Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Підсилювачем

Підсилювачем




Сторінка1/5
Дата конвертації30.03.2019
Розмір4.82 Mb.
  1   2   3   4   5

http://antibotan.com/ - Всеукраїнський студентський архів

1.Питаня

Підсилювачем називають пристрій, який призначений для підвищення потужності електричних коливань вхідного сигналу. Підвищення потужності вхідного сигналу досягається за рахунок енергії джерела живлення. Малопотужний вхідний сигнал лише керує передачею енергії джерела живлення в корисне навантаження.Електричні коливання підсилюються за допомогою підсилювальних елементів (ПЕ). Підсилювальні елементи отримують електричну енергію від джерела живлення і перетворюють її в енергію підсилених сигналів, тобто вони мають керуючі властивості. Керуюче джерело електричної енергії, від якого підсилюванні сигнали надходять на підсилювач, називається джерелом сигналу (ДС). Пристрій, який споживає підсилювальні сигнали, називається навантаженням (Н).Джерело енергії, яка перетворюється підсилювачем в енергію підсилювальних сигналів, називається джерелом живлення (ДЖ) підсилювача.




Рис.1.1. Структурна схема підсилювача.

Підсилювачі широко застосовується: в радіозв’язку, в мобільному зв’язку в телебаченні, в звуковому кіно, в пристроях запису і відтворення звуку і зображення, у вимірювальній апаратурі, в автоматиці і телемеханіці, в електронних обчислювальних машинах, в апаратурі для проведення космічних дослідженьі.т.д.



Класифікація підсилювачів

Існують класифікації підсилювачів за різними ознаками, зокрема:



  1. за характером підсилювальних сигналів;

  2. за смугою частот підсилюваних сигналів;

  3. за призначенням підсилювачів;

  4. за видом застосованих підсилювальних елементів.


I. За характером підсилювальних сигналів підсилювачі поділяються на:


  1. Підсилювачі гармонічних сигналів, це підсилювачі які призначені для підсилення гармонічних і квазігармонічних (майже гармонічних) сигналів різної форми і різного значення, тобто здійснюється підсилення гармонічних періодичних сигналів гармонічні складові яких змінюються значно повільніше від нестаціонарних процесів в колах підсилювача.

До підсилювачів гармонічних сигналів відносяться: мікрофонні, звукові, трансляційні, вимірювальні та інші.

2.Підсилювачі імпульсних сигналів призначені для підсилення імпульсних періодичних і неперіодичних сигналів різної форми і різного значення. Нестаціонарні процеси в колах таких підсилювачів повинні протікати настільки швидко, щоб форма підсилюваних сигналів не спотворювалася.До підсилювачів імпульсних сигналів відносяться: імпульсні підсилювачі систем зв’язку, відеопідсилювачі телевізійних сигналів, імпульсні радіолокаційні підсилювачі, підсилювачі систем автоматичного регулювання.

  1. За шириною смуги частот підсилених сигналів:

  1. Підсилювачі змінного струму підсилюють тільки змінну складову корисного сигналу в смузі від нижньої частоти fн до верхньої робочої частоти fв.

  1. Підсилювачі високої частоти призначені для підсилення коливань модульованих високою частотою. Відношення верхньої частоти спектру fв до нижньої fн близьке до одиниці ( fв / fн< 1,1). Наприклад підсилення радіосигналів, які приймає антена радіоприймача або телевізора.

  1. Підсилювачі проміжної частоти призначені для підсилення коливань модульованих проміжною частотою. Відношення верхньої частоти спектру fв до нижньої fнблизьке до одиниці ( fв / fн< 1,1).

  1. Підсилювачі низької частоти. До підсилювачів низької частоти відносяться підсилювачі звукових частот, які підсилюють електричні коливання в смузі частот, які сприймаються людським вухом ( f = 20Гц  20кГц ). Підсилювачі низьких частот призначені переважно для підсилення і перетворення первинних коливань давачів.

  1. Широкосмугові підсилювачі підсилюють дуже широку смугу частот і мають дуже велике відношення вищої робочої частоти до нижньої (вища частота  одиниць МГц, а нижня  від сотень герц до одиниць кГц).

  1. Вибіркові або селективні підсилювачі підсилюють сигнали в дуже вузькій смузі частот, за межами цієї смуги підсилення різко зменшується. В свою чергу вибіркові підсилювачі розділяють на резонансні, частотна характеристика яких має вигляд резонансної кривої і смугові підсилювачі, підсилення яких стале в вузькій смузі частот і різко зменшується за її межами.

7. Підсилювачі постійного струму призначені для підсилення електричних коливань в смузі частот від fн=0 до вищої частоти fв . Ці підсилювачі підсилюють як змінну, так і постійну складову сигналу. Підсилювачі постійного струму застосовуються в стабілізаторах постійної напруги, в автоматиці і телемеханіці, в аналогових обчислювальних і моделюючих машинах.

III. За призначенням підсилювачі поділяються на:

  1. магнітофонні;телевізійні;радіолокаційні;вимірювальні;трансляційні;дальнього зв’язку. і.т.д.

  1. IV. За видом застосованих підсилювальних елементів.

  1. транзисторі ;лампові;магнітні;діодні;молекулярні;електромашинні.


2.Питаня

Підсилювачі на транзисторах і електронних лампах називають електронними оскільки принцип їх роботи оснований на електронних процесах, які відбуваються в напівпровідниках і вакуумі.



Лінійні електронні підсилювачі це підсилювачі, які призначені для підсилення електричних сигналів без зміни їх форми.

Основні дані підсилювача:

Вихідні дані підсилювача:

  1. вихідна потужність Рн;

  2. вихідна напруга Uн;

  3. вихідний струм Iн ;

  4. вихідний опір підсилювача Zвих ;

  5. опір навантаження Zн.

Для випадку, коли опір навантаження активний Rн, то:



Вхідні дані підсилювача:

  1. вхідна напруга Uвх;

  2. вхідний струмIвх;

  3. вхідна потужністьPвх;

  4. вхідний опір підсилювачаZвх.

Для випадку, коли вхідний опір активний Rвх :



3.Питаня

Власні шуми підсилювача

Напруга шумів обмежує чутливість підсилювача і не дозволяє підсилювати сигнали низького рівня. На вхід підсилювача можна підводити корисний сигнал значення якого є більше від рівня власних його шумів. Власні шуми підсилювача виникають з наступних причин:

наведення, фон, шуми мікрофонного ефекту;теплові шуми;шуми підсилювальних елементів.

Наведення – це напруга у вхідному колі підсилювача, яка виникає від дії на підсилювач сторонніх джерел сигналів і перешкод. Наведення виникає від діє на вхід підсилювача сусідніх підсилювачів, електродвигунів трансформаторів, генераторів і.т.п. Усувається шляхом екранування, введенням у спільні кола живлення розв’язуючих фільтрів.

Фон – це періодична напруга у вихідному підсилювача частота якої кратна частоті змінної напруги, яка живить підсилювач. Усувається шляхом введенням розв’язуючих фільтрів у спільні кола живлення.

Шуми від мікрофонного ефекту зумовлені механічними коливаннями, які діють на підсилювальний елемент і зумовлені: вібрацією, ударами, акустичними коливаннями, прискоренням і.т.п. Шуми від мікрофонного ефекту усуваються за рахунок використання інших видів підсилювальних елементів, а також застосування амортизації.

Напруга теплових або термічних шумів - це неперіодична хаотична напруга, яка виникає в провідниках і елементах на вході підсилювача і зумовлена тепловим рухом електронів. Ця напруга залежить від смуги частот, які пропускає підсилювач, опору вхідного кола підсилювача і температури.

.

де fв і fн верхня і нижня гранична частоти робочого діапазону в кГц;



Т – абсолютна температура в оК;

Rджактивна складова опору вхідного кола підсилювача в кОм;

Uтш напруга теплових шумів в мкВ.

Напруга шуму підсилювального елемента визначається: фізичними процесами, які покладені в основу його роботи , його конструкцією, технологією виробництва і матеріалом з якого він виготовлений. Основна складова напруги шуму в електронних лампах і транзисторах є напруга дробового ефекту, яка зумовлена фізикою процесу проходження електричного струму через підсилювальний елемент. Рівень шуму транзисторів сильно залежить від типу транзистора, матеріалу з якого він виготовлений і режиму його роботи. В малопотужних транзисторах мінімальне значення напруги шуму буде при таких режимах:




4.Питання

Частотна і фазова характеристики підсилювача

При підсиленні сигналів підсилювач змінює їх форму. Відхилення форми вихідного сигналу від форми вхідного сигналу називають спотвореннями. Наявність в схемі підсилювача реактивних опорі, значення яких залежить від частоти і проводить до зміни форми складного гармонічного сигналу на виході лінійного підсилювача за двома основними причинами:



  • гармонічні складові складного вхідного сигналу підсилюються неоднаково, тобто це означає, що коефіцієнт підсилення підсилювача неоднаковий на різних частотах;

  • гармонічні складові складного вхідного сигналу при підсиленні зсуваються на різні відрізки часу, тобто фазові зсуви, які вносяться підсилювачем змінюють взаємне розташування гармонічних складових у вихідному сигналі.

Спотворення форми вихідного сигналу, яке викликане неоднаковим підсиленням різних частот, називають частотними спотвореннями, а спотворення форми вихідного сигналу, які викликані фазовими зсувами, які вносяться підсилювачем, називають фазовими спотвореннями.

Частотні і фазові спотворення деколи називають лінійними спотворенням, оскільки їх виникнення зв’язано з лінійними елементами електричного кола.

Частотні спотворення оцінюють за його частотною характеристикою, яка є залежністю модуля коефіцієнта підсилення від частоти. Частотну характеристику будують в прямокутній системі координат на вертикальній осі відкладають значення Кu в лінійному масштабі в відносних або логарифмічних одиницях, а на горизонтальній осі – частоту в герцах в лінійному або логарифмічному масштабі.

Діапазоном робочих частот підсилювача гармонічних сигналів називають смугу частот від нижньої до верхньої робочої частоти в межах якої модуль коефіцієнта підсилення, а іноді і фаза не повинні виходити за межі заданих допусків.



Рис.1.2. Частотна характеристика підсилювача

Частотні спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюються нерівномірністю його частотної характеристики в діапазоні робочих частот. Ідеальною частотною характеристикою, при якій підсилювач не вносить частотних спотворень, є пряма, яка проходить паралельно осі абсцис.

Частотні спотворення, які вносить підсилювач на певній частоті, оцінюються відносним підсиленням, який дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на заданій частоті до коефіцієнта підсилення на середній частоті

В розрахунках більш вигідно використовувати зворотну величину, яку називають коефіцієнтом частотних спотворень і позначають літерою М

Відносне підсилення і коефіцієнт частотних спотворень можуть бути відображені як у відносних, так і у логарифмічних одиницях. Для переведення їх з відносних значень в децибели і навпаки використовуються наступні вирази



Фазові спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюються за його фазовою характеристикою, яка є залежністю кута зсуву між вихідною і вхідною напругами підсилювача від частоти. Фазову характеристику будують окремо для області нижніх і окремо для області верхніх частот.



Рис.1.3. Фазова характеристика підсилювача

Умовою неспотвореного підсилення сигналу є пропорційність фазового зсуву, який вноситься підсилювачем, частоті підсиленого сигналу, тому ідеальною фазовою характеристикою підсилювача є пряма 2, яка проходить через початок координат.

Фазові спотворення підсилювача на верхніх частотах оцінюються як різниця ординат фазової характеристики і дотичної до неї, яка проходить через початок координат.

В області нижніх частот ідеальна фазова характеристика майже збігається з віссю абсцис і фазові спотворення практично дорівнюють куту фазового зсуву, який вноситься підсилювачем.

Амплітудна характеристика підсилювача – це залежність амплітуди вихідної напруги підсилювача від амплітуди його вхідної напруги на деякій сталій частоті.



Рис.1.4. Амплітудна характеристика підсилювача

Коли значення вхідної напруги малі, то амплітудна характеристика проходить не через початок координат, а визначається рівнем власних шумів підсилювача і завадами. Власні шуми підсилювача зумовлені в основному шумами його активних і пасивних елементів, а також неоднорідністю структури матеріалів елементів і нестабільністю електричних процесів у часі.

При великих значеннях вхідних напруг пропорційність між порушується за рахунок порушення пропорційності між вхідним і вихідним струмами.

Таким чином, властивість підсилювача підсилювати максимальне і мінімальне значення вхідної напруги відображає один з важливих показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном.

де і – вхідні напруги, при яких спотворення підсиленого сигналу і його виділення на фоні шумів знаходяться в допустимих межах.

Динамічний діапазон часто нормують в логарифмічних одиницях, в децибелах

Нелінійні спотворення зумовлені також нелінійністю вхідної характеристики транзистора, оскільки вхідний і вихідний струми несинусоїдальні при чисто синусоїдальній вхідній напрузі.

Нелінійні спотворення підсилювача оцінюються коефіцієнтом нелінійних спотворень (коефіцієнтом гармонік або клірінг фактором), який дорівнює кореню квадратному з відношення потужності, яка виділяється на навантажені вищими гармонічними складовими сигналу, які викликають спотворення, до потужності, яка визначається основною корисною гармонікою


Деколи визначають нелінійних спотворень для певної гармоніки вихідного сигналу

; ;…………….. .

В цьому випадку сумарний коефіцієнт гармонік визначається таким виразом



.

Перехідна характеристика підсилювача це залежність миттєвого значення вихідної напруги при стрибкоподібній зміні вхідної напруги. Ця характеристика використовується для оцінювання лінійних спотворень, які вносяться підсилювачем при підсиленні імпульсних сигналів. Причиною виникнення перехідних спотворень є наявність реактивних елементів підсилювача, а також зміна енергії в електричних і магнітних полях, які не можуть відбуватися миттєво. Таким чином, перехідні спотворення є наслідком перехідних процесів, які відбуваються в підсилювачі при швидких змінах вхідного сигналу.


Рис.1.5. Перехідна характеристика підсилювача



Рис.1.6. Перехідна характеристика підсилювача в області малих часів

Основні параметри перехідної характеристики в області малих часів – це час встановлення і відносний викид імпульсу .

Розклад стрибка напруги на вході підсилювача в ряд Фур’є дає нескінченну кількість гармонічних складових, тому підсилювач, який забезпечує рівномірне підсилення широкого спектру частот, є якісним імпульсним підсилювачем, оскільки лінійні спотворення зумовлені зменшенням підсилення на границях смуги пропускання.

Для забезпечення передачі фронту вхідного імпульсу з малими спотвореннями (область малих часів) необхідно розширяти смугу пропускання підсилювача в області високих частот, яка може досягати одиниць мегагерц.

Для неспотвореної передачі вершини імпульсу (область великих часів) смуга пропускання підсилювача повинна бути такою, як в підсилювача постійного струму в області низьких частот. В області великих часів перехідна характеристика (рис.1.7.) нормується відносним спадом вершини .



Рис.1.7. Перехідна характеристика підсилювача в області великих часів

Таким чином, перехідна характеристика дозволяє мати думку про можливість підсилення сигналів різної тривалості. Спотворення імпульсу вважається допустимим, якщо час встановлення перехідної характеристики зв’язаний з тривалістю імпульсу наступним співвідношенням .
5.Питаня

Вибір режиму підсилювального каскаду на транзисторі

Підсилювальні властивості транзистора можуть бути реалізовані тільки у випадку вмиканні в його колекторне або емітерне кола зовнішніх резисторів, з яких будуть зніматися коливання підсиленого сигналу. У цьому випадку статичні характеристики транзистора не відображають залежностей між миттєвими значеннями напруг і струмів у колах підсилювального елемента. Цю функцію виконують динамічні характеристики підсилювального каскаду. Розглянемо побудову динамічних характеристик для підсилювального каскаду на транзисторі в схемі з спільним емітером (рис.1.15).




Рис.1.15. Електрична принципова схема підсилювального каскаду

У вхідне коло транзистора ввімкнене джерело вхідного сигналу Ег і джерело зміщення Езм. Навантаженням для постійного струму є резистор Rк., а навантаженням для змінного струму є еквівалентний опір навантаження колекторного кола . Вважаємо, що опір розділювального конденсатора і опір джерела живлення для складової вихідного колекторного струму незначні в порівнянні з опорами RкіRн. Робоча точка в режимі спокою буде знаходитися на навантажувальній прямій dc (рис.1.16) для постійного струму в точці її перетину Р з вихідною статичною характеристикою транзистора при , який визначається напругою джерела зміщення Езм.

При відсутності на вході підсилювального каскаду змінної напруги можна записати вираз для вихідного кола каскаду

або .

Цей вираз є рівнянням прямої лінії, яка будується на сімействі вихідних статичних характеристик транзистора за двома точками: c – (Ік=0, Uке=Eк) ; d – (Uке=0, Iк.макс=Eк /Rк). Перед побудовою навантажувальної прямої, яка є динамічною характеристикою для постійного струму, необхідно визначити робочу область на сімействі статичних вихідних характеристик транзистора. Ця область не може включати область відсічки і область насичення, а також обмежена :



  • граничним значенням напруги між колектором і емітером транзистора – Uке.доп;

  • граничним значенням колекторного струму транзистора – Ік.доп;

  • максимальною потужністю, яка виділяється на колекторі транзистора – Рк.доп.


Рис.1.16. Динамічні навантажувальні характеристикикаскаду

для постійного ( dc ) і змінного (ab ) струмів

Робоча точка в режимі спокою вибирається в залежності від заданих амплітудних значень вихідної напруги Uвих.m і зв’язаного з нею амплітудного значення вихідного струму Iвих.m.



де – Uкmі Ікmамплітудні значення колекторної напруги і колекторного струму відповідно.

Для лінійних підсилювачів ці нерівності повинні виконуватися із запасом, щоб параметри транзистора можна було б вважати сталими навіть при максимальному сигналі. При цьому застосований транзистор повинен задовольняти наступні параметри:





Положення робочої точки в режимі спокою визначається призначенням підсилювача, режимом роботи, к.к.д., заданим коефіцієнтом підсилення, нелінійними спотвореннями і т.п. Якщо, вхідний сигнал симетричний, то робочу точку в режимі спокою вибирають на середині навантажувальної прямої для постійного струму.

Вхідна динамічна характеристика для змінного струму є графіком залежності вхідного струму від вхідної напруги при наявності у вихідному колі опора навантаження. Отримати її можна перенесенням точок перетину вихідної динамічної характеристики для змінного струму із статичними на сімействі вхідних характеристик . Вхідна динамічна характеристика дозволяє визначити напругу, струм і потужність вхідного сигналу. На практиці переважно в якості вхідної динамічної характеристики використовують вхідну статичну характеристику (рис.1.17), яка знята при сталій напрузі між колектором і емітером, переважно при напрузі рівній Uке =5 В.

Рис.1.17. Вхідна динамічна характеристика каскаду


  1   2   3   4   5



  • Класифікація підсилювачів
  • I . За характером підсилювальних сигналів підсилювачі поділяються на: Підсилювачі гармонічних сигналів
  • 2.Підсилювачі імпульсних сигналів
  • За шириною смуги частот підсилених сигналів: Підсилювачі змінного струму
  • Підсилювачі високої частоти
  • Підсилювачі проміжної частоти
  • Підсилювачі низької частоти.
  • Широкосмугові підсилювачі
  • Вибіркові або селективні підсилювачі
  • 7. Підсилювачі постійного струму
  • IV . За видом застосованих підсилювальних елементів. транзисторі ;лампові;магнітні;діодні;молекулярні;електромашинні. 2.
  • Питаня
  • Лінійні електронні підсилювачі
  • Вихідні дані підсилювача
  • Вхідні дані підсилювача
  • 3.Питаня Власні шуми підсилювача
  • Шуми від мікрофонного ефекту
  • 4.Питання Частотна і фазова характеристики підсилювача
  • 5.Питаня Вибір режиму підсилювального каскаду на транзисторі