ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Тема 4. Підсилювачі електричних сигналів

14. Загальні відомості про підсилювачі та їх класифікація

Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для посилення потужності електричного сигналу без спотворення його форми і частоти (для лінійного підсилювача).

Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша від потужності навантаження. У такому разі, як було зазначено в пп. 2.4.1, послідовно з навантаженням вмикають зовнішнє джерело живлення і підсилюючий елемент ПЕ.Джерело сигналу діє не безпосередньо на навантаження, а на вхід ПЕі, змінюючи провідність останнього, забезпечує пропорційні вхідному сигналу зміни струму у колі навантаження. В результаті у навантаженні виділяється необхідна величина потужності за рахунок енергії джерела живлення (див. рис. 2.9).

Як ПЕу сучасних підсилювачах зазвичай використовують транзистори (біполярні або польові), рідше - електронні лампи.

Загальна структурна схема підсилювача наведена на рис. 3.1.

Вхідний сигнал від керуючого джерела енергії е_дж(джерела вхідного сигналу) подасться на вхідні клеми (1)-(2) підсилювача через внутрішній опір джерела Я_дж.Потужність джерела вхідного сигналу виділяється на вхідному опорі підсилювачаR_вх Навантаження підмикається до клем (3)-(4). Вхідний малопотужний сигнал керує кількістю енергії, що подається у навантаження від джерела живлення значно більшої потужності (підсилювальні властивості вихідного кола представлені за допомогою додаткової електрорушійної сили – е_вих ). Таким чином, завдяки використанню ПЕі зовнішнього джерела живлення стає можливим підсилення малопотужного вхідного сигналу.

Підсилювачі класифікуються за такими ознаками:

1)призначення;

2) частота сигналу, що підсилюється;

3) форма сигналу;

4) характер зміни з часом сигналу, що підсилюється.

Усі ці ознаки накладають специфічні вимоги до побудови конкретних схем підсилювачів.

За призначенням підсилювачі поділяються на підсилювачі напруги, струму та потужності. Тобто вони забезпечують на виході необхідний рівень напруги, струму або потужності (хоча за своєю суттю усі вони є підсилювачами потужності).

У підсилювача напругиі, в результаті, відносно великі зміни напруги на навантаженні забезпечуються при незначних змінах вхідного та вихідного струмів.

У підсилювача струмуі протікання струму необхідного значення у вихідному колі відбувається за малих значень напруги у вхідному та вихідному колах.

У підсилювача потужностіза рахунок чого забезпечується максимальна потужність як у вхідному, так і у вихідному колах (узгоджений за потужністю режим роботи).

За частотою підсилювачі поділяються на підсилювачі низької частоти (від одного герца до десятків кілогерц), середньої частоти (від десятків кілогерц до мегагерца) та високої частоти (більше за мегагерц).

За смугою частот робочого діапазону бувають широкосмугові підсилювачі й вибіркові (забезпечують підсилення у дуже вузькому діапазоні частот, в ідеалі - сигналів однієї частоти).

За формою сигналу, що підсилюється, вони поділяються на підсилювачі гармонічних та імпульсних сигналів.

За характером зміни вхідного сигналу з часом бувають підсилювачі постійного та змінного струму.

Найпростіший вузол, що забезпечує підсилення електричного сигналу, називається підсилюючим каскадом.

За видом зв'язку між джерелом сигналу, каскадами та навантаженням підсилювачі поділяються на підсилювачі з безпосереднім, резистивним, оптронним, резистивно-ємнісним, трансформаторним або резонансно-трансформаторним зв'язком.

Перші три види зв'язку можуть використовуватися у підсилювачах як постійного, так і змінного струму, решта - тільки у підсилювачах змінного струму.

Надалі ми будемо розглядати лінійні підсилювачі, у яких пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного.

15. Основні параметри і характеристики підсилювачів

Підсилювальні властивості підсилювача оцінюються такими характеристиками:

1) коефіцієнт підсилення - для лінійного підсилювача це:

• за напругою

• за струмом

• за потужністю

Величина завжди дійсне число.

У багатьох випадках коефіцієнт підсилення представляють у логарифмічних одиницях - децибелах (дБ):

2) вхідний опір за постійним або змінним (залежно від виду підсилювача) струмом

3) вихідний опір підсилювача R_вux (опір між вихідними клемами підсилювача за вимкненого опору навантаження);

4) коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) - загальна по-тужність, що відбирається від джерела живлення.

Найважливішими характеристиками підсилювачів є амплітудна та аплітудно-частотна, наведені на рис. 3.2. та рис. 3.3 відповідно.

Амплітудна характеристика являє собою залежність вихідної напруги від вхідної На рисунку позначено: аб - робоча ділянка, на якій пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного;

бв - режим насичення (тут із ростом вхідного сигналу ріст вихідного припиняється - підсилювач виходить із лінійного режиму).

Нелінійність характеристики при вхідних напругах, менших за Uвх,_mін , пояснюється наявністю шумових сигналів.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) - це залежність коефіцієнта підсилення К_и від кругової частоти частота сигналу, що підсилюється).

На рисунку позначено:

- найбільший коефіцієнт підсилення;

- таке зниження

підсилення звукового сигналу не фіксується чітко вухом людини.

Із АЧХ визначають робочий діапазон частот підсилюваного сигналу віл до

16. Принципи побудови підсилювачів

Як правило, підсилювачі складаються із декількох каскадів, що виконують послідовне підсилення сигналу. При цьому загальний коефіцієнт підсилення становить

(3.3)

Вхідні каскади та каскади попереднього підсилення виконуються, як правило, у вигляді підсилювачів напруги.

Вихідні каскади - кінцеві - зазвичай є підсилювачами потужності або струму.

Підсилювачі відрізняються один від одного кількістю каскадів, режимом роботи. Але усім їм притаманні загальні принципи побудови. Розглянемо їх на прикладі підсилювача сигналів напруги змінного струму, показаного на рис. 3.4.

Основним елементом підсилювача є ПЕ (біполярний або польовий транзистор), що разом із резистором R та джерелом живлення постійного струму Е утворюють головне вихідне коло підсилювача.

Принцип підсилення полягає у перетворенні енергії джерела постійної напруги Е в енергію змінного вихідного сигналу шляхом зміни провідності ПЕ за законом, зумовленим формою вхідного сигналу.

Оскільки вихідне коло підсилювача живиться постійною напругою, у ньому може протікати струм лише однієї полярності. Для забезпечення отримання підсиленого сигналу змінного струму необхідно задати його на фоні постійного сигналу зміщення , як це показано на рис. 3.4,в. При цьому для нормальної роботи підсилювача амплітудні значення вихідних напруги та струму повинні бути меншими за постійні рівні напруги та струму (постійного струму зміщення).

Постійні рівні струму та напруги у вихідному колі задаються подачею постійного рівня вхідної напруги

Режим роботи підсилювача за постійним струмом називається режимом спокою. Він характеризується струмом спокою та напругою спокою вихідного кола. Щоб задати режим спокою, використовують спеціальні схеми зміщення напруги.

Вихідна напруга подається на навантаження, яким зазвичай є наступний каскад підсилення. Зверніть увагу: за такої побудови під підсилювача його навантаженням (корисним) є не резистор R, а вхідний опір наступного (наприклад, такого ж) каскаду підсилення, на який подається напруга

17. Каскади попереднього підсилення зі СК та СБ

Підсилюючий каскад з СК (емітерний повторювач)

Схема емітерного повторювана зображена на рис. 3.16.

Тут - навантаження підсилювача за постійним струмом, яке одночасно забезпечує температурну стабілізацію режиму спокою. Призначення решти елементів те ж, що й у схеми з СЕ.

Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.17.

Зверніть увагу на те, що вихідна напруга співпадає за фазою з вхідною.

Оскільки у емітерного повторювача приблизно дорівнює графоаналітичний розрахунок його параметрів можна вести, використовуючи побудови, наведені у попередньому розділі.

Каскади з СК застосовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має великий а навантаження (наприклад, каскад підсилення з СЕ) має малий

Оскільки каскад не змінює фази і не підсилює напруги вхідного сигналу то його й називають повторювачем.

Підсилюючий каскад з СБ

Схема підсилюючого каскаду з СБ зображена нарис. 3.18. Конденсатор С₃ забезпечує підмикання бази до спільної точки за змінним струмом. Призначення решти елементів те ж саме, що й у попередніх схемах. Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.19.

Основні параметри каскаду:

Такі каскади використовують як узгоджувальні, коли джерело сигналу має малий а навантаження - великий

18. Каскади попереднього підсилення зі СВ і СС

Підсилюючий каскад з СВ

Схема підсилюючого каскаду з СВ наведена на рис. 3.20.

Склад схеми та призначення елементів:

VT1 - польовий транзистор із керуючим р-п переходом і каналом я-типу.

R_c - навантаження за постійним струмом.

Е_с - джерело живлення каскаду (стокового кола).

Ці елементи утворюють вихідне коло каскаду, де, власне, і відбувається підсилення сигналу.

R_В, С_В - утворюють коло автоматичного зміщення, що задає режим спокою класу А шляхом подачі напруги зміщення до затвору VT1 через резистор R₁ .Одночасно коло автоматичного зміщення забезпечує температурну стабілізацію режиму спокою.

С₁ ,С₂ - розділяючі конденсатори.

С_В- виключає негативний зворотний зв'язок за струмом для змінного вхідного сигналу.

Роботу каскаду ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.21.

Графоаналітичний розрахунок схеми проводиться у наступному порядку.

На стоковій характеристиці польового транзистора будуємо лінію навантаження за постійним струмом, як це показано на рис. 3.22,

Знаючи U_оз , знайдемо R_B = =U_о3/І_0С Оскільки навантаженням транзистора є, наприклад, наступний підсилюючий каскад на польовому транзисторі з дуже великим вхідним опором, то і всі побудови за змінним струмом можна виконати за допомогою лінії навантаження за постійним струмом.

Коефіцієнт підсилення за напругою

(3.21)

де S - крутизна;

- внутрішній опір польового транзистора. Розглянутий каскад набув широкого розповсюдження у вхідних колах інтегральних підсилювачів.

Підсилюючий каскад з СС

Схема підсилюючого каскаду з СС наведена на рис. 3.23.

Тут:

VT1 - польовий транзистор з керуючим р-п переходом і каналом л-типу;

- навантаження каскаду за постійним струмом (водночас створює напругу зміщення U_зм);

- дільник напруги (створює напругу U_д ).

та задають режим спокою підсилюючого каскаду: Призначення решти елементів аналогічне попереднім схемам. Навантаження каскаду за змінним струмом Роботу підсилювача ілюструють часові діаграми, наведені нарис. 3.24.

Ця схема має назву витокового повторювача, оскільки майже повторює вхідну напругу.

Для каскаду можна записати такі співвідношення:

Каскад має великий і малий тому використовується як узго-джувальний підсилювач у разі необхідності узгодження джерела сигналу з великим з навантаженням, що має малий наприклад, підсилювачів на польових та біполярних транзисторах.

Каскади на польових МДН-транзисторах схематично будують так, як і каскади на біполярних транзисторах.