Электронные усилители. Классификация.Область применения

1.      Электронные усилители. Классификация.Область применения.

Электронные усилители по полосе пропускания разделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока называются усилители, коэффициент усиления которых отличен от нуля при частоте сигнала равной нулю, или полоса пропускания которых не ограничена снизу.

По принципу действия УПТ можно разделить на две группы: 1) усилители с преобразованием спектра; 2) усилители без преобразования спектра.

Усилители первой группы часто называют усилителями МДМ (модуляция – демодуляция).

Работает усилитель следующим образом. Постоянное входное напряжение Uвх подается на вход модулятора М. Модулированное напряжение усиливается усилителем модулированного сигнала УМС и подается на  демодулятор ДМ. На фильтре Ф выделяется постоянное выходное напряжение Uвых. Цепь обратной связи ОС предназначена для стабилизации работы УПТ.

В усилителях МДМ используются в основном два вида модуляции: амплитудная (АМ) и амплитудно-импульсная.модуляция  первого  рода  (АИМ-1).

Полоса частот при АИМ-1 шире, чем при АМ при одинаковых значениях несущей частоты ω0.

Учитывая неидеальность характеристик элементов усилителя МДМ, несущая частота ω0 выбирается из соотношения   ω0 = (3 – 5)ωmax (ωmax – максимальная частота входного сигнала).

Выбор модулятора определяется полосой пропускания усилителя, его входным сопротивлением, порогом чувствительности, конструктивными и технологическими параметрами.

При построении УПТ с преобразованием спектра могут использоваться как электронные, так и электромеханические модуляторы (вибропреобразователи, динамические конденсаторы). Одним из недостатков электромеханических модуляторов является их ограниченный срок службы (3000 – 5000 часов).

В качестве усилителей модулированного сигнала могут использоваться как избирательные усилители,  так и широкополосные усилители. Выбор типа усилителя  определяется полосой  частот,  занимаемой  модулированным   сигналом.

В качестве демодуляторов обычно используются транзисторные ключевые схемы или фазочувствительные усилители. В усилителях МДМ могут использоваться диодные мостовые или кольцевые демодуляторы.

Для подавления гармоник несущей частоты на выходе демодулятора используется фильтр нижних частот, во многом определяющий динамические характеристики усилителя.

Достоинством усилителей с преобразованием спектра является малый дрейф нулевого уровня.

К недостаткам следует отнести  принципиальное ограничение полосы пропускания усилителя сверху.

Промышленностью выпускаются усилители МДМ в интегральном исполнении, например усилитель 140УД13.

Усилители без преобразования спектра представляют собой усилители с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Они позволяют усиливать сигналы постоянного тока. Усилители с непосредственной связью применяются в качестве широкополосных усилителей с нулевой граничной частотой.

Основной элементной базой для создания усилителей с непосредственной связью являются линейные интегральные схемы – операционные усилители.

Погрешности  усилителей  постоянного тока на ОУ появляются вследствие неидеальности параметров ОУ и внешних элементов, а также их нестабильности.

На  основе ОУ могут быть построены УПТ с пороговым значением порядка 10 – 100 мкВ, входным сопротивлением более 1 МОм и погрешностью менее 0,1%.

Усилители переменного тока

Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью.

В усилителях с непосредственной связью полоса пропускания ограничена только сверху. В усилителях с  резистивно-емкостной или с взаимно индуктивной связью полоса пропускания имеет ограничения как сверху, так и снизу. Ограничение полосы сверху обусловлено паразитными реактивностями элементов и монтажа. В области низких частот неравномерность частотной характеристики усилителя связана с параметрами разделительных элементов.

Причинами появления погрешностей в усилителях переменного тока являются 1) собственные шумы пассивных и активных элементов схемы; 2) воздействие на усилитель внешних помех; 3) непостоянство коэффициента усиления усилителя за счет изменения: во времени свойств активных и пассивных элементов схемы; условий эксплуатации усилителя; неинформативных параметров сигнала.

Первые две причины приводят к появлению погрешности нуля, а третья – мультипликативной погрешности. К мультипликативным относятся также погрешности, вызванные наличием нелинейных искажений сигнала, которые зависят от входного напряжения. Следует отметить, что эта зависимость нелинейная.

Как правило, погрешности усилителей нормируются не более чем двучленной формулой. Несоответствие между реальной функцией погрешности и выражением, использующимся для нормирования, ведет к завышению допустимой погрешности усилителя при некоторых значениях входного сигнала.

Кроме нелинейных искажений в усилителе присутствуют линейные искажения, которые не связаны непосредственно со значением сигнала, а зависят от скорости его изменения, спектра. Линейные искажения обычно называют частотными.

Погрешности усилителя, обусловленные частотными искажениями, относятся к динамическим. Для анализа частотных искажений пользуются АЧХ и ФЧХ. На АЧХ различают область низших частот в окрестности нижней граничной частоты fН, область высших частот fВ в окрестности верхней граничной частоты и расположенную между ними область средних частот.

В усилителях измерительных устройств изменение коэффициента усиления на граничных частотах составляет 1 – 6, реже 10% по сравнению с его значением на средних частотах.

Избирательные усилители

Избирательные усилители это усилители, полоса пропускания которых сужена с целью отделить сигналы в нужной полосе частот от сигналов, помех, или шумов других частот. В таких усилителях в усилительном тракте или в цепи обратной связи используются частотно-зависимые LC  и  RC-цепи.

Избирательный усилитель с одним или несколькими резонансными контурами, настроенными на одну частоту называют резонансным.  Данные усилители широко используются в  анализаторах спектра, электронных указателях равновесия мостовых схем.

Резонансный усилитель обычно реализуется в виде каскадов параллельным резонансным LC–контуром.

Усилители использующий контур с раcстройкой по частоте,  называют узкополосными. 

Избирательные усилители характеризуются избирательностью, которое представляет собой отношение коэффициента усиления К0 на резонансной частоте ω0 к коэффициенту усиления на частоте ωn. Это отношение численно равно коэффициенту частотных искажений на частоте ωn.

Задача 1

Составить схему однофазного мостового выпрямителя, используя стандартные диоды типа Д217. Мощность потребителя Рd=150 Вт при напряжении питания Ud=500 B. Пояснить принцип действия выпрямителя.

Решение 

1.      Выписываем параметры указанных диодов:

2. Определяем ток потребителя:

3.  Определяем напряжение, действующее   на   диод в непроводящий период для мостовой схемы выпрямителя:

4.  Выбираем диод из условия

Этим условиям удовлетворяют диоды Д217

5. Однофазный выпрямитель по мостовой схеме (рис.1) является наилучшим вариантом по техническим и экономическим показателям. Остановимся на этой схеме немного подробнее.

  Мостовая схема так же является двухполупериодной. Форма напряжения на нагрузке оказывается такой же, как и на схеме со средней точкой. Рабочее напряжение конденсатора так же равняется амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Мостовая схема содержит четыре диода. В течение одной половины периода ток проходит от верхнего по схеме вывода вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку, диод VD2 и к нижнему выводу обмотки. В течение следующей полуволны ток проходит от нижнего по схеме вывода вторичной обмотки, через VD3, нагрузку, VD4 и к верхнему выводу обмотки.  Таким образом, В течении обоих полупериодов диодами выпрямляется одно и тоже напряжение вторичной обмотки, и составляющая пульсации с частотой 50 Гц отсутствует. Так как ток нагрузки проходит через диоды поочередно, то ток каждого диода будет равен половине тока нагрузки.

  Увеличение числа диодов в мостовой схеме окупается вдвое меньшим числом витков вторичной обмотки, уменьшением пульсаций, относительно небольшим обратным напряжением, хорошим использованием трансформатора, возможностью работать от сети переменного тока без трансформатора. К недостаткам такой схемы можно отнести повышенное падение напряжения на диодном комплекте.( падение напряжения на кремневом диоде может достигать порядка 1В. А на двух последовательных - соответственно 2В как в мостовой схеме. Таким образом, если выпрямитель рассчитан на низкое напряжение, соизмеримое с падением напряжения на диодах, нужно будет увеличивать напряжение вторичной обмотки трансформатора), невозможность установки, используемых диодов на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

Рис.1

Задача 2

На рис.1 приведена схема логического элемента «И» (коньюнкция) на диодах. Нарисуйте его условное графическое обозначение. Поясните принцип работы.

Функция конъюнкция (логическое умножение) или функция И – функция двух или большего числа переменных, равная единице только в том случае, когда все входящие в её состав переменные равны единице. Для случая двух переменных x1 и x2 конъюнкция запишется в следующем виде: y=x1 & x2 , x1⋅ x2 или x1x2 (y равно x1 и x2). Реализуется конъюнкция с помощью конъюнктора, условное обозначение которого предложено на рис:

Задача 3

Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходные характеристики, определить коэффициент усиления по току h21э, сопротивление нагрузки Rk и мощность на коллекторе Рк, если исвестно напряжение на базе Uбэ=0,2 В, ток коллектора Ik=50 мА и напряжение источника питания Ек=40 В.

Характеристики приведены на рис.2 и рис.3.

Решение

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам - высокий коэффициент усиления.

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной ток протекает через переход "база-эмиттер" транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.

Из характеристик найдем следующие значения усилителя

Ток базы равен: Iб=0,9 А.

Напряжение Uкэ=25 В.

Полагаем что через транзистор от коллектора к эмиттеру течет ток коллектора Iк а ток базы просто втекает в транзистор (на самом деле это не так но это: помогает понять процесс усиления и упрощает расчёты). Приняв такое допущение можно записать:

Ik=h21э*Iб, отсюда h21э=Ik/Iб=0,05/0,9=0,056.

Сопротивление нагрузки найдём из равенства:

Еk - Ik*Rk= Uбэ, отсюда Rk = (Еk - Uбэ)/Ik = (40-0,2)/0,05=796 Ом.

Мощность на коллекторе:

Рк=Ik2*Rk= 0,052*796=2 Вт