Показатели работы усилителей

К показателям работы усилителей относятся вход­ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа­зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па­раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа­тационные свойства.

К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения Uвх=U1, тока Iвх=I1 или мощно­сти Pвх=P1), входное сопротивление, входная емкость или ин­дуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со­противление Rвх в сравнении с сопротивлением источ­ника сигнала Rи предопределяет тип усилителя; в зави­симости от их соотношения различают усилители напря­жения (при Rвх >> Rи), усилители тока (при Rвх << Rи) или усилители мощности (при Rвх = Rи). Входная ем­кость Свх, являясь реактивной компонентой сопротивле­ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо­чего диапазона частот.

Выходные данные — это номинальные значения выход­ного напряжения Uвых=U2, тока Iвых=I2, выходной мощности Pвых=P2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол­жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на­грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (ин­дуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

Коэффициентом усиления называется отношение вы­ходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению Ku=U2/U1, по току Ki=I2/I1 и мощности Kp=P2/P1.

Характеристики усилителя.

Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сиг­налы различной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазо-частотная и переходная.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты . Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех Uп, создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного Uвых=K*Uвх и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы­ходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке. Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

Обратные связи в усилителях.

Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посред­ством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи уси­лителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке ниже.

Обратная связь может возникать в схеме через паразитные цепи, такая об­ратная связь называется паразитной. Так как паразитные связи, как правило, нельзя рассчитать, а они могут существенно ухудшить работу усилителя, по­этому паразитные связи усилителя ослабляют, чтобы они практически не ска­зывались на его свойствах. Обратная связь возникает также благодаря конст­руктивным особенностям и физическим свойствам усилительных элементов. Такую обратную связь называют внутренней, ее усчитывают при моделирова­нии усилительных элементов. Внешняя обратная связь, искусственно введен­ная и правильно построенная, вводится для изменения свойств усилителя в же­лаемом направлении, придания ему определенных функциональных особенно­стей и для улучшения основных показателей его работы. Далее, по умолчанию, речь будет идти о внешней обратной связи.

Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линей­ных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усили­тель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает от­дельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке пред­ставлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

Модель усилительного каскада.

Усилительный каскад - конструктивное звено усилителя - содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере­менного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа вклю­чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база - эмиттер создается источником с ЭДС Еc и внутренним сопротивлением Rc источника. В цепи базы установлены резисторы R1 и R2. Коллектор тран­зистора соединен с отрицательным зажимом источника Eк через резисторы Rк и Rф. Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С2 поступает в нагрузку Rн. Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС-звено фильтра (положительную обратную связь - ПОС), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике Eк с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь - ООС) можно дополнительно включить RC-фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.

Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

В этой схеме резистор Rк, включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1, C2 на разных частотах различно.

Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2).

Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока Iк, вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление Rэ. Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;

· бесконечная полоса усиливаемых частот.

ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.

На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:

- для инвертирующего Киоу = Rос / R1

- для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1

Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.

К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему дрейфу нуля и по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ ( генератор стабильного тока ), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку ( в этом случае Jвхоу стремится к нулю ).

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рис.3. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

История операционного усилителя связана с тем, что усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Усилители мощности.

Что же представляет из себя усилитель мощности – далее, для краткости будем называть его УМ? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:

Входной каскад

Промежуточный каскад

Выходной каскад (усилитель мощности)

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением - динамическую головку или наушники.

Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ.

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ, в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя - усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p-типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1, работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E. Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ: nmax = P н.max / P потр.max = 0,78.

Усилители мощности на полевых транзисторах имеют ряд преимуществ перед усилителями на биполярных транзисторах. В частности, в них более просто получить хорошую линейность амплитудно-частотной характеристики и высокую стабильность параметров [1].

Описываемый усилитель (см. схему на рис. 1) обеспечивает выходную мощность около 70 Вт в нагрузке сопротивлением 75 Ом и усиление около 40 дБ в середине диапазона З... 30 МГц. АЧХ показана на рис. 2. Предварительные каскады усиления собраны на полевых транзисторах VT1 и VT2. Первый из них работает с небольшим положительным напряжением смешения на затворе, задаваемым делителем R1R2. Нагрузкой транзистора VT1 является широкополосный трансформатор Т1. Его вторичная (понижающая) обмотка включена в цепь затвора транзистора VT2, работающего с нулевым напряжением смещения на затворе. Вторичная (понижающая) обмотка широкополосного трансформатора ТЗ через резисторы R4 и R5 соединена с затворами транзисторов выходного каскада VT3 и VT4, которые также работают с нулевым напряжением смешения.

Puc.1

Puc.2

Повышающая обмотка выходного трансформатора ТЗ подключена к антенному фильтру. Последний необходим в связи с тем, что коэффициент гармоник усилителя не лучше -15 дБ. Схема антенного фильтра приведена на рис. 3. Можно использовать и антенный фильтр от широкополосного усилителя, описанного в [2].

Puc.3

Важными элементами усилителя являются широкополосные трансформаторы. Широкополосность трансформаторов пропорциональна отношению Lo/Ls, где Lo - индуктивность обмоток, Ls - индуктивность рассеяния. Следует учесть, что уменьшение Lo приводит к сужению полосы частот равномерного усиления снизу, а увеличение Ls - сверху. Малые значения Ls можно получить при сильной связи между обмотками, что достигается специальной конструкцией трансформаторов [3, 4].

В усилителях, испытанных автором, применялись широкополосные трансформаторы, конструкция которых показана на рис. 4.

Puc.4

Трансформатор состоит из металлического каркаса 1, представляющего собой две медные трубки, соединенные медной перемычкой. На каждую трубку надевают по 9 колец 2 типоразмера К10Х6Х3 из феррита М1000НН. Кольца между собой склеивают клеем БФ-2. Через трубки пропускают два витка провода 3 МГТФ 0.65 так, чтобы его концы выходили со стороны перемычки. Провод должен туго входить в трубку. Трубки с перемычкой являются понижающей обмоткой, а два витка провода - повышающей.

Источник питания должен обеспечивать напряжение 40 В при токе до 3 А.

Можно, например, использовать источник, описанный в статье В. Дроздова "Однодиапазонный телеграфный KB трансивер" ("Радио", 1983, N 1, с. 17-22).

В усилителе использованы резисторы МЛТ, конденсаторы КД, К52-5, проходные конденсаторы КТПС-1, ВЧ дроссели Д1.2-40, ДМЗ-12. Дроссели можно изготовить и самостоятельно на отрезках ферритовых (600НН) стержней длиной 15...20, диаметром 2 мм. Намотку ведут виток к витку проводом ПЭВ-2 0,31 до заполнения магиитопровода. Собственные резонансные частоты дросселей должны быть выше верхней частоты рабочего диапазона усилителя. Реле, контакты К 1.1 которого задействованы для управления режимом усилителя, - герконовое РЭС-55 (паспорт РС4.569.601). Оно расположено в возбудителе.

Транзисторы VT2-VT4 желательно подобрать по начальному току стока. У транзистора VT2 он должен быть 30...40 мА, у VT3, VT4 - 80...120 мА (но желательно, чтобы этот параметр у обоих транзисторов был одинаков). Транзистор КП901Б можно заменить на КП901А. В выходном каскаде можно использовать один транзистор КП904А, но при этом выходная мощность усилителя снизится до 40 Вт.

Все транзисторы размещены на общем массивном теплоотводе площадью около 1000 см2, на котором закреплена монтажная плата из фольгированного гетинакса с вырезами под транзисторы. Монтаж выполнен навесным способом. Фольгированный слой используется в качестве общего провода. В местах установки монтажных стоек фольга удалена.

Данные конденсаторов и катушек фильтра приведены в таблице. Катушки намотаны на кольцевых (типоразмер К24Х13Х7) магнитопроводах из феррита М50ВЧ.

Номиналы конденсаторов (в пф) и катушек (в мкГн) фильтра

Правильно собранный усилитель начинает работать сразу. Подбирая резистор R2, устанавливают ток стока транзистора VT1 в пределах 110...140 мА. Если усиление на низкочастотных диапазонах велико, необходимо включить резистор R3 с меньшим сопротивлением (100...560 Ом).

В усилителе нет специальной защиты выходных транзисторов. Как показал эксперимент, он устойчиво работает с различными нагрузками - как с настроенными, так и с различными "случайными" антеннами, например, куском провода длиной 2,5 м. Короткое замыкание на выходе усилителя также не выводит из строя выходные транзисторы благодаря падению крутизны их характеристики при нагреве.

Поиск по сайту: