Меню

Что такое коэффициент усиления по напряжению току мощности

Показатели усилителя

Основными показателями усилителя являются выходное напряжение или выходная мощность, коэффициент усиления, допустимые искажения, частотная, фазовая и амплитудная характеристики, динамический диапазон частот, коэффициент полезного действия и уровень собственных шумов.

Выходным номинальным напряжением (мощностью) усилителя называется наибольшее значение напряжения (мощности) сигнала на выходе усилителя, при котором искажения не превышают величин, оговоренных в техническом задании. Величина выходного напряжения или мощности определяется уровнем сигнала, который необходимо выделить на нагрузке: например, если нагрузкой является электроннолучевая трубка, то задаются выходным напряжением; если на выходе стоит динамик, то задаются выходной мощностью.

Коэффициентом усиления называется отношение напряжения, тока или мощности сигнала на выходе усилителя соответственно к напряжению, току или мощности сигнала на входе усилителя.

Входное напряжение, ток и мощность связаны соотношениями

Эти же величины на выходе:

Тогда, согласно определению, коэффициент усиления по напряжению

где Ki — коэффициент усиления по току. Коэффициент усиления по мощности:

При значениях К u или K i больше единицы К p может стать меньше единицы. Но при определенных соотношениях между сопротивлениями R вых и R вх можно получить усиление по мощности больше единицы, если даже коэффициент усиления по напряжению (или по току) меньше единицы.

На практике коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

К (дб0 = 20 lgK u = 20 lgK i = 10 lgK p . (222)

Если К = 1 дб, то U вых /U вх =10 К дб /20 = 10 0,05 = 1,12,

т. е. усилению в 1 дб соответствует увеличение выходного напряжения на 12% по отношению к напряжению на входе. Например, если U вых /U вх = 10, то К = 20 дб; если U вых /U вх =100, то К=40 дб.

Форма сигнала на выходе усилителя должна соответствовать форме сигнала на его входе. В противном случае усилитель будет вносить искажения в усиливаемый сигнал. Различают три вида искажений при усилении: нелинейные, частотные и фазовые.

Причиной нелинейных искажений являются нелинейные элементы схемы. Частотные искажения связаны с искажением формы выходного сигнала вследствие неравномерного усиления составляющих сложного сигнала в полосе рабочих частот.

Зависимость коэффициента усиления от частоты: К = φ (F) называется частотной характеристикой усилителя . Идеальная частотная характеристика проходит параллельно оси частот, это означает, что сигналы всех частот усиливаются одинаково. В действительности же имеет место неравномерность усиления сигналов разной частоты.

Область частот, в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают величин, оговоренных в технических условиях, называется полосой пропускания или диапазоном частот усилителя. На рис. 132, а показана частотная характеристика усилителя, которому свойственно уменьшение усиления в области верхних частот.

Рис. 132. Частотная (а); фазовая (б) и амплитудная (в) характеристики усилителя: — реальные; —идеальные.

Количественно частотные искажения оценивают коэффициентом частотных искажений М, который представляет собой отношение коэффициента усиления на средней частоте рабочего диапазона К ср к коэффициенту усиления на крайней рабочей частоте К кр :

Если усилитель состоит из n каскадов, то общий коэффициент частотных искажений равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

М общ = М I М I I . М n .

Частотные искажения обычно выражают в децибелах:

М общ (дб) = М I(дб) + М I I(дб) + . + М n (дб)

Фазовые искажения возникают из-за нарушения сдвига фаз между составляющими сложного сигнала вследствие наличия в схеме усилителя реактивных элементов. Если при усилении сдвиг фаз между составляющими сложного сигнала сохраняется неизменным либо изменяется, но пропорционально частоте, то в этих случаях фазовые искажения отсутствуют. Так, если на выход усилителя поступает сигнал

u вх = U m1 sin ωt+ U m2 sin 2ωt + U m3 sin 3ωt,

а на выходе появится напряжение

то все составляющие выходного сигнала оказываются сдвинутыми на одно и то же время Это свидетельствует о том, что форма сигнала осталась прежней и фазовые искажения действительно отсутствуют.

Зависимость сдвига фазы от частоты называется фазовой характеристикой усилителя ( рис. 132, б ). По отклонению реальной характеристики усилителя от прямой можно судить о степени ожидаемых фазовых искажений.

Для оценки искажений при усилении импульсных сигналов пользуются переходными характеристиками, представляющими собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход прямоугольного скачка напряжения. Форма скачка на выходе отличается от прямоугольной вследствие линейных искажений, вызываемых наличием в схеме реактивных элементов. Они проявляются в виде наклона фронта импульса, выброса импульса, завала плоской его вершины.

Зависимость выходного напряжения усилителя от входного при постоянной частоте сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя ( рис. 132, в ). При малых входных сигналах она имеет изгиб, обусловленный наличием собственных шумов в усилителе (наводки, фон, тепловые шумы и т. д.). Изгиб в верхней части характеристики при больших входных сигналах вызван перегрузкой со стороны входа усилителя. Рабочим участком амплитудной характеристики является ее линейный участок.

Читайте также:  Почему люди стреляют током

Отношение максимального входного напряжения усилителя к минимальному входному напряжению сигнала называется динамическим диапазоном усилителя:

Усилитель будет работать с малыми искажениями при условии, если D у будет больше динамического диапазона сигнала:

Коэффициент полезного действия является важным параметром, определяющим экономичность усилителя. Различают электрический и промышленный к. п. д. усилителя.
Электрический к. п. д. представляет собой отношение мощности Р, развиваемой усилителем, к мощности P 0 , потребляемой усилителем от источника анодного питания:

Промышленный к. п. д. определяется отношением полезной мощности, развиваемой усилителем, к мощности Р 0 , потребляемой от источника питания:

Промышленный к. п. д. меньше электрического, так как он учитывает потери мощности источника питания в цепях накала, в цепях управляющей и экранирующей сеток.

Источник

Коэффициент усиления

Поскольку усилители способны увеличивать величину входного сигнала, полезно иметь возможность оценивать способность усилителя усиливать с точки зрения отношения выход/вход. Технический термин для отношения величин выход/вход – коэффициент усиления. Как отношение равных единиц измерения (выходная мощность / входная мощность, выходное напряжение / входное напряжение, или выходной ток / входной ток), коэффициент усиления естественно является безразмерной величиной. В формулах коэффициент усиления обозначается заглавной буквой «A».

Например, если на вход усилителя подается переменное напряжение 2 вольта RMS (среднеквадратичное значение), а на выходе получаем переменное напряжение 30 вольт RMS, то коэффициент усилителя по переменному напряжению равен 30, деленное на 2, что равно 15:

Соответственно, если мы знаем коэффициент усиления усилителя и величину входного сигнала, то можем вычислить его величину на выходе. Например, если на усилитель с коэффициентом усиления по переменному току, равным 3,5, подать сигнал с величиной переменного тока 28 мА RMS, то на выходе получим 28 мА, умноженное на 3,5, то есть 98 мА:

В последних двух примерах я специально указал коэффициенты усиления и величины сигналов с уточнением «переменный». Это было сделано намеренно, и иллюстрирует важную концепцию: электронные усилители часто по-разному реагируют на входные сигналы переменного и постоянного тока, и могут усиливать их в разной степени. Другими словами, усилители часто усиливают изменения в величине входного сигнала (переменный ток) при различных коэффициентах, чем постоянные величины входного сигнала (постоянный ток). Конкретные причины для этого слишком сложны, чтобы объяснить их на данном этапе обучения, но об этом факте всё равно стоит упомянуть. При расчетах коэффициента усиления, прежде всего, нужно понимать, с какими типами сигналов и коэффициентов усиления мы имеем дело, с переменным или постоянным током.

Коэффициенты усиления электронных усилителей могут быть выражены в отношении напряжения, тока, и/или мощности, и для переменного, и для постоянного тока. Краткое определение коэффициента усиления состоит следующем: треугольный символ «дельта» (Δ) в математике означает изменение, то есть «ΔUвых/ΔUвх» означает «отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения» или, проще говоря, «отношение выходного переменного напряжения к входному переменному напряжению»:

Коэффициенты усиления для сигналов постоянного тока Коэффициенты усиления для сигналов переменного тока
Напряжение \[A_U = \frac>>\] \[A_U = \frac<\Delta U_<вых>><\Delta U_<вх>>\]
Ток \[A_I = \frac>>\] \[A_I = \frac<\Delta I_<вых>><\Delta I_<вх>>\]
Мощность \[A_P = \frac>>\] \[A_P = \frac< (\Delta U_<вых>) (\Delta I_<вых>) > < (\Delta U_<вх>) (\Delta I_<вх>)>\]
\[A_P = (A_U)(A_I)\]

Если несколько усилителей стоят последовательно, соответствующие коэффициенты усиления этих усилителей формируют общий коэффициент усиления, равный произведению отдельных коэффициентов усиления (рисунок ниже).

Если подать сигнал напряжением 1 В на вход усилителя с коэффициентом усиления 3 на рисунке ниже, на выходе первого усилителя будет сигнал 3 В, который будет усилен в 5 раз вторым каскадом усиления, и в итоге получим на выходе 15 В.

общее усиление Коэффициент усиления цепи каскадов усилителей равно произведению отдельных коэффициентов усиления.

Источник

Коэффициент усиления транзистора

Коэффициент усиления транзистора (по току, мощности или напряжению) – отношение изменения соответствующего показателя в цепи коллектора и в цепи базы.

Коэффициент усиления транзистора по току

Для схем с общей базой этот коэффициент обозначается буквой α (hfБ или h21Б), с общим эмиттером буквой β (hfЭ или h21Э).

Коэффициент усиления по току (или, как еще указывается в литературе, коэффициент передачи тока) в первом случае (α) есть отношение силы тока в коллекторе (Iк) к силе тока эмиттера (Iэ) при неизменном напряжении в части коллектор-база:

Коэффициент усиления по току во втором случае (β) – отношение величины силы тока в коллекторе (Iк) к силе тока в базе (IБ) при неизменном напряжении в переходе коллектор-эмиттер:

На показатель влияет не только входной ток, но и температура.

Коэффициент усиления транзистора по напряжению

Данный коэффициент вычисляется по формуле

где U2 — изменение напряжения на выходе, а U1 — изменение напряжения на входе.

Коэффициент усиления триода по мощности

Это величина отношения выходной мощности (P2) к мощности, подаваемой на вход триода (P1):

Коэффициент усиления транзистора по мощности можно также определить произведением коэффициента усиления по току (КI) и коэффициента усиления по напряжению (KU):

Транзистор: устройство и принцип работы

Биполярный транзистор – транзистор, использующийся для преобразования электрических сигналов, в котором для работы применяются 2 типа носителей заряда (электроны и дырки). Функция триода – регуляция потока заряженных частиц.

Часть транзистора, испускающая электроны, называется эмиттером Э. Вторая противоположная часть, которая собирает носители зарядов, – коллектором К. Между ними расположено основание или база Б. Соответственно, имеется три вывода. У биполярных триодов через прибор идут два тока – основной «большой» и управляющий «маленький».

Транзисторы с электронной проводимостью среднего слоя имеют название р-n-р транзисторы, с дырочной проводимостью – n-р-n. У первого типа транзисторов полярность включения источников обратная.

Источник



Усилители напряжения, тока и мощности. Расчет параметров усилителей.

Часть I. Усилитель напряжения. 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 , 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 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 , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление . 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.

Часть II. 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.

  • 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.

Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэо. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс. Абсолютным дрейфом нуля Uвых, называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя:

едр=Uвых / Ku

Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и эквивалентен ложному входному сигналу.

Способы уменьшения дрейфа нуля:

  • Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура.
  • Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима.
  • Использование ООС.
  • Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

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 рисунке слева. 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).

Часть III. Усилители мощности .

  • Входной каскад
  • Промежуточный каскад
  • Выходной каскад (усилитель мощности)

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.

Источник

Что такое коэффициент усиления по напряжению току мощности

Коэффициент усиления

В зависимости от целевого назначения усилители имеют коэффициенты:

а) усиления по току Кi =Iвых/Iвх;

б) усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх;

в) усиления по мощности Кр = Pвых/Pвх, где Iвых – ток в нагрузке, Iвх – ток, потребляемый от входного источника сигнала ec , Рвых мощность, выделяемая в нагрузке, Pвх – мощность, потребляемая от входного источника ec.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равняется произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

где n – число каскадов.

Часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах децибелах – дБ, что позволяет заменить произведение коэффициентов усиления суммой их логарифмов и строить логарифмические амплитудно–частотные характеристики (ЛАЧХ) усилителей. Такой подход позволяет исследовать и синтезировать усилители с заданными амплитудными и частотными характеристиками.

Коэффициенты усиления в децибелах:

Полоса пропускаемых частот (полоса пропускания) усилителя.Полосой пропускания называются тот диапазон частот, в пределах которого усилитель обеспечивает заданную величину коэффициента усиления (не ниже чем в корень из 2–х раз от максимального).

Диапазон частот ограничивается верхней и нижней граничной частотами, за пределами которых частотная характеристика усилителя снижается ниже допустимого уровня. Снижение (завал) частотной характеристики происходит из–за наличия в схеме усилителя реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Идеальная амплитудно–частотная характеристика усилителя имеет форму прямоугольника с основанием равным полосе пропускания усилителя и высотой равной Ко. Реальная частотная характеристика в силу указанных выше причин приобретает вид, изображенный на рис. 2.

Рис.2 Амплитудно-частотная характеристика усилителя

На амплитудно–частотную характеристику усилительного каскада наибольшее влияние оказывают две емкости: емкость разделительного конденсатора и паразитная емкость, нагружающая каскад по переменной составляющей выходного сигнала – Первая из них включена последовательно с входом каскада, вторая – параллельно выходу каскада.

Поскольку емкостное сопротивление конденсатора определяется частотой сигнала:

то емкость C 1 снижает усиление каскада в области нижних частот, а емкость С 2 – в области верхних частот. На средних частотах влиянием емкостей С 1 и С 2 можно пренебречь и поэтому усиление каскада будет максимальным.

Чувствительность усилителя.Чувствительность усилителя определяется той минимальной величиной тока или напряжения на входе усилителя, при которой на выходе усилителя создается номинальная мощность. Под номинальной мощностью обычно понимают мощность, при которой искажения не превышают допустимой величины при работе на расчетную нагрузку.

Собственные шумы усилителя.Собственными шумами усилителя называются сигналы на выходе усилителя, которые существуют и при отсутствии полезных сигналов на входе усилителя.

Возникают собственные шумы в результате теплового перемещения зарядов на сопротивлениях и хаотического движения носителей зарядов в области базы транзистора.

Оцениваются собственные шумы по шумовому фактору, равному отношению мощности шума на выходе усилителя к произведению к мощности шума на входе усилителя, помноженному на коэффициент усиления:

Динамический диапазон частот.Динамическим диапазоном усилителя называется отношение величины максимального допустимого сигнала на входе усилителя к минимально – допустимому сигналу на его входе и обычно оценивается в децибелах. Определяется он по линейной части амплитудной характеристики усилителя( рис. 3).

Амплитудная характеристика усилителя не линейна как в области малых, так и в области больших сигналов. В области малых сигналов отклонения от прямой линии связаны с собственными шумами усилителя, в области больших сигналов – с нелинейными искажениями, вносимыми активными усилительными элементами (в основном – перегружающимися транзисторами) при выходе рабочей точки за пределы линейного участка характеристики.

Нелинейные искажения.Нелинейными искажениями называют искажения формы усиливаемого сигнала в результате нелинейности вольтамперных характеристик отдельных элементов схемы усилителя (например, транзисторов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками и т.д.). Причиной появления значительных нелинейных искажений может быть или неправильный выбор начального положения рабочей точки транзистора, или чрезмерно большая величина входного сигнала, или неправильно рассчитанная индуктивность.

Проявляются нелинейные искажения в том, что при подаче на вход усилителя чисто синусоидального сигнала, на его выходе появляются новые гармонические составляющие, искажающие форму первоначального сигнала.

Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармонии, равному отношению геометрической суммы n напряжений высших гармоник Ui к амплитуде первой гармоники U 1 на выходе усилителя:

В практических расчетах обычно ограничиваются несколькими первыми гармониками, поскольку амплитудные значения гармонии более высоких порядков незначительны.

Линейные искажения.К линейным искажениям относятся частотные и фазовые искажения. Частотные искажения оцениваются по амплитудно–частотной характеристике усилителя (см. рис.2).

Мерой частотных искажений служит коэффициент частотных искажений, определяемый как отношение коэффициента усиления на средних частотах к коэффициенту усиления на данной частоте.

Обычно при расчетах значения коэффициентов на данных граничных частотах принимаются равными друг другу. В этом случае коэффициент частотных искажений определяется как:

Фазовые искажения возникают в результате неодинакового времени прохождения отдельных гармонических составляющих сложного сигнала через реактивные элементы схемы усилителя.

В результате на выходе усилителя образуются фазовые (во времени) сдвиги гармонических составляющих

График зависимости угла сдвига фаз от частоты усиливаемого сигнала называется фазовой характеристикой усилителя.(рис.13-4)

Рис..3.Амплитудная характерисика усилителя

Рис.4. Фазовая характеристика усилителя.

Переходные искажения.Переходные искажения играют существенную роль в импульсном усилителе. Эти искажения вызваны переходными процессами в цепях усилителя содержащих реактивные элементы, а также инерционностью активных усилительных элементов (рис. 5).

Переходные искажения оцениваются по переходным характеристикам усилителя, представляющим собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход усилителя единичной ступени напряжения (скачка напряжения) Uвх.

Переходные искажения подразделяются на искажения фронтов и вершин усиливаемых импульсов. Искажения фронтов импульса характеризуются временем установления — t ф , т.е. временем, в течение которого амплитуда выходного сигнала возрастает от 0,1 до 0,9 своего максимального значения. Искажения плоской вершины выходного импульса характеризуются выбросом d и спадом плоской вершины импульса .

Рис.5. Переходная характеристика усилителя

Перед рассмотрением вопроса принципа работы усилителного каскада необходимо рассмотреть динамические характеристики усилительного каскада, в котором транзистор включен по схеме с ОЭ и когда вход и выход схемы подключены к источникам смещения и .(рис 6)

Рис. 6 Простейшая схема усилительного каскада, включенного по схеме с ОЭ.

Если на вход не подан сигнал, то по второму закону Киргофа

Это уравнение динамического режима или уравнение нагрузочной прямой.

Принцип работы усилительного каскада.Принцип работы усилителя рассмотрим на примере усилительного каскада (рис. 7)

Здесь происходит усиление как по току, так и по напряжению.

Рис. 7. Принцип работы усилительного каскада

Пусть на выход подается синусоидальный сигнал.

Если на вход подается положительный потенциал, то транзистор закрыт (отсечка), тогда , т.к. (см. уравнение 7.) Если на базу подается отрицательный потенциал (участок ав), то транзистор открыт (насыщение), тогда повторяет , но с большей амплитудой и в противофазе

Читайте также:  Беспроводная передача электрического тока с использованием явления электромагнитной индукции проект

Итак, при подаче на вход усилительного каскада небольшого переменного напряжения на выходе получается усиленный источником питания сигнал той же формы. Однако амплитуда не может превысить . Таким образом, имея транзистор можно при помощи маломощного источника переменного входного напряжения , управлять энергией источника питания ( ). Если к усилительному каскаду добавить Rб 1, а так же термостабилизирующую цепочку Rэ и Сэ, то получают полную схему одиночного усилительного каскада. (рис. 8). Также усилители имеют частотный спектр сигнала от десятков Гц до десятков кГц и называются усилителями низкой частоты (УНЧ).

Рис. .8. Полная схема одиночного усилительного каскада с общим эмиттером (УНЧ).

силенный источником питания нияа на бациал (0ф

1) и — резисторы, которые образуют делители напряжения питания.

Прежде чем подать на вход схемы переменное входное напряжение, необходимо обеспечить определенный режим работы транзистора по постоянному току. Эммитерный p-n – переход смещен в прямом направлнии ( , а коллекторный – в обратном . Напряжение от , падающее на , создает , определяющее рабочую точку А.

Обычно . В этом случае при изменении напряжение смещения на базе остается постоянным, что обеспечивает активный режим транзистора.

2) — резистор нагрузки, обемпечивающий режим работы транзистора. На выделяется мощность усиливаемого сигнала.

3) и — разделительные конденсаторы. не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала. — на пропускает постоянную составляющую тока в следующий усилителный каскад.

4) — цепочка предназначена для термостабилизации режима работы усилительного каскада.

Динамическая характеристика каскада усилителя и режимы его работы. Рабочая точка. Построение выходной характеристика позволяет определить ток, протекающий по цепи и, следовательно, падение напряжений на каждом участке цепи.

Для построения выходной характеристики (нагрузочной линии) (рис. 11) на семействе выходных статических характеристик можно воспользоваться методом холостого хода и короткого замыкания. При коротком замыкании транзистора ток в цепи нагрузки будет равен (точка a на оси ординат), а при холостом ходе ток в цели будет равен 0, на резисторе R не будет падения напряжения и напряжение на коллекторе транзистора будет равно напряжению питания (точка b на оси абсцисс).

Прямая, соединяющие точки a и b и будет динамической характеристикой (или нагрузочной линией). Рабочая точка А – это точка пересечения нагрузочной прямой с выбранным значением Iб.

Для определения входного напряжения (Uбэ) строят входную динамическую характеристику на семейство входных статистических характеристик (рис. 11).

В состоянии покоя (Uвх=0), в цепи БЭ протекает ток покоя Iбо, а напряжение Uбэ=Uбо. Это электрическое состояние входной цепи каскада можно изобразить в виде точки С на входной динамической характеристике и ей соответствует выходной динамической характеристике также точка С (Uко, Iко). Также точка называется рабочей точкой. Если Uвх превышает величину, составляющую линейному участку 1,2 входной динамической характеристики, то возникает искажение форм входного сигнала.

Рис.11.Режимы работы усилительного каскада.

Пересечение, полученной нагрузочной линии и вольтамперной характеристики транзистора по заданным базовым током Iбр, определяемым величиной резистора в цепи базы Rб , задает начальное положение рабочей точки С, координаты которой характеризуют ток покоя Iкр, протекающий по цепи и падение напряжений на каждом из участков цепи (на активном сопротивлении U R k и на транзисторе Uкэп.

При появлении на входе усилительного каскада сигнала переменного напряжения Uвх, постоянный ток в цепи базы начнет алгебраически суммироваться с изменяющимся током входного сигнала. Рабочая точка С при этом начнет перемещаться по нагрузочной линии в пределах, определяемых амплитудой тока входного импульса. Перемещение рабочей точки С будет вызывать изменение коллекторного тока Iк и коллекторного напряжения Uкэ. Если перемещение рабочей точки не достигнет пределов, отмеченных цифрами 1 и 2 на нагрузочной линии, то усиленный ток в выходной цепи транзистора будет протекать через резистор Rk в течение всего периода изменения входного сигнала. Транзистор при этом будет работать в активной области, без отсечки или насыщения коллекторного тока. Такой режим работы транзистора называется режимом усиления малого сигнала или режимом усиления класса «А» (иногда режим усиления называют классом).

Если же рабочая точка в результате соответствующего выбора ее начального положения или слишком большой амплитуды входного сигнала окажется в области насыщения, то на оба перехода транзистора попадет смещение в прямом направлении, оба р–n перехода транзистора полностью откроются и транзистор почти целиком будет пропускать коллекторный ток. Причем дальнейшее увеличение амплитуды входного сигнала уже не будет вызывать дальнейшего увеличения коллекторного тока. При положении рабочей точки в области отсечки оба р–n перехода транзистора закроются. Он скажется в запертом состоянии и практически не будет пропускать коллекторный ток.

Таким образом, в зависимости от начального положения рабочей точки и амплитуды входного сигнала, ток в нагрузке может протекать либо в течение всего периода изменения входного сигнала, либо в течение какой–то определенной части этого периода.

В зависимости от этого различают три основных режима усиления классов: «А», «В», «С», «АВ», «Д».

Количественно режимы усиления характеризуются величиной угла отсечки Q. Под углом отсечки понимают половину той части периода, в течение которой протекает ток через выходную цепь усилительного элемента.

Очевидно, что для режима усиления класса «А», рассмотренного выше(рис.11), угол отсечки Q составляет 180°. В режиме усиления класса «В» угол отсечки составляет Q – 90°, в режиме усиления класса «С» угол отсечки Q меньше 90°.

Режим усиления класса «А» обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала, однако он неэкономичен по расходованию энергии источников питания, поскольку в этом режиме постоянная составляющая тока все время проходит через выходную цепь усилительного каскада. Поэтому транзисторные схемы, работающие в режиме усиления класса «А», применяются в основном каскадах предварительного усиления.

В каскадах усиления мощности, в тех случаях, когда в нагрузку требуют отдать наибольшую мощность усиливаемого сигнала при минимальном расходовании энергии источников питания, применяется режим усиления класса «В», обладающий высоким коэффициентом полезного действия (до 70–75%).

Поскольку усилительные каскады, работающие в режиме усиления класса «В», пропускают только одну полуволну усиливаемого напряжения, то в выходных каскадах усилителей применяют двухтактные симметричные каскады, позволяющие получить высокий коэффициент полезного действия при допустимых нелинейных искажениях. (рис. 12).

Рис. 12. Работа усилительного каскада в режиме усиления класса «В».

Читайте также:  Ток эсор сиртс микич цави

Режим класса «С» применяют в мощных усилителях. Этот режим характерен тем, что ток коллектора протекает в течении промежутка времени, которое меньше периода входного сигнала, а ток покоя не наблюдается ( ) рис. 13.

Рис. 13. Работа каскада в режиме усиления класса «С».

Стабилизация положения рабочей точки.Основные свойства усилительного каскада определяются положением начала рабочей точки, которые задает ток покоя выходной цепи Iок. Поэтому при изменении температуры, замене активного элемента и т.д. положение рабочей точки не должно изменяться.

Источник



Коэффициенты усиления усилителей

Среди многих показателей, усилительных устройств важнейшими являются коэффициенты усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности K P = Р ВЫХ/ Р ВХ, по напряжению K = U ВЫХ/ U ВХ и по току K Т = I ВЫХ/ I ВХ. Особенно широко используется коэффициент усиления сигнала по напряжению (поэтому его обычно приводят без индекса), а также сквозной коэффициент усиления по напряжению K СКВ. Все они определяются при гармоническом входном сигнале в режиме усиления.

Коэффициент усиления по напряжению K представляет собой отношение значения комплексной амплитуды напряжения сигнала на выходе к комплексной амплитуде напряжения сигнала на входе усилителя:

где – модуль коэффициента усиления; φ K – сдвиг фазы между выходным и входным напряжениями сигнала, возникающий из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционности УЭ.

Сквозной коэффициент усиления по напряжению K СКВ представляет собой отношение значения комплексной амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя к амплитуде ЭДС источника сигнала:

,

где – модуль сквозного коэффициента усиления по напряжению;

– напряжение источника сигнала;

– сдвиг фазы между выходным напряжением сигнала усилителя и ЭДС источника сигнала.

Сквозной коэффициент усиления по напряжению позволяет оценить усилительные свойства усилителя в целом с учетом входной цепи, что совершенно необходимо при использовании усилителя с обратной связью. Его можно представить в виде произведения коэффициента передачи напряжения входной цепи усилителя и коэффициента усиления по напряжению :

,

где – комплексный коэффициент передачи напряжения входной цепи усилителя, характеризуемый модулем k 1И = U вх/ e 1И и углом сдвига фазы φ вх между входным напряжением сигнала усилителя и ЭДС источника сигнала.

Коэффициент усиления по току K T представляет собой отношение установившегося значения комплексной амплитуды тока сигнала на выходе к комплексной амплитуде тока сигнала на входе усилителя:

где – модуль коэффициента усиления по току;

φ K т – сдвиг фазы между выходным и входным токами усилителя.

Как видно, в общем случае K, K СКВ, k 1И и K Т являются комплексными величинами, зависящими от частоты.

Очень часто представляют интерес коэффициенты усиления и коэффициент передачи входной цепи в области средних частот, где влияние реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и инерционных свойств УЭ пренебрежимо мало и сдвиги фаз равны нулю φ K = 0, φ вх = 0, φ K т = 0, а модули коэффициентов усиления и коэффициента передачи входной цепи не зависят от частоты, являясь действительными величинами:

; ; .

Здесь индекс ноль обозначает средние частоты.

На практике проще всего измерять коэффициент усиления по напряжению, так как в этом случае не надо разрывать цепь для проведения измерений. Он удобен для сравнительной оценки усилительных свойств на различных УЭ, так как измерительных приборов, таких как вольтметр или осциллограф, в лабораториях значительно больше других.

И наконец, коэффициент усиления по мощности K P представляет собой отношение мощности сигнала Р вых, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности сигнала Р вх, подводимой к входу усилителя от источника сигнала: K P = Р вых/ Р вх.

Следует отметить, что иногда применяют так называемый коэффициент усиления номинальной мощности источника сигнала K P ном = Р вых/ Р вх ном, где Р вх ном = Е 2 ист/4 R вх – номинальная мощность, отдаваемая источником сигнала на согласованный с ним вход усилителя, т. е. при R ист = R вх, когда k 1И = 0,5 и U вх = 0,5 e 1И.

Коэффициенты усиления выражаются как в относительных значениях (в разах), так и в логарифмических единицах – децибелах:

K (дБ) = 20 lg K; K СКВ (дБ) = 20 lg K СКВ.

Для анализа свойств (показателей и характеристик) усилителя источник сигнала, усилитель и нагрузку представляют в виде эквивалентных электрических схем по сигналу (по переменному току).

Источник сигнала представляют в виде независимого активного двухполюсника, т. е. либо в виде независимого источника ЭДС ė 1И с внутренним (выходным) сопротивлением Ż 1И, как изображено на рис. 5, либо в виде независимого источника тока İ 1И = ė 1И/ Ż 1И с параллельно подключенным к нему тем же сопротивлением Ż 1И или, иначе говоря, с выходной проводимостью Ỳ 1И = 1/ Ż 1И, под действием которого (того или другого) на входе усилителя возникают входной ток İ ВХ и входное напряжение Ů ВХ сигнала, и, следовательно, к входу подводится мощность сигнала Р ВХ. Нагрузку представляют обычно в виде сопротивления Ż 2 H.

Рис. 5. Режим переменного тока

В общем случае все приводимые в эквивалентных схемах величины (за исключением мощностей) имеют комплексный характер и зависят от частоты сигнала. Это обусловлено нестационарными (переходными) процессами в цепях усилителя, вызываемых влиянием реактивных элементов схемы (индуктивных и емкостных), а также влиянием инерционных свойств УЭ (на высоких частотах). При этом все сопротивления Ż 1И, Ż ВХ, Ż ВЫХ и Ż 2Н содержат кроме резистивных составляющих сопротивлений R и реактивные составляющие соответственно ± jX 1И, таким образом, для источника сигнала е 1И внутреннее сопротивление Ż 1И = R 1 И ± jX 1И.

Следует отметить, что для практики особый интерес представляют случаи, когда влиянием реактивных составляющих сопротивлений можно пренебречь ввиду их малости, например в области средних частот. В этих случаях все сопротивления становятся резистивными и не зависящими от частоты, Z 2Н = R 2 Н, а следовательно, и все ЭДС, напряжения и токи становятся действительными и не зависящими от частоты. Рассмотренные ниже примеры с различными активными четырехполюсниками в целях упрощения анализа приводятся как раз для области средних частот.

Простейший усилитель содержит один УЭ с пассивными элементами связи (ЭС), например резисторами, конденсаторами, трансформаторами, соединяющими УЭ с источником сигнала, с нагрузкой и с источником питания, создающими ему наивыгоднейшие условия работы. На структурной схеме УЭ и ЭС объединяют и представляют одним активным четырехполюсником (рис. 5).

Читайте также:  Возникает ли индукционный ток если в неподвижную катушку вводить магнит

Источник

Элементы теории ламповых усилительных устройств

Основные технические характеристики усилителя

Коэффициент усиления по напряжению — отношение напряжения, получаемого на выходе усилителя, к напряжению, подведенному к его входу.

Коэффициент усиления по напряжению

Это один из основных показателей» характеризующих работу усилителя напряжения. Для усилителей мощности более важной величиной является выходная мощность. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов. Каскад — это часть электронной схемы, выполняющая определённую конечную функцию, — например предварительное усиление напряжения или согласование входных и выходных сопротивлений.

Общий коэффициент усиления по напряжению многокаскадного усилителя

Часто коэффициент усиления измеряется в логарифмических единицах — децибелах. Коэффициент усиления по напряжению, выраженный в децибелах определяют по формуле:

Коэффициент усиления по напряжению, выраженный в децибелах

Если коэффициенты усиления, выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления усилителя равен сумме коэффициентов усиления каскадов.

Общий коэффициент усиления по напряжению многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах

Кроме коэффициента усиления по напряжению, иногда пользуются коэффициентами усиления по току или коэффициентами усиления по мощности.
Выходная мощность является одной из основных величин, характеризующих оконечные каскады (усилители мощности). Максимальная мощность на выходе усилителя ограничена искажениями, возникающими за счет нелинейности характеристик ламп при больших амплитудах сигналов.
Номинальная выходная мощность — наибольшая мощность, при которой искажения не превышают допустимой величины.
Номинальное входное напряжение — напряжение, которое нужно подвести ко входу усилителя, чтобы получить номинальную выходную мощность.

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) усилителя — позволяет оценивать его экономичность. Различают электрический и промышленный к. п. д.
Электрический к. п. д. усилительного каскада равен отношению его полезной выходной мощности к мощности, потребляемой от источника анодного напряжения.
Промышленный к. п. д. равен отношению полезной мощности к мощности, потребляемой от всех источников, питающих данный каскад.
Входное сопротивление усилителя — сопротивление переменному току, которое представляет входная цепь усилителя для источника входного напряжения. Входное сопротивление усилителя зависит от частоты напряжения, подведенного к его входу.
Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) — область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.
Необходимые минимальные граничные частоты полосы пропускания усилителей для некоторых трактов передачи и усиления:
Высококачественное ЧМ радиовещание ( УКВ и FM ) ……… 40 — 16000 Гц
Высококачественное AM радиовещание ( 1 -го класса ) ……… 50 — 8000 Гц
Радиовещание ( 2-го класса ) ………………………………… 80 — 5000 Гц
Магнитная звукозапись и звуковое кино ………………… 40 — 12000 Гц
Hi — End звуковоспроизведение …………………………… 20 – 20000 Гц
Телефония …………………………………………………… 300— 2500 Гц

Динамический диапазон амплитуд — отношение (в децибелах — дБ) амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов. Уровень наиболее слабого передаваемого сигнала ограничивается в усилителе его собственными шумами или уровнем помех. Величина максимального передаваемого напряжения ограничена искажениями, возникающими в усилителе за счет нелинейности характеристик ламп. Передача будет вполне удовлетворительной, если воспроизводятся мощности, отличающиеся в 1 миллион раз. Для этого необходимо передавать напряжения, отличающиеся в 1000 раз (динамический диапазон 60 дБ).
Искажения в усилителях низкой частоты. Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности характеристик электронных ламп, полупроводниковых триодов и характеристик намагничивания трансформаторных сердечников, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе на выходе его возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие на входе.
Степень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник), представляющим собой отношение корня квадратного из суммы квадратов напряжений гармоник к напряжению основной частоты (первой гармоники):

коэффициент нелинейных искажений

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. В пятидесятых годах прошлого столетия считалось, что в усилителях, предназначенных для АМ радиоприемников и магнитофонов величина коэффициента гармоник не должна превышать 5 — 7%, а в телевидении и радиотелефонии допускается 15—20%. Современная ламповая схемотехника, позволяет значительно снизить эти величины вплоть до 1 — 2%.

Комбинационные тона — получаются тогда, когда на вход усилителя, вносящего нелинейные искажения, подводятся одновременно колебания нескольких частот. В этом случае на входе, кроме этих частоти их гармоник, появляются суммарные и разностные частотные комбинации между любой, в том числе и первой, гармоникой одной частоты и любой гармоникой другой частоты. Комбинационные тона могут получаться при усилении любой аудиопрограммы.

Искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах, называются частотными искажениями.

Частотные искажения можно оценить по частотной характеристике усилителя.
Частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления от частоты или зависимость от частоты отклонения от среднего значения коэффициента усиления.

Частотная характеристика усилителя

На схеме показан пример частотной характеристики усилителя звуковой частоты. Изменение усиления на разных частотах по отношению к коэффициенту усиления К0 в области средних частот выражено в децибелах. Масштаб по оси частот логарифмический.
Коэффициент частотных искажений — отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на данной частоте. Для частотных искажений в области нижних частот

Величина частотных искажений в области низких частот

и в области верхних частот, усиливаемого диапазона

Величина частотных искажений в области верхних частот

где К0, Кн и Кв — коэффициенты усиления на средних, низких и высоких — частотах соответственно.
Фазовыми искажениями — называются искажения, возникающие при сдвиге фазы выходного напряжения усилителя на угол φ относительно фазы входного напряжения.

Переходные искажения появляются в результате наложения на воспроизводимый сигнал неустановившихся процессов. Особенно существенными в этом отношении являются неустановившиеся процессы подвижной системы громкоговорителей. Для уменьшения переходных искажений нужно уменьшать выходное сопротивление усилителя.

Микрофонные помехи (микрофонный эффект) — наведение в цепях усилителя мешающего напряжения в результате воздействия на шасси и лампы усилителя механических колебаний в виде звуковых волн, вибраций, ударов и пр.

Фон питающей сети – может присутствовать на выходе усилителя, питаемого от сети переменного тока. Представляет собой переменное напряжение с частотой питающего тока и его гармоник (50, 100, 150, 200 Гц и т. д.), вследствие чего в громкоговорителе бывает слышен фон переменного тока. ГОСТом на радиовещательные приемники от 1956 года, устанавливался уровень напряжения фона на выходе усилителей, который должен был быть меньше наибольшего напряжения полезного сигнала, в 200 раз (46 дб) для приемников 1-го класса, в 70 раз (37 дб) — для приемников 2-го класса и в 20 раз (26 дб) — для приемников 3-го класса.

Источник