обратна връзка входният сигнал и сигналът за обратна връзка се подават към различни входове на микросхемата, при паралелна обратна връзка - към един.