- •непрерьгоного и импульсного действия
- •Малахов В. П.
- •УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
- •1.4.1. Входные и выходные данные
- •1.4.3. Коэффициент полезного действия
- •1.4.4. Частотная и фазовая характеристики
- •1.4.8. Нелинейные искажения
- •1.4.9. Амплитудная характеристика
- •1.4.10. Режимы работы усилительных элементов
- •ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ
- •2.2.1. Коэффициент усиления
- •2.2.2. Частотные искажения
- •2.2.3. Нелинейные искажения и помехи
- •2.2.4. Входное сопротивление
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
- •3.1.1. Питание цепей коллекторов биполярных транзисторов
- •8.1.2. Цепи смещения в каскадах на биполярных транзисторах
- •3.1.4. Питание цепей стоков полевых транзисторов
- •3.1.5. Цепи смещения и стабилизации режима работы в усилительных каскадах на полевых транзисторах
- •3.2.1. Каскады с непосредственной связью
- •УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ С РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
- •5.2.1. Однотактный трансформаторный каскад
- •5.2.2. Бестрансформаторный однотактный каскад
- •5.3.3. Бестрансформаторные двухтактные каскады
- •УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
- •ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
- •8.6.1. Защита цепей питания
- •8.6.2. Защита входных цепей
- •8.6.3. Защита выходных цепей
- •8.6.4. Компенсация входного тока сдвига
- •8.6.5. Компенсация входного напряжения сдвига
- •8.6.6. Ослабление влияния синфазного сигнала
- •8.6.7. Увеличение входного сопротивления
- •8.6.8. Увеличение выходной мощности
- •8.6.9. Коррекция частотной характеристики
- •9.4.1. Общие сведения
- •ИДЕАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
- •ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИЕ И ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
- •ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ И ОГРАНИЧИТЕЛИ
- •14.3.1. Насыщенный ключ
- •14.3.2. Ненасыщенный ключ
- •14.4.1. Основные определения
- •14.4.2. Применение ограничителей
- •Глава 17 МУЛЬТИВИБРАТОРЫ
- •БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРЫ
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •21.1.1. Классификация триггеров
- •21.1.2. Асинхронный Я&триггер
- •21.1.3. Синхронизируемый RS -триггер
- •21.1.4. Т-триггер
- •21.1.5. Д-триггер
- •21.2.3. Ждущий мультивибратор
- •ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТИРИСТОРАХ
Каскад усиления мощности должен обеспечить подачу в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы.
Выходное устройство передает усиленный сигнал от кас када усиления мощности в нагрузку. Применяется в том случае, когда непосредственное подключение нагрузки к выходу усилителя невозможно или нецелесообразно.
Очень часто между каскадами предварительного уси ления и каскадом усиления мощности включается так на зываемый предоконечный каскад, задача которого состоит в обеспечении нормального функционирования усилителя мощности.
1.4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Сумма сведений, характеризующих основные свойства усилителя, называется его показателями.
К основным техническим показателям относятся: вход ные и выходные данные; коэффициент усиления; коэффи циент полезного действия усилительного устройства; час тотная, фазовая, амплитудная, переходная характеристи ки; различные искажения формы выходного сигнала и т. п. Для различных классов усилителей одни показатели могут иметь основное значение, другие — второстепенное.
1.4.1. Входные и выходные данные
Входными данными усилителя являются: значения на
пряжения UBX и тока / вх на входе усилителя; входная мощ ность сигнала Рвх, при которых усилитель обеспечивает в нагрузке заданное значение напряжения, тока или мощно сти; входное сопротивление усилителя Znx.
Входное сопротивление усилителя в общем случае ком плексно, но входное напряжение, ток и мощность обычно определяются в условиях, когда входное сопротивление мож но считать практически активным и равным Р вх. Источник сигнала, подключаемый ко входу усилителя, характеризу
ется величиной ЭДС 0 Г и внутренним сопротивлением Zr. При практическом использовании усилителей большое зна
чение имеет соотношение величин Zr |
и ZDX. Если Z, |
Znx, |
||||
то 0 ЪХ ^ |
0 Г. Если Zr |
ZBX, то / вх ^ |
/ г. |
Если |
же |
ZQX и |
Zr соизмеримы, то необходимо знать значения |
их |
сопро |
||||
тивлений |
для того, |
чтобы определить, |
какой |
уровень |
сигнала будет действовать непосредственно на входе усили теля.
К выходным данным усилителя относятся: мощность Явы,, отдаваемая усилителем в нагрузку; значения выход
ного напряжения t/Bb,x и тока / Вых', выходное сопротивление усилителя ZBbIx. Выходное сопротивление усилителя в об щем случае комплексно, но выходное напряжение, ток и мощность также обычно определяются в условиях, при ко торых выходное сопротивление можно считать практически активным и равным ЯВыхСопротивление нагрузки усили теля в общем случае обозначается ZH. Для практического использования усилителей большое значение имеет соот ношение величин ZBblx и ZH, аналогичное соотношению ве личин Zr и ZBXво входной цепи. Очевидно, если Z„ ^ ZBb,x, то в выходной цепи обеспечивается режим усиления напря жения, а при ZH<£ ZBbIX— режим усиления тока.
1.4.2. Коэффициент усиления
Коэффициент усиления является одним из основных по казателей усилителя. В зависимости от целевого назначе ния усилителя различают коэффициенты усиления мощно сти, напряжения и тока. Коэффициент усиления мощности Кр показывает, во сколько раз мощность Р ВЬ1Х, отдаваемая
усилителем в нагрузку, больше мощности Р вх, подводимой
р
к его входу Кр = -ьых • *вх
Коэффициент усиления напряжения, называемый обыч
но просто коэффициентом усиления усилителя К, представ ляет собой отношение установившегося значения напряже ния сигнала на выходе к напряжению сигнала на входе уси
лителя К =
"в* Коэффициент усиления тока — это отношение устано
вившегося значения тока на выходе к току сигнала на вхо
де усилителя К/ = 1вых . ^ВХ
Коэффициенты усиления напряжения и тока являются величинами комплексными, так как из-за наличия в схеме усилителя и нагрузки реактивных составляющих сопротив ления выходные напряжения и ток сдвигаются по фазе от носительно входных. Определим значения модуля и аргу-
А
мента для коэффициента усиления напряжения
II |
р^вых |
п |
к = -> -ы-х?—-----= |
е(Фвых_<Рвк)/, или К = Ке*, |
|
</.хлУФвх |
и вхт |
где К = -■^/ЫХСТ-----модуль коэффициента усиления; <р =
иъ\т
=фвых — фвх — угол сдвига фаз между выходным и вход
ным напряжением.
Коэффициент усиления современного усилителя может быть очень большим и в безразмерных единицах будет вы ражаться довольно громоздким числом. Поэтому часто поль зуются коэффициентом усиления, выраженным в логариф мических единицах — децибелах (дБ).
Единицей логарифмической шкалы является децибел — десятая часть десятичного логарифма отношения мощностей на выходе и на входе усилителя, то есть К р<дб>= Ю lg Кр. Так как мощность Р пропорциональна U2 или / 2, то для ко эффициентов усиления напряжения или тока формулы для перевода относительных величин в логарифмические имеют вид
К(ДБ = 20 lg К; К/(дБ> = 20 lg К/.
Полезно помнить, что удвоение коэффициента усиления К означает увеличение этого показателя в децибелах К<дн» на 6 дБ, а увеличение К в 10 раз — увеличение К(дб> на
20дБ.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя ра
вен произведению коэффициентов усиления отдельных кас кадов К = KiKjke.-.K».
|
Коэффициент такого усилителя, выраженный в деци |
||
белах, определяется выражением Кдб = |
К.1Дб + КгдБ + |
||
+ |
КздБ + |
+ КпдБ. |
|
|
Фазовые сдвиги, обусловленные отдельными каскадами |
||
многокаскадного усилителя, суммируются |
ф = Ф1 + Фг + |
||
+ |
Фз + |
+ фя- |
|
1.4.3. Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (к. п. д.) л является важным показателем экономичности работы усилительного устройства, определяется, в первую очередь, для усилите лей средней и большой мощности и представляет собой
отношение выходной мощности сигнала Р Вых> отдаваемой уси
лителем в нагрузку, к общей мощности P0t |
потребляемой |
|
' |
р |
|
усилителем от всех источников питания т) = |
Го |
100 %. |
1.4.4. Частотная и фазовая характеристики
Модуль и аргумент коэффициента усиления зависят как от величины параметров схемы усилителя, так и от частоты усиливаемого сигнала. Эту зависимость удобно представ лять двумя характеристиками — частотной и фазовой.
Частотной характеристикой называется зависимость модуля коэффициента усиления К усилителя от частоты входного сигнала / (либо со = 2л;/).
Примерный вид частотной характеристики изображен на рис. 1.2, а. Для оси абсцисс обычно используют логарифми ческий масштаб. Это вызвано тем, что частотный диапазон современных усилителей очень велик и, если частоту от ложить в линейном масштабе, то такая характеристика бу
дет неудобна для пользования, так как все нижние частоты будут сжаты у начала координат, а область верхних ча стот окажется слишком растянутой. Для оси ординат обыч но используют линейный масштаб, при этом коэффициент усиления может быть отложен как в относительных едини цах, так и в децибелах.
Как видно из рис. 1.2, а, при изменении частоты входно го сигнала от нуля до бесконечности модуль коэффициента усиления вначале возрастает, достигая постепенно на не которой частоте максимальной величины К0, а затем вновь уменьшается. Частоты сон и сов называются нижней и верх ней граничными частотами. Это частоты, на которых мо дуль коэффициента усиления усилителя уменьшается до допустимой (заданной) величины относительно К0. Полоса частот в пределах от сон до о в называется рабочей полосой частот или полосой пропускания усилителя. Рабочая поло са условно разбивается на три диапазона — область сред них частот, в пределах которой модуль коэффициента уси ления мало отличается от величины К0> и области нижних и верхних частот, где модуль коэффициента усиления существенно меняется с изменением частоты входного сигнала.
Фазовой характеристикой называют зависимость фа зового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты входного сигнала. Типичный вид фазовой харак теристики показан на рис. 1.2, б. По оси абсцисс отклады ваются значения частоты входного сигнала в линейном мас штабе, а по оси ординат —-аргумент ср комплексного ко эффициента усиления усилителя (в градусах или радианах) в линейном масштабе.
На частотах, равных нулю и стремящихся к бесконеч ности, создаются конечные фазовые сдвиги, так как усили тель имеет в схеме конечное число реактивных элементов. В области средних частот рабочей полосы усилителя фазо вые сдвиги, как правило, незначительны; в области нижних и верхних частот фазовые сдвиги возрастают. Применение при построении фазовой характеристики линейного масштаба часто вынуждает строить фазовую характеристику отдель но для области нижних частот (диапазон частот от нуля до нижней границы области средних частот) и области верх них частот (диапазон от верхней границы средних частот до верхних частот). При этом в каждой части фазовой ха рактеристики для оси абсцисс применяется свой линей ный масштаб.
Под искажением в усилителях понимают изменение фор мы выходного сигнала относительно входного в процессе усиления (исключая изменение масштаба, то есть уровня выходного сигнала). Искажения, проявляющиеся при уси лении сигналов низкого уровня и вызванные влиянием только реактивных элементов схемы, называются линей ными. К ним относятся частотные, фазовые и переходные ис кажения.
Если все гармонические составляющие входного сигна ла сложной формы усиливаются усилителем в одинаковой мере, то на выходе усилителя будет получен усиленный сиг нал той же формы, что и входной. Если же в соответствии с частотной характеристикой различные составляющие слож ного входного сигнала усиливаются неодинаково, то вы ходной сигнал будет отличаться по форме от входного, то есть в схеме возникнут искажения. Искажения выходно го сигнала такого рода называются частотными.
Мерой частотных искажений, вносимых усилителем, яв ляется коэффициент частотных искажений М, представ ляющий собой отношение модуля коэффициента усиления К0 на частоте а)0 к модулю коэффициента усиления К на данной частоте
( и )
В многокаскадном усилителе коэффициент частотных ис кажений на данной частоте определяется как произведение коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов
М = М г |
М2 |
М3 ...М п. |
выраженные в децибелах, опре |
Частотные |
искажения, |
||
деляются |
как |
М^в) = 2 0 |
lg М = 20 lg -^г- |
В зависимости от величины допустимых частотных иска жений на частотах сон и сов, полоса пропускания одного и того же усилителя может быть различной. На практике в усилителях низкой частоты принято считать допустимым уменьшение коэффициента усиления мощности на границах рабочей полосы частот в два раза, что соответствует сниже нию коэффициентов усиления напряжения и тока на гра
ничных частотах до уровня — = 0,707 от значения Ко (что
составляет изменение на 3 дБ от Ко(дБ)).
Фазовые искажения возникают в усилителях по тем же причинам, что и частотные, то есть обусловлены наличием в схеме усилителя реактивных элементов. Следует отметить, что в усилительных каскадах создается, как правило, по стоянный фазовый сдвиг на (—180°), не зависящий от час тоты входного сигнала и обусловленный схемой включения усилительного элемента. Поэтому при построении фазовой характеристики и определении фазовых искажений посто янный фазовый сдвиг, создаваемый усилительными элемен
тами, |
не учитывается. |
сигнал, |
состоящий из |
Рассмотрим сложный входной |
|||
|
|
п |
|
ряда |
гармонических составляющих |
ивх = £ |
Utm sin (icoi + |
-b ф*). Если частотные искажения в схеме отсутствуют, то модуль коэффициента усиления К для всех частот одина ков. Допустим, что дополнительный фазовый сдвиг каждой гармоники пропорционален ее частоте ф( = ш /,. Тогда вы ходной сигнал, равный
П |
|
|
«вых = К X |
Uш sin (Ш + |
-f ф,) =» |
П |
|
|
“ К |
Uimsin [ico (/ |
+ ФЛ» |
i=1 |
|
|
будет отличаться от входного только масштабом и будет за паздывать по отношению к последнему на время tv
Таким образом, если в процессе усиления каждая гар моника сложного входного сигнала испытывает фазовый сдвиг, пропорциональный ее частоте, то фазовые искаже ния в усилителе отсутствуют. Идеальная фазовая характе ристика для такого случая представлена на рис. 1.2, б штриховой линией.
Влияние фазовых искажений на форму выходного сиг нала поясняют графики на рис. 1.3.
Допустим, что входной сигнал состоит из двух гармо ник — первой и третьей. На рис. 1.3, а эти гармоники пока заны пунктиром. Если при прохождении через усилитель обе гармоники сдвинутся на один и тот же угол, например на 90°, то, как показано на рис. 1.3, б, произойдет искаже ние выходного сигнала. Если же основная гармоника сдви нется на 90й, а третья — на 270°, то выходной сигнал, как следует из рис. 1.3, в, не отличается по форме от входного,
а будет лишь запаздывать по отношению к последнему на время tx.
Оценивают фазовые искажения не конечным значением фазовых сдвигов на данной частоте, а величиной отклоне ния Дф реальной фазовой характеристики от идеальной.
В усилителях звуковых частот величина фазовых искаже ний не ограничивается, потому что человек не воспринимает на слух изменение фазовых соотношений между гармони ками сложного сигнала.
В видеоусилителях фазовые искажения отражаются на качестве и форме изображения, поэтому их нужно ограни чивать техническими условиями.
1.4.7. Переходные процессы
Линейные искажения импульсных сигналов обусловле ны переходными процессами установления токов и напря жений в цепях усилителя, содержащих реактивные сопро тивления. Эти искажения, называемые переходными, оце ниваются по переходной характеристике усилителя.
Переходной характеристикой называется временная за висимость изменения выходного напряжения (тока) при скачкообразном изменении входного напряжения (тока). Переходные искажения делят на искажения, связанные с нарастанием импульса (так называемые искажения фронтов) и на искажения вершины импульса.
На рис. 1.4 показана типичная форма выходного импуль са при воздействии на входную цепь усилителя идеального
прямоугольного |
импульса. |
определяют |
— вре |
По переходной характеристике |
|||
мя установления |
фронта, коюрое |
определяется |
временем |