Частотные и временные характеристики усилителей непрерывных и импульсных сигналов. Линейные и нелинейные искажения в усилителях. Исследование основных параметров избирательных и многокаскадных усилителей. Усилительные каскады на биполярных транзисторах.
Аннотация к работе
Следовательно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал которого управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое потребителем или нагрузкой. Поскольку диапазон мощностей, отдаваемых источником сигнала и потребляемых нагрузкой, может быть очень большим, усилитель может состоять из нескольких простых усилителей, называемых усилительными каскадами. В соответствии с характером изменения входного сигнала, который должен воспроизводиться после усиления в цепи нагрузки, различают усилители постоянного и переменного тока. По характеру усиливаемых сигналов усилители делят на усилители непрерывных и импульсных сигналов.Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажениями понимается изменение формы выходного сигнала по отношению к форме входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (вызываемые изменением модуля коэффициента усиления усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала) и фазовые (обусловленные нелинейностью фазочастотной характеристики усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала). При достаточно низких уровнях входного сигнала усилитель обладает свойствами линейной системы и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональны амплитуде входного напряжения, т.е. коэффициент усиления усилителя не зависит от величины сигнала.В зависимости от назначения усилителя заданный коэффициент усиления может достигать десятков тысяч. Коэффициент усиления, значение которого превышает 102, обычно получают, составляя усилитель из нескольких простейших усилителей, содержащих один усилительный элемент. Поэтому усилитель, состоящий, например, из двух каскадов, можно представить в виде эквивалентной схемы, приведенной на рис.6. Частотные искажения многокаскадного усилителя определяются частотными искажениями в отдельных каскадах. Нелинейные искажения синусоидального сигнала в многокаскадных усилителях, характеризуемые коэффициентом гармоник, можно оценить, просуммировав коэффициенты гармоник каждого отдельного каскада усилителя. Для исключения влияния цепей постоянного тока отдельных каскадов друг на друга, т. е. обеспечения развязки каскадов по постоянному току, в усилителях переменного сигнала используют разделительный конденсатор или трансформатор.Усилитель всегда можно разделить на несколько промежуточных ячеек - каскадов. Источником сигнала для данного каскада служит генератор или выход предыдущего каскада, а нагрузкой - вход следующего каскада или потребитель усиленного сигнала. Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные каскады (RC-каскады, усилители с емкостной связью). Принципиальная схема RC-каскада с ОЭ на транзисторе типа n-p-n приведена на рис. При отсутствии входного сигнала (в режиме покоя усилителя) в цепях эмиттера, коллектора, базы и в цепи делителя напряжения, состоящего из резисторов R1 и R2, протекают постоянные токи, направления которых показаны на рис.Резисторы и образуют делитель напряжения, обеспечивающий положительный потенциал эмиттера, т.е. смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, поскольку потенциал базы по переменному току равен нулю. Коэффициент усиления по напряжению существенно зависит от сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала . Отметим, что в каскаде с ОБ не требуются специальные меры по стабилизации рабочей точки. Отметим, что каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал. усилитель импульсный сигнал транзистор Такой каскад называют также эмиттерным повторителем, поскольку выходное напряжение по величине мало отличается от входного.Избирательными называются усилители, обладающие способностью выделять полезный сигнал, соответствующий заданной частоте или полосе частот, из всей совокупности сигналов, поступивших на вход усилителя. Для количественной оценки избирательности вводят коэффициент прямоугольности частотной характеристики равный отношению полосы пропускания к ширине полосы, соответствующей заданному ослаблению выходного сигнала относительно максимального уровня. В зависимости от назначения избирательные усилители можно разделить на следующие группы: 1) узкополосные RC-усилители, предназначенные для работы в области звуковых и дозвуковых частот; 2) резонансные LC-усилители. Эти усилители будут рассмотрены в следующем разделе. Шунтирование уменьшает добротность контура, поэтому избирательность такого усилителя ниже избирательности входящего в схему контура.
План
Содержание
Введение
1. Характеристики усилителей
1.1 Частотные и временные характеристики
1.2 Линейные и нелинейные искажения в усилителях
2. Параметры многокаскадных усилителей
3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах
3.1 RC-каскад с ОЭ
3.2 RC-каскад с ОБ
3.3 RC-каскад с ОК (эмиттерный повторитель)
4. Избирательные усилители
Литература
Введение
Электронным усилителем называют устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы сигнала.
Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал которого управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания показана на рис. 1.
Источниками входного сигнала могут быть микрофон, фотоэлемент, предшествующий усилитель, термопара и т. д.
Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое потребителем или нагрузкой. В качестве нагрузки могут использоваться телефон, громкоговоритель, гальванометр, осциллограф, реле, последующий усилитель, электродвигатель и т. д.
Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах, например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.
Поскольку диапазон мощностей, отдаваемых источником сигнала и потребляемых нагрузкой, может быть очень большим, усилитель может состоять из нескольких простых усилителей, называемых усилительными каскадами.
Усилитель в целом (или усилительный каскад в отдельности) может рассматриваться как линейный активный четырехполюсник, эквивалентные схемы которого приведены на рис. 2.
В схеме, представленной на рис. 2,а, к входным зажимам усилителя подключается источник входного напряжения Ес с внутренним сопротивлением Rc, а к выходным зажимам - сопротивление нагрузки Rн. Э.д.с. генератора напряжения E пропорциональна входному напряжению Uвх. В схеме, приведенной на рис. 2,б, генераторы напряжения Ес и E представлены в виде генераторов тока. Генератор и нагрузка не являются частями усилителя, но часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2 представлен своими входным RBX и выходным RBЫX сопротивлениями.
Обычно усилители классифицируют по нескольким признакам: характер изменения усиливаемого сигнала, полоса усиливаемых частот, назначение, тип используемого усилительного элемента. Названные признаки не исключают и другие принципы деления усилителей на различные группы.
В соответствии с характером изменения входного сигнала, который должен воспроизводиться после усиления в цепи нагрузки, различают усилители постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока обеспечивают усиление сколь угодно медленных изменений входного сигнала, усилители переменного тока предназначены для усиления колебаний, частота которых превышает некоторое нижнее граничное значение fн > 0.
В зависимости от ширины полосы усиливаемых частот усилители переменного тока, в свою очередь, подразделяются на усилители синусоидальных колебаний фиксированной частоты, усилители звуковой и радиочастоты, узкополосные (селективные) и широкополосные усилители, усилители низкой частоты, работающие в диапазоне от 20Гц до 20КГЦ, и усилители высокой частоты, способные усиливать колебания с частотами свыше 100КГЦ.
По назначению различают усилители тока, напряжения и мощности, по виду нагрузки - резисторные, резонансные, трансформаторные и т.д.
По характеру усиливаемых сигналов усилители делят на усилители непрерывных и импульсных сигналов.
В общем случае необходимость применения усилителя возникает при условии, что максимальная мощность источника сигнала (номинальная мощность), которую он может отдать в нагрузку, недостаточна для нормального функционирования последующего электронного устройства. Поэтому любой усилитель является усилителем мощности, и характеристикой усиления может служить коэффициент усиления по мощности, равный отношению мощности выходного сигнала РВЫХ к мощности источника сигнала РС
Обычно усилителем мощности называют такой усилитель, который обеспечивает высокий коэффициент полезного действия выходной цепи. Максимальный коэффициент усиления по мощности получается при выполнении условий Rc = Rвх и Rн = Rвых, которые называются условиями согласования входа и выхода усилителя соответственно с источником сигнала и нагрузкой.
Основные характеристики таких усилителей: - максимальная выходная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;
- коэффициент полезного действия (К.П.Д.) h, определяемый как отношение полезной мощности Рвых, выделяемой в нагрузке, к мощности Р0, потребляемой усилителем от источника питания, т. е.
.
Входным сопротивлением усилителя называется его сопротивление переменному току, протекающему во входной цепи
RBX = UBX/IBX.
Это сопротивление является нагрузкой для источников входного сигнала.
Выходное сопротивление определяется отношением выходного напряжения, поданного на выход каскада, к протекающему в выходной цепи току при Rн = 0
RВЫХ = UВЫХ/ІВЫХ.
Основной характеристикой усилителей, работающих в условиях, далеких от режима высокого коэффициента полезного действия выходной цепи, является коэффициент передачи.
Коэффициентом передачи усилителя называют отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В частном случае, когда эти сигналы являются однородными (например, ток или напряжение), коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.
Коэффициент усиления по напряжению KU представляет собой отношение напряжения на нагрузке UВЫХ к напряжению холостого хода источника входного сигнала ЕС. Как следует из рис. 6.2, а, .
Если RBX >> RC и RВЫХ << RH, то как источник сигнала, так и выходная цепь усилителя работают в режимах, близких к холостому ходу (без нагрузки). В этом случае величина KU перестает существенно зависеть от значений внешних по отношению к усилителю элементов RC и RH, при этом EC = UBX.. Усилители, работающие в таком режиме, называют усилителями напряжения.
Коэффициент усиления по току KI определяется как отношение выходного тока (тока нагрузки) к току короткого замыкания источника сигнала Іс
.
Если RBX > RH, то источник сигнала и выходная цепь оказываются в режимах, близких к короткому замыканию. При этом токи сигналов в выходной и входной цепях усилителя перестают существенно зависеть от значений сопротивлений RC и RH, при этом ІС = ІВХ. Усилители, работающие в таком режиме, называются усилителями тока.
Как и в случае пассивных линейных систем, частотные характеристики усилителя определяются комплексным коэффициентом передачи, который может быть представлен в виде отношения комплексных амплитуд выходного и входного сигналов при гармоническом входном сигнале. Так для комплексного коэффициента усиления по напряжению будем иметь: .
Зависимость модуля коэффициента усиления | | = К(?) от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или просто частотной характеристикой усилителя.
Зависимость от частоты фазового сдвига выходного сигнала усилителя относительно его входного сигнала называется фазочастотной характеристикой (ФЧХ) или просто фазовой характеристикой усилителя.
Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления
K(?) = K0 = const.
Фазовая характеристика такого усилителя не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты, т.е.
.
На практике в полосе частот, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала, можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным АЧХ и ФЧХ.
Для усилителей, как и для пассивных линейных систем, вводятся понятия нижней граничной частоты ?н, верхней граничной частоты ?в и полосы пропускания . Частоты ?н и ?в определяются как частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз по сравнению с коэффициентом (рис. 3,а). Область частот, лежащая левее средних частот, носит название области низших частот, область, лежащая правее - области высших частот. Полоса пропускания усилителя
.
Наряду с частотными характеристиками для определения искажений формы сложного колебания применяется переходная характеристика h(t), представляющая собой реакцию усилителя на единичный скачок напряжения (тока) и импульсная характеристика g(t), являющаяся реакцией линейной цепи на дельта-импульс. Эти характеристики однозначно связаны с частотными характеристиками.
Переходная характеристика h(t) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания ТЗ, длительность фронта ТФ и время спада ТС (рис.4). При повышении верхней граничной частоты ?в уменьшаются искажения в области малых времен (сокращается время ТЗ и ТФ), а при уменьшении нижней граничной частоты ?Н - в области больших времен (уменьшается спад вершины, т.е. возрастает время ТС). У усилителей постоянного тока (?Н = 0) переходная характеристика не обнаруживает спада вершины.
Список литературы
Под ред.: А.А. Кураева, Д.И. Трубецкого ; А.В. Аксенчик и др.: Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009
Шишкин Г.Г.: Электроника. - М.: Дрофа, 2009
А.Н. Диденко и др. ; Под ред. И.Б. Федорова: Вакуумная электроника. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008
Лебедев А.И.: Физика полупроводниковых приборов. - М.: Физматлит, 2008
Шматько А.А.: Электронно-волновые системы миллиметрвого диапазона. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2008
Московский гос. ин-т стали и сплавов, Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского ; под ред. Л.В. Кожитова: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. - М.: МИСИС, 2007
Федеральное агентство по образованию, Московский гос. ин-т стали и сплавов (Технологический ун-т), Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского ; под ред. Л.В. Кожитова ; авт-сост.: В.П. Менушенков и др.: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. - М.: МИСИС, 2007
Филачев А.М.: Твердотельная фотоэлектроника. - М.: Физматлит, 2007