Лекція 13.
Тема: Підсилювачі
План
Загальні відомості про підсилювачі та їх класифікація. підсилювачів.
Основні параметри та характеристики підсилювачів.
Принципи побудови підсилювачів.
Загальні відомості про підсилювачі
Джерело живлення (постійно! напруги)
Рис.13.1 Структурна схема підсилювача
Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша від потужності навантаження. У такому разі послідовно з навантаженням вмикають зовнішнє джерело живлення і підсилюючий елемент ПЕ. Джерело сигналу діє не безпосередньо на навантаження, а на вхід ПЕ і, 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.
В якості ПЕ в сучасних підсилювачах зазвичай використовують транзистори (біполярні або польові), рідше - електронні лампи.
Загальна структурна схема підсилювача наведена на рис. 13.1.
Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для посилення потужності електричного сигналу без спотворення його форми і частоти (для лінійного підсилювача).
Вхідний сигнал від керуючого джерела енергії едж(джерела вхідного сигналу) подається на вхідні клеми (1)-(2) підсилювача через внутрішній опір джерела Rдж. Потужність джерела вхідного сигналу виділяється на вхідному опорі підсилювача Rвх. Навантаження підмикається до клем (3)-(4). Вхідний малопотужний сигнал керує енергією, що подається в навантаження від джерела живлення значно більшої потужності (підсилювальні властивості вихідного кола представлені за допомогою додаткової електрорушійної сили - евих). Таким чином, завдяки використанню ПЕ і зовнішнього джерела живлення стає можливим підсилення малопотужного вхідного сигналу.
Підсилювачі класифікуються за такими ознаками:
призначення;
частота сигналу, що підсилюється;
форма сигналу;
характер зміни з часом сигналу, що підсилюється.
Всі 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 всі вони є підсилювачами потужності).
У підсилювача напруги Rдж«Rвх; Rвих«Rні, в результаті, відносно великі зміни напруги на навантаженні забезпечуються при незначних змінах вхідного та вихідного струмів.
У підсилювача струму Rдж» Rвх; Rвих» Rн і протікання струму необхідної величини у вихідному колі відбувається за малих значень напруги у вхідному та вихідному колах.
У підсилювача потужності Rдж= Rвх; Rвих = Rн, за рахунок чого забезпечується максимальна потужність як у вхідному, так і у вихідному колах.
За частотою підсилювачі поділяються на підсилювачі низької частоти (від одного герца до десятків кілогерц), середньої частоти (від десятків кілогерц до мегагерца) та високої частоти (більш за мегагерц).
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 підсилювальним каскадом.
За видом зв'язку між джерелом сигналу та каскадами 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.
2. Основні параметри і характеристики підсилювачів
Підсилювальні властивості підсилювача оцінюються такими характеристиками:
1) коефіцієнт підсилення - для лінійного підсилювача це:
- за напругою Кц = Uвих / Uвх ;
- за струмом Кі = Івих / Івх ;
- за потужністю Кр = Рвих./ Рвх
2) вхідний опір за постійним або змінним (залежно від виду підсилювача) струмом
Rвх = Uвх/ Івх
3) вихідний опір підсилювача Rвих (опір між вихідними клемами підсилювача за вимкненого опору навантаження);
4) коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) η = Рвих / Рзаг , де Рзаг - загальна потужність, що відбирається від джерела живлення.
Найважливішими характеристиками підсилювачів є амплітудна (рис. 13.2.)та аплітудно-частотна.
А
мплітудна характеритика являє собою залежність вихідної напруги від вхідної Uвuх= f (Uвx) . На рисунку позначено: аб - робоча ділянка, на якій пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного:
бв - режим насичення (тут з ростом вхідного сигналу
ріст вихідного припинається - підсилювач виходить з лінійного режиму).
Величина D =Uвх max/ Uвх minназивається динамічним діапазономпідсилювача (Uвх max - Uвх min)- робочий діапазон вхідної напруги
Uвх minUвх max
Рис. 13.2 - Амплітудна характеристика
Uвuх= f (Uвx) підсилювача
3. Принципи побудови підсилювачів
Як правило підсилювачі складаються із декількох каскадів, що виконують послідовне підсилення сигналу. При цьому загальне підсилення становить
К = К1 · К2 · К3 · …. К n.
Вхідні каскади та каскади попереднього підсилення виконуються , як правило, у вигляді підсилювачів напруги.
Вихідні каскади – кінцеві – є підсилювачами потужності або струму.
Підсилювачі відрізняються один від одного кількістю каскадів, режимом роботи.
Рис. 13.3 - Структурна схема підсилювача змінного струму (а) та часові діаграми його вхідного (б) і вихідного (в) сигналів.
Основним елементом підсилювача є ПЕ (біполярний або польовий транзистор), який разом з 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 Uп, як це показано на рис.13.3,в. При цьому для нормальної роботи підсилювача амплітудні значення вихідних напруги та струму повинні бути меншими за постійні рівні напруги та струму Um ≤ Uп ; Im≤ Iп .
Постійний рівень струму та напруги у вихідному колі задається подачею постійного рівня вхідної напруги Uвх.п > Uвх.т; (Івх.п > Івх.т).
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 Uвих. подається на навантаження, яким зазвичай є наступний каскад підсилення.
Лекція 14.
Тема: Каскади попереднього підсилення на біполярних транзисторах
План
Кола зміщення підсилюючих каскадів.
Каскади попереднього підсилення на БТ з СЕ.
Кола зміщення підсилюючих каскадів
Щоб задати режим спокою каскаду, на його вхід необхідно подати певне значення постійної напруги, яка має назву напруги зміщення, а кола, що забезпечують подачу цієї напруги, називаються колами зміщення (робоча точка Р зміщується з положення, що відповідає І6= 0 в положення, обумовлене класом).
Існує два способи завдання початкової напруги: фіксованим струмом або фіксованою напругою.
Перший спосіб реалізується за допомогою двох схем. Одну з них зображено на рис. 14.1 (вважаємо джерело вхідного сигналу умовно закороченим). У цій схемі напруга зміщення задається допоміжним джерелом напруги Езм, яке разом з опором Rб утворює коло зміщення.
а) б)
Рис.14.1-Зміщення допоміжним Рис.14.2- Динамічні характеристики транзистора
джерелом напруги а) вхідна; б) вихідна
Рис.14.3. Зміщення за одного Рис.14.4. Зміщення фіксованою напругою
джерела напруги
Параметри кола зміщення розраховують за допомогою вихідної динамічної характеристики транзистора за постійним струмом, показаної на рис.14.2,6. Клас режиму роботи підсилювача визначає положення точки спокою Р, а отже, значення Іок, Uок, Iоб .
Знайшовши величину Iоб і користуючись вхідною характеристикою транзистора (рис. 14.2,а), визначають Uоб. Після цього знаходять Rб : Rб = (Ек – Uоб ) / Іоб
Схему зміщення фіксованим струмом бази за наявності одного джерела напруги зображено на рис.14.3. Режим спокою забезпечується напругою джерела ЕКі опором RБ: RБ = (ЕК –Uоб )/ІОБ
Спосіб задання зміщення фіксованою напругою реалізується дільником напруги, як показано на рис.14.4.- резистори R1 і R 2 ,.
Для розрахунку параметрів дільника використовуються таки співвідношення:
R1 =(ЕК –Uоб )/ (ІОБ +ід);; R 2= Uоб / ід ; ід =(2-5)Іоб
Остання схема знайшла найширше використання при побудові підсилюючих каскадів.
Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ
Найбільш розповсюджена схема каскаду попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ наведена на рис. 14.5.
Рис. 14.5 - Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ
Розглянемо склад схеми та призначення елементів.
VТІ - біполярний транзистор - підсилюючий елемент.
Rн - навантаження, на якому виділяється підсилений сигнал.
R к - колекторне навантаження транзистора за постійним струмом.
Ек- джерело живлення.
Зазначимо: VТІ разом із Rкі Екутворюють головне коло підсилювача, в якому здійснюється підсилення сигналу. Решта елементів схеми виконують допоміжну роль.
Так, дільник напруги R1,R2 задає режим спокою класу А, подаючи на вхід каскаду постійну напругу Uд.
RЕ, СE - забезпечують температурну стабілізацію режиму спокою.
С 1 , С2 - розділяючи конденсатори: СІвиключає потрапляння постійної напруги Uдна джерело вхідного сигналу; С2; виключає потрапляння постійної напруги на колекторі Uокна навантаження (конденсатори розділяють ланцюги за постійним струмом).
Вхідний сигнал, що підлягає підсиленню, подається на клеми (1 )-(2): елж — джерело вхідного сигналу; R дж- його внутрішній опір.
Навантаження каскаду за змінним струмом Rн = Rн Rк/ (Rн+ Rк)