Схемы делителя напряжения входа усилителей низких частот. Усилитель низкой частоты

Транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для усиления электрических сигналов.

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Первые управляются сигналом тока, подаваемым на его вход, а вторые - напряжением. Биполярный транзистор имеет два электронно-дырочных, перехода и три вывода – эмиттер, базу и коллектор. Биполярные транзисторы могут быть прямой или обратной проводимостями, а полевые с р или п каналами. Возможны три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

На рис. 2 показаны схемы включения биполярного транзистора прямой проводимости их основные характеристики: а) – с общей базой; б) с общим коллектором; в) с общим эмиттером:

где К i – коэффициент усиления по току; K u – коэффициент усиления по напряжению; R вх – входное сопротивление; R вых – выходное сопротивление.

Преимущественное распространение имеет схема с общим эмиттером (рис. 2, в).


Свойства транзистора в статическом режиме при такой схеме включения определяются семействами входных и выходных характеристик, показанных нарис. 3, а, б. Зависимость тока коллектора от тока базы определяется выражением

I к = βI б + I к.о,

где I к - ток коллектора; I б -ток базы; I к.о - обратный ток коллектора; β -коэффициент передачи тока базы. Значение коэффициента β в зависимости от типа транзистора и режима его работы может быть от 30 до 300. Биполярный транзистор имеет малое входное и значительное выходное сопротивление. Если в цепь коллектора включить резистор, то при изменении тока базы будут одновременно изменяться ток и напряжение коллектора. При этом изменение мощности, выделяемой в коллекторной цепи, будет значительно больше изменения мощности на входе транзистора. На этом основана работа транзисторного усилителя.

По роду усиливаемого, сигнала различают транзисторные усилители постоянного и переменного тока. Так как с помощью одного каскада не удается решить задачу усиления, то усилители обычно выполняются многокаскадными. В многокаскадных усилителях переменного тока связи между каскадами, между источником сигнала и входом усилителя, а также между выходом и нагрузкой выполняются с помощью конденсаторов или трансформаторов. В усилителях постоянного тока эти связи выполняются непосредственно. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельные каскадов.

Каскад (усиления) – это функциональный узел устройства, содержащий усилительный элемент, связанный с предыдущими или последующими узлами устройства.

Схема усилительного каскада переменного тока с ёмкостной связью показана на рис. 4, а.

При работе транзистора в режиме A невозможно реализовать высокий к.п.д. усилителя. В качестве альтернативы может подойти режим работы B, но он приводит к значительным . Однако если реализовать два усилителя, работающие в режиме B, и заставить их усиливать положительную и отрицательную полуволны синусоиды отдельно, а затем соединить эти полуволны вместе, то получится усилитель, работающий почти без искажений. Подобный усилитель получил название двухтактного усилителя. В иностранной (и переводной) литературе сохраняется старое название этой схемы — push-pull (тяни-толкай). Схема двухтактного каскада усилителя, реализованного на n-p-n и p-n-p транзисторах, приведена на рисунке 1.


Рисунок 1 Схема двухтактного каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах

Применение двух транзисторов позволяет им помогать друг другу. В приведенной на рисунке 1 схеме положительная полуволна синусоидального напряжения открывает транзистор VT1 и закрывает VT2. Отрицательная полуволна — запирает транзистор VT1 и открывает VT2. Таким образом каждый из транзисторов усиливает только половинку входного напряжения, однако на выходе, на сопротивлении нагрузки (в звуковых усилителях на динамике) эти половинки суммируются и форма входного напряжения восстанавливается. Временные диаграммы напряжений и токов в двухтактном каскаде приведены на рисунке 2.


Рисунок 2 Временные диаграммы напряжений и токов в двухтактном каскаде

В приведенной схеме транзисторы включены по схеме с общим коллектором, поэтому коэффициент усиления двухтактного каскада по напряжению приблизительно равен единице. Такой каскад обычно используется совместно с каскадом предварительного усиления, собранного по схеме с общим эмиттером. Для упрощения схемы между каскадами применяется непосредственная связь (без разделительной емкости). В результате становится возможным для формирования напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2 воспользоваться коллекторным напряжением прыдущего каскада. Схема подобного усилителя с двухтактным каскадом на выходе приведена на рисунке 2.


Рисунок 3 Схема усилителя с двухтактным каскадом на выходе и непосредственной связью между каскадами

Следует отметить, что в схеме двухтактного усилителя, приведенной на рисунке 2, строго говоря используется не класс B, а класс C! Это вызвано тем, что точка перегиба входной характеристики кремниевого транзистора не соответствует нулю, а отстоит от него на 0,7 В. Для обеспечения режима B в двухтактном усилителе на базы транзисторов необходимо подать напряжение 0,7 В. Это можно сделать при помощи резистора, зашунтированного по переменному току конденсатором, однако для устранения влияния температурного ухода входной характеристики транзистора в качестве источника напряжения 0,7 В применяются кремниевые диоды (тем более, что их сопротивление переменному току при протекании постоянного тока близко к нулю). Схема двухтактного усилителя, в котором режим работы B обеспечивается кремниевыми диодами, приведена на рисунке 4.


Рисунок 4 Схема двухтактного усилителя с формированием смещения на диодах

Следует отметить, что от выходного каскада звукового усилителя в основном требуется максимальная мощность. Обычно от одиночного транзистора не удается получить ток, достаточный для получения мощности 50 или 100 ватт. Поэтому в двухтактном усилителе применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона).

Еще одним недостатком схемы, приведенной на рисунке 3, является низкое входное сопротивление. Это обуславливается применением параллельной отрицательной обратной связи. Добавим еще один каскад для того, чтобы можно было применить последовательную отрицательную обратную связь. В результате получим схему усилителя звуковых частот, которая широко применялась в семидесятые годы XX века. Она приведена на рисунке 5.




Рисунок 5 Усилитель мощности с двухтактным выходным каскадом на схеме Дарлингтона

В данной схеме при напряжении питания 12 В можно получить на нагрузке 4 Ом мощность до 3 Вт. Обращает внимание, что в этой схеме усилителя мощности смещение на двухтактный каскад формируется на транзисторе VT3. Это позволяет избежать применения четырех диодов и позволяет обеспечить плавную регулировку напряжения смещения двухтактного усилителя.

Цель работы : Изучение работы электронных усилителей и их схемотехника. Экспериментальное и компьютерное исследование влияния ООС на основные характеристики усилителя низкой частоты.

  1. Введение. Основные понятия

Для увеличения амплитуды напряжения или силы тока, а также мощности электрических сигналов используют специальные устройства, называемые электронными усилителями .

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом работы и нелинейным.

К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения и тока, составляющих во времени входной сигнал.

Важнейшим показателем усилителей, как линейных четырехполюсников с линейным режимом работы является комплексный коэффициент передачи по напряжению или току:


.

Величина

является комплексной, т.е. характеризует изменение как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе. Модуль коэффициента передачи усилителя

называюткоэффициентом усиления . Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определенного для гармонического входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частоты

носит названиефазово-частотной характеристики усилителя.

В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяются на:

    усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока – УПТ),

    усилители низкой частоты (УНЧ),

    усилители высокой частоты (УВЧ),

    широкополосные, импульсные усилители (ШПУ),

    избирательные, узкополосные усилители (УПУ).

Характерная особенность УПТ – способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к (f н  0). Верхняя граница частоты f в в УПТ может составлять в зависимости от назначения 10 3  10 8 Гц. УНЧ характеризуются частотным диапазоном от десятков герц до десятков килогерц. УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ – имеют нижнюю границу частот примерно такую же, как у УНЧ, а верхнюю – как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители. УПУ – характеризуются пропусканием узкой полосы частот.

f в f f н f в f f н f в f f н f в f f o f

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. В зависимости от закона изменения выходного сигнала от входного

, к усилителям с нелинейным режимом работы можно отнести: усилители ограничители, логарифмические усилители и т. п. В зависимости от характера нагрузки и назначения различают также усилители: напряжения, тока и мощности, хотя такое деление условно, так как в любом случае по существу усиливается мощность.

Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителей.

Коэффициент усиления . Коэффициент усиления по напряжению

различных усилителей достигает десятков тысяч. Часто для достижения необходимого

используют многокаскадные усилители, в которых

предыдущего каскада является

для следующего и общий коэффициент усиления равен:

Коэффициент усиления - величина безразмерная и в ряде случаев принято усилительные свойства выражать в логарифмических единицах – децибелах:


.

Для многокаскадного усилителя:

Используют также коэффициент усиления по току и по мощности, которые тоже можно выражать в децибелах.


.

Входное и выходное сопротивление . Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого присоединен источник усиливаемого сигнала с ЭДС Е вх и внутренним сопротивлением R вт, а к выходным - сопротивление нагрузки R н.Для выходной цепи усилитель представляет источник ЭДС Е вых с внутренним сопротивлением R вых.

Для усиливаемого сигнала усилитель характеризуется входным сопротивлением

. Сопротивление R вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке.

R вт R вых I вых =I н

Е вх U вх R вх E вых U вых R н

Усилитель

Протекающий от источника сигнала в усилитель ток и входное напряжение определяют формулами:


.

В зависимости от соотношения между R вт и R вх источник сигнала может работать в режимах: а) холостого хода, если R вх > R вт , когда

; б) короткого замыкания, если R вх < R вт и значит I вх  E вх / R вт ; в) согласования, когда R вх  R вт и в усилитель передается наибольшая мощность.

Мощность, передаваемая усилителю:


Приравняв нулю производную

, получим

. При этом в усилитель поступает

, т.е. четверть потенциальной мощности источника сигнала. Аналогичные режимы работы возможны и для выходной цепи.

При согласовании нагрузки и выходного сопротивления усилителя в нагрузке выделяется наибольшая мощность.

Выходная мощность . При чисто активной нагрузке и синусоидальном напряжении

где

- действующее и амплитудное значение выходного напряжения;

- амплитуда тока в нагрузке.

Коэффициент полезного действия . КПД

, где Р  – мощность, потребляемая усилителем от источников питания.

Следует отметить, что любой усилитель, на каком бы виде энергии он ни функционировал, является, по существу, лишь регулятором для мощности Р вых , пропускаемой от источника питания в нагрузку, а входной сигнал лишь регулирует значение этой пропускаемой мощности, затрачивая на это мощность Р вх .

Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Её снимают при гармоническом входном сигнале для области средних частот.

Типичный вид амплитудной характеристики показан на рисунке. Участок 1-3 соответствует пропорциональному усилению. Участок ниже точки 1 амплитудной характеристики не используется, так как полезный сигнал трудно отличить от собственных шумов усилителя.

U вых. м .

U max 3 U вых.3

U min . 1 U вых.1

Участок 3 – 4 соответствует нарушению пропорциональной зависимости выходного напряжения от входного. Участок за точкой 4 соответствует состоянию ограничения выходного сигнала. Отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому

, называетсядинамическим диапазоном усилителя .

Амплитудно-частотная характеристика . (АЧХ) Это зависимость коэффициента усиления (по напряжению) от частоты усиливаемого сигнала:


.

Примерный вид АЧХ для различных типов усилителей показан на рисунке классификации усилителей по частотному диапазону усиливаемых сигналов. Величина

указывает на полосу пропускания усилителя в частотном диапазоне.

Фазочастотная характеристика . (ФЧХ) Она представляет собой зависимость угла сдвига фаз “” между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты сигнала.

Нелинейные искажения . Они представляют собой степень изменения формы кривой усиливаемого сигнала. Основная причина их возникновения – нелинейность характеристик усилительных элементов. На рисунке в качестве примера приведена входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, и показано, как искажается форма тока

, т.е. входного тока усилителя, по сравнению с синусоидальной формой входного напряжения

. В результате нелинейных искажений выходное напряжение усилителя содержит кроме постоянной составляющей и основной (первой) ещё и высшие гармонические составляющие.

I б I б + I m

Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений, представляющим квадратный корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:


,

или близким к нему коэффициентом гармоник:


,

где

- действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе. Эти коэффициенты часто выражают в %.

Похожие статьи

© 2019 evently.ru. Все о канализации и водоснабжении.