Обновления:

Популярное:
Какими будут самолеты



Причина ТехПрорывова



Преимущества бизнес-авиации



Навигационные системы



Советы для путешественников с собакой
Главная » Электрика » Типы электронных усилителей

1 2 3 4 ... 44

Типы электронных усилителей

К электронным усалите. относятся устройства, в которых ф-цию усиления электрических сигналов выполняют полупроводниковые приборы или электронные лампы. Из полупроводниковых усилитель-иых приборов наиболее распространены

Усилитель /

К


Рис. 1-1 Обозначение напряжений, токов н сопротивлений во входной н выходной цепях усилителя

биполярные транзисторы. В последнее время расширяется применение в усилителях полевых транзисторов и интегральных микросхем Различают ламповые и полупроводниковые усилители, причем последние подразделяются на усилители с биполярными и полевыми транзисторами (употребляется также смешанное применение биполярных и полевых транзисторов) и с Микросхемами Для решения узких задач усилительной техники применяются другие типы усилительных приборов: фотоэлектронные умножители, туннельные диоды и др. Усилительные устройства с такими приборами здесь ке рассматриваются.

Апериодическими усилителями называются усилительные устройства с почти монотонной (апериодической) переходной характеристикой и без явно выраженной частотной селекции сигналов, которая служит отличительным признаком другого класса усилительных устройств - частотно-избирательных усилителей (резонавсных, полосовых).

В общем случае необходимость применения усилителя (рис. 1-1) возникает при условии, что номинальная мощность источника сигнала (максимальная мощность, которую он может отдать)

Рг.вом -

(1-1)

недостаточна для нормального функционирования исполнительного усюйства. Поэтому любой усилитель по существу является усилителем мош,ности, и медной усиления может служить коэффицив№ усиления по номинальной мощности, т. е. отношение номинальной мощности на выходе усилителя к команадьнсй мощности источника сигнала:

4 г

El вых

(1-2)

Однако часто существуют дополнительные требования к отношению сопротивлений RnJRi и RvlRaux, которые не позволяют получать высокий к. п. д. источника сигнала или выходной цепи усилителя, причем вопрос о номинальных мощностях оказывается вторичным и зачастую не нуждается в рассмотрении. В инженерной практике усилителями мощности называют такие, у которых важно обеспечить высокий к. п. д. выходной цепи При этом основной характеристикой усилителя считается выходная (отдаваемая в нагрузку) мощность:

PBHX = Lx/ a.

(1-3)

Обычный каскад с одним усилительным прибором (однотактная схема) не может обеспечить к. п. д. более 50%. На практике многие типы усилительных приборов, в особенности электронных ламп, не позволиют приблизиться и к этому значению. В тех случаях, когда выходная мощность относительно велика и экономичность усилителя оказывается важным требованием, широко примениются двухтактные схемы, основанные на симметричной противофазной работе двух усилительных приборов. В двухтактных схемах иариду с режимом класса А, когда каждое илечо усиливает и положительную, и отрицательную полуВолйу сигнала, возможен режим класса В, отличающийся воочередиой работой двух плеч: одного для усилении положительных полуволи, другого - отрицательных. В последнем случае к. п. д. может достигать 70-75%.

Усилители, работающие при условиях, далеких от режима высокого к. п. д. выходной цепи, причем напряжения или токи усиливаемых сигналов оказываются значительно меньше питающих усилительнай прибор постоянных напряжений и ттсов, называются малосигнальными. Основной характеристикой таких усилителей является коэффициент усилении по напряжетию

% = вых/вх. а-4)

Этот коэффициент особенно удобен для описания свойств усилителей, когда Я 1> >Лг и Ram<.RB, поскольку и источник сигнала, и выходная цепь усилителя работают при этом в режимах, близких к холостому ходу, и величина Ки перестает существенно зависеть от конкретных значений внешних по отношению к усилителю элементов Rr и Rb- Малосигнальные усилители, работающие в таком режиме, называют усилителями напряжения.

В некоторых случаях специфические особенности источника сигнала и исполия-теж>ного устройства заставляют выполнять о^тхыв условия: ЯмЩ^Иш и Яшш>Яж,



При которых всточних сигнала и выходная аепь усилителя оказываются в режимах, близких к короткому замыканию. При этом перестает существенно зависеть от конкретных зиаченнй сопротивлений Rr и Rn отношение токов сигнала в выходной и входной цепях усялители. Уснлители, работающие в таком режиме, называют усилителями тока, и основвой их характеристикой считается к( ффганевт усиления по току:

1 шям'

(1-5)

Часто требуется иметь достаточно большое усиление, которое не удается по-дуч тъ при помощи элементарного усилн-тедьвого каскада с одним усилительным орвборои. Поэтому распространены лшого-каскадные усилители, представляюшле собой цепочку следующих друг за другом элементарных каскадов, причем результирующий коэффициент усиления по напряжению (1-4) или ио току (1-5) равен произведению соответствующих коэффициентов усиления каскадов. Отдельные каскады мвогокаскадных усилителей могут быть различного типа, например оконечный - усилителем мощности, а предшествующие- малосигнальнымн усилителимн напряжения.

В общем случае к любому усилителю предъявляется требование неиска жениого (с ограничеяными допустимыми искажениями) усиления электрических сигналов. В соответствии с характером изменений напряжения (тока), которые должны воспроизводиться после усиления в цепи нагрузки, различают два основных класса усилителей: усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока обеспечивают усиление сколь угодно медленных изменений входного напряжении (тока), для чего в сигнальных целях таких усилителей не применяют разделительные конденсаторы и трансформаторные сиязи.

В аналоговых вычислительных устройствах и в устройствах автоматики широко применяется особая разновидность усилителей постоянного тока, отличающихся очень большим отношением входного сопротивлении к выходному н высоиим коэф-фицкеитом усиления, - операционные усилители, на основе которых с высокой точ-ностыо реализуются разнообразные математические onepaiWH над электрическими сигналами.

Усимегели переменных токов предназначаются для усиления колебаний, частота которых превышает некоторое нижнее граничное значение f >0. При этом широко применяют реактивные элементы связи, об-легчаюндае построеш1е многокаскадных усилителей.

Среян усилителей переменных токов в зависимости от формы усиливаемых сигналов и требований К сохранению тех или иных характеристик сигналов выделяют несколько их разновндн<>стей. В системах автоматики, теяеиехааики и в измеритеяьвой

технике иаХоДят применение усилители синусоидальных колебаний фиксироваикой частоты. Зачастую к таким усилителям предъявляетси только одно требование - прямой пропорциональности переменного напряжения в цепи нагрузки входному напряжению. Такие усилители называются усилителями среднего значения. Значительно чаще от усилителей требуют одинакового коэффициента усиления при подаче на вход синусоидальных колебаний любой частоты в пределах некоторой полосы частот от fe до /в. Если полоса частот Д/=/в-fa достаточно широка и приходится принимать особые меры для достижении постоянства коэффициента усиления, то усилитель называют широкополосным. Постоянство коэффициента усиления в необходимой полосе частот не гарантирует сохранения формы сложного колебании, которая может искажаться из-за нелияейной зависимости фазовых сдвигов от частоты гармонических составляющих. Такие искажении предотвращаются применением специальных корректирующих цепей в видеоусилителях, которые используются в осциллографии, телевн-зиояной технике. Разновидностью видеоусилителей являются импульсные усилители, предназначенные для усиления только импульсных сигналов (в радиолокационной технике, ядерной физике и др.).

При необходимости усиления особо слабых сигналов могут требоваться Малощумя-щие усилители, в которых принимаются специальные меры для снижении уровня собственных Шумов, способных завуалировать усиливаемый сигнал.

В измерительной технике и в ряде других случаев при необходимости усилить сигнал от источй(нка. не имеющего заземленного полюса, Прнменяютси дифференциальные усилители, выходной сигнал которых пропорционален разности потенциалов на двух его входах.

Передвточиая функция

Передаточиой ф-цией усилителя называется отношение преобразований Лаиласа отклика y{t) и входной переменной x(t) при нулевых начальных условиях:

(1-6)

в зависимости от удобств предстанле-ння конкретного урилителя в качестве отклика ffit) может выбираться напрнжение авы1(0. ток 1вых(0 или э. д. с. e,Hi(0- Независимо от этого выбора в качестве входной переменной можно принять напряжение Unit), ток i*zii) или э. д. с источника сигнала втО). Щя этом наряду с jSespaatfep-ными передатотными ф-циями

Ки (Р) =

{/вых (Р) UbxiP)

{1-7)



К, (Р) =

Кр (р) =

вых(Р) . вых (Р)

(1-8)

(1-9)

cvmecTBXTOT передаточные ф-цни с размерностью проводнмостн (крутизны усиления), например

Vbx (Р)

(1-10)

и с размерностью сопротивления, например

Z(p) =

вых (Р) /вх (Р)

(1-11)

Наибольшее применение находит передаточная ф-ция вида (1-7), характеризующая усиление по напряжению. При известных комплексных сопротивлениях источника сигнала 2г(/а)), нагрузки 2н(/а)), входного 2вх(/со) и выходного 2вых(/а)) сопро-тнвлеинй усилителя возможен однозначный переход от одного вида передаточной ф-ции к любому другому, например

иг (п^ к- ,.л 1+-гвык(Р)/2н(р) Ке (р) = Kv(p) , , , , , . . (1-12) 1 -fZr (p)/Zbx (Р)

где изображения 2вг(р), 2выг(р), 2г(р), 2н(р) получаются из выражений 2в1с(/ш), ZsvL%{i&), Zt{I(o), Zh(/ib) простой заменой аргумента /и на комплексную переменную р

Заменой переменной р на мнимую частоту ](о передаточная ф-ция переводится в частотную форму, причем из (1-7) получаем выражение комплексного коэффициента силеиня

кащ = 1К(р)\р^1. (1-13)

Приводя это выражение к виду произведения модуля на фазовый множитель

(1-14)

находят амплитудно-частотную характеристику К{(о) и фазочастотную характеристику ф(ш) усилителя.

Обратно, если в результате анализа >силнтельиой схемы найдено выражение комплексного коэффициента усиления КЦы), то передаточная ф-ция получается путем замены аргумента /ш комплексной переменной р

Частотные характеристики

(1-15)

Амп tuTydHo-частотная Характеристика К{(о) представтяет собой зависимость коэффициента усиления от чартОтУ. Для усилителей постоянного тока она имеет такой же вид, как у фильтра нижних частот (рис. 1-2, а), а для усилителей переменного тока-как у полосового фильтра (рис. 1-2,6). Соответственно вводятся представ-

ления о граничных частотах усиления (нижней f и верхней fs), на которых усиление снижается до определенного уровня:

К Ш = 1(оШи.

(1-16)

где /Со - коэффициент усиления на частоте с нулевым фазовым сдвигом, а Ми и Мв - коэффициенты частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах. В за-

К


и

Рнс 1-2 Амплитудно-частотные характеристики усилителя.

Рис 1-3 Фазочастотные характеристики а -идеальная, б -реальная

висимости от предъявляемых к усилителю требований значения Мв и Мв выбираются в пределах от 1,1 до 3-5 Если величины Мн и Мв не оговариваются, то обычно предполагают Мн = Мв=> 2=1,41 (снижение усиления на 3 дБ).

У корректирующих усилителей, предназначенных для исправления амплитудно-частотных искажений других звеньев тракта или для подчеркивания и ослабления определенных составляющих усиливаемого сигнала, заранее предусматривают неравномерную амплитудно-частотную характеристику (например, рИс 1-2, в) или возможность ее регулирования (рис 1 -2, г) При этом граничные частоты fs н /в должны характеризовать область частот, в пределах которой отклонения реальной характеристики от заданной не превышают определенной величины (например, 3 дБ).

Для видеоусилителей не менее важной является фазочастотная характеристика ф((о), описывающая зависимость сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты Для сохранения формы сложных колебаний



не обязательно требовать иреиебрежимо малые фазовые сдвига во всей полосе усиливаемых частот. Необходимым условием является линейная зависимость фазового сдвига от частоты, т. к. при этом все гармонические составляющие претерпевают одинаковую временную задержку, причем выходной сигнал лишь сдвигается во времени относительно входного. Такое условие выполняется в том случае, если фазочас-тотная характеристика линейна (рис. 1-3,


Рис 1 4 Амплитудно-фазовая характеристика.

кривая а) Однако у физически реализуемых систем линейная фазочастотвая характеристика не совместима с идеальной (плоской) амплитудно-частотной и на практике линейную форму имеет лишь ограниченный ее участок (рис. 1-3, кривая б). Под фазовыми искажениями принято понимать отилонеине фазочастотиой характеристики от линейной в заданной полосе частот.

Сведения, содержащиеся в амплитудно-частотной и фазбчастотной характеристиках, сочетает в себе амплитудно-фазовая характеристика (рис. 1-4), представляющая собой годограф вектора коэффициента усиления KUa>) и комплексной плоскости при изменении частоты ш от нуля до бесконечности Длина радиус-вектора этой характеристики указынает величину модуля коэффициента усиления /С(О)), а угол, образуемый вектором с положительным направлением вещественной оси, - аргумент ф (ш) . Для установления значений модуля и аргумента коэффициента усиления на разных частотах на амплитудно-фазовой характеристике отмечают ряд точек, соответствующих определенным частотам.

Временные характеристики

Наряду с частотными характеристика-ня, опирающимися иа метод гармонического ашпза, для определения искажений формы сложного колебания применяются пере-хожные характеристики, иллюстрирующие форму шагадного напряжения или тока при аозхжтю ва вход усилители скачка напряжения (едщиичной ступенчатой ф-ции) нлв очень короткого импульса (6-функции). В первом случае (рис. 1-5, а, б) форму от-ка называют переходной характеристи-

кой усилителя h(t), во втором (рис. 1-5,в)-импульсной переходной характеристикой, или весовой функцией g{t).

Эти характеристики однозначно связаны с частотными и также могут быть найдены по передаточной ф-ции. Так, весовая ф-ция является оригиналом передаточиой ф-ции К(р). Переходная характеристика h(t) является интегралом от весовой ф-ции

h(t)jg(t-x)dx (1-17)

и соответствует оригиналу передаточной ф-ции, поделенной на р.

д


\9(t)



Рис 1-5 Временнйе характеристики, переходные в области малых (а) и больших (б) времен, импульсная (в) и искажения прямоугольного импульса (г).

По весовой ф-цни можно определить выходной сигнал усилителя при произвольном входнол сигнале bi(0 с помощью интеграла свертки:

вь,х (О = f g ( - -f) вх (т) dT. (1 -18) О

Переходная характеристика hit) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания tg, длительность фронта и время спада to. При повышении верхней граничной частоты f, усилителя уменьшаются искажения в области малых времен (сокращаются времена ta и t), а при понижении нижней граничной частоты /н - в области больших времен (уменьшается спад вершины, т. е. возрастает время to) У усилителей постоянного тока (/в = 0) переходная характеристика не обнаруживает спада вершины (/c = < ).

Применяются различные критерии отсчета времен ta, tф, 4. В импульсной тех-



ияке время запаздывания is обычно отсчитывают до момента, пока выходной сигнал не достигает 0,5 своего максимального значения, длительность фронта - между уровнями 0,1-0,9, а вместо времени спада te вводят относительный спад вершины Д (рис. 1-5, г) в процентах при оговариваемой длительности импульса Г . Для усилителей с немонотонной переходной характеристикой указывается также максимальный выброс 6 в процентах. В других случаях, в частности в теории т()анзисторов, отсчет времени ts производится на уровне 0,1. Наконец, при условии, что переходная характеристика хорошо аппроксимируется экспонентами, вместо времен <ф и h указывают соответствующие этим экспонентам постоянные врекет Тф и Тс, а время ts отсчитывают до момента начала экспоненты, описывающей нарастание (рнс. 1-5, а).

Уровень усиливаемых сигналов, амплитудная характеристика, нелинейные искажения

В наиболее общем виде уровень электрического сигнала описываетси его мощностью. При фиксированных значениях входного сопротивления усилителя Rbt и сопротивления нагрузки Rb с мощностями однозначно свизаны напряжения н токи входного и выходного сигналов.

Сопоставление уровней сигналов на входе и выходе усилителя в децибелах корректно при использовании коэффициента усиления по мощности:

= 101g/Cp= lOlg- , (1-19)

а перевод в децибелы коэффициента усиления по напряжению или по току - при учете соотношений сопротивлений Rn и Rut

P(AB)=20!g/C£, + 101g-§5.

= 20IgAr, + 10Ig-~ . (1-20) Rbx

Ссотиошеиия (1-20) естественно вытекают из (1-19) при подстановке выражений для мощностей в нагрузке

и на входе усилителя

x = Bx/?BX = 4 Bx.

Только прн равенстве сопротивлений /?н= =/?,!, выполняемом в некоторых видах аппаратуры (студийной, трансляционной, дальней связи), второй член (1-20) обращается в н>ль и тогда

20lg/<-y = 201g/C,-raig/Cp. (1-21)

Прн достаточно низких уровнях вход-ного сигнала усилители обладают свойства-

ми линейной электрической цепи и амплитуда выходного напряжении примо пропорциональна амплитуде входного иапряже-иия, т. е. коэффициент усиления ие зависит от величины сигнала. В связи с наличием нелинейных свойств у всех усилительных приборов по мере увеличения входного сигнала прямая пропорциональность между амплитудами входного и выходного напряжений нарушается, коэффициент усилении начинает зависеть от величины усиливаемого сигнала. Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжении (тока)


Рнс. 1-6. Нелинейные искажения. Лыплитудвая характеристика (о) и зависимости коэффициента нелинейных искажений от выходной мощноств (б).

ОТ амплитуды входного напряжения (тока) при синусоидальной форме входного сигнала называется амплитудной характеристикой (рнс. 1-6, а).

Во многих случаях амплитудная характеристика оказывается слишком грубым средством описания иелияейиости усилители н вводится Представление о коэффициентах нелинейных искажений, зависящих от уровня сигнала.

Коэффициент нелинейных (гармонических) искажений - это выраженное в процентах отношение суммарного уровня высших гармовик к уровню основного колебания на выходе усилителя при воздействии на вход усилителя одного чисто синусоидального сигнала:

1/ I/

(1-22)

где - мощность; At - амплитуда i-й гармоники.

В зависимости от схемы и режима работы усилителя в выходном сигнале могут преобладать четные (i=2, 4 ...) или нечетные (t=3,5...) гармоники, но так или иначе в среднем с увеличением номера амплитуда гармоник убывает. Поэтому часто ограничиваются учетом наиболее значимых первых двух-трех высших гармоник. Наряду с общим коэффициентом иелниейных искажений рассматривают частичные коэффициенты второй, третьей и т. д. гармоник:

100-4 , 1 = 2,3..., (1-23) Ai



причем общий коэффициент нелинейных искажений

£=2

(1-24)

При повышении уровня усиливаемого сигнала коэффициенты нелинейных искажений возрастают (рис. 1-6,6), но в некоторых случаях эта зависимость может быть немонотонной (штриховая линия иа рис. 1-6,6),

\ I I

£ г с с с

Гармонини^ частоты ц

Рис. 1-7. Интёрнодулйциоввые искажения. Спектры входного и выходного снгналоа ярн иаличвв автермодудяцвоваых нскаженяй.

При подаче иа вход усилителя нескольких синусоидальных колебаний различных частот /ь /г, /з..., что равноценно воздействию колебания сложной формы, нелиней-вость усилителя приводит к появлению в ныходиом сигнале колебаний отсутствовавших во входном сигнале комбинационных частот типа mfidznfj. 1Ф1, т=1, 2, 3..., л=1, 2, 3... Такие колебания при воспроизведении звука ощущаются сильнее, чем нелинейные исиаження, и в высококачественной усилительной аппаратуре их уровень лимитируется допустимым значением коэффициента интермодуляционных искажений. Последний принято определять при воздействии на вход усилители только двух чиста синусоидальных колебаний различных частот и и /а (обычно U выбирается в рай-ове нижних усиливаемых частот, а /г в рай-ове высших, так что f2>fi). Обусловлива-eicB также отношение амплитуд обоих жоаебаиий, например А\:Аг=4. При этом ктермодулнциониые искажения проявля-в форме амплитудной модуляции бо-ысокочастотного колебания основной я гармониками низкочастотного (рис. 1-7), т. е. возникают ионные колебания с частотами frfu 2> 3 .... являющимися боко-

яннш VBcnmtMH высокочастотного колеба-

Кяяффяцвентом нвтермодуляцнониых называют выраженное в пропен-суммарвого уровни колеба-

ний боковых частот к уровню высокочастотного колебания иа выходе усилителя:

/См = 100

2 {\+nf,+Afnff

Шум и фои

(1-26)

В отсутствие входного сигнала можно обнаружить на выходе усилителя напряжение шума. В усилителях звуковой частоты, питаемых от сети переменного тока, этот шум зачастую представляет собой пульсации с частотой напряжения сети f о и ее гармоник (2f о, 3fо ...) - так называемый фон переменного тока. Уровень фона определяют отношением его эффективного напряжения иа выходе усилителя к эффективному напряжению выходного сигнала при максимальном уровне:

/Сф = 1/ф/£/снакв (1-26)

и выражают либо в процентах (100 Кф)>, либо отрицательным числом децибел

Если приняты меры, предотвращающие появление фона, например, при питаини усилителей от батарей, выходной шум могут создавать электрические флуктуация, обусловленные шумами усилительных приборов и других компонентов усилителя (собственный шум усилителя), а также усиленный шум внутреннего сопротивления источника сигнала. Для опенки шумовых свойств различных усилителей предполагают, что шум внутреннего сопротивления Rr источника сигнала имеет тепловое происхождение и описывается ф-лой Найквиста:

(1-27)

где * - постоянная Больцмаиа (1,38Х Х10- Д,жГС); Го - абсолютная температура; Д/ - эффективная полоса усиливаемых частот

lK{f)]df, (1-28)

где (П - амплитудно-частотнан характеристика коэ(ффициента усилении, Ко - ето номинальное ЗйЗчение. Номинальная мощность теплового шума источника сигнала составляет:

4.Г

= kTo&f (1-29)

и не зависит от величины его внутреннего сопротивления Rr. Отношейне входных мощностей сигнала и шума иа входе усилителя равно отношению номинальных мощностей сигнала и шума источника



(1-30)

я не зависит от входного сспротивлення уснлптеля (предполагается, что входное сопротивление в рассматриваемой полосе частот не создает эффектов нзбнрательнсстн) Влияние собственного шума усилителя \дсбнс описывать коэффициентом шума F, который показывает, во сколько раз стно шение моздисстей сигнала н шума на выходе усилителя меньше этого же отношения на входе-

р Рс вх/Рш вх Рг ноч Рщ вых

Рсвых/Ршвых Рс.вых f ш г ном

1 Рщ.вых П-ЧП

-KpnoukToAf где Хянпм=Ро вых/Рг вом - коэффициент усиления по номинальной мощности Коэффициент шума усилителя (1-31) не зависит от выбора конкретного значения (собственным шумом сопротивления Rn пренебрегаем) Что же касается внутренне го сопротивления источника сигнала Rr, тс, хотя мощность теплового шума, генерируемого им (1-29), от него не зависит, значение Rt влияет на ту пропорцию, в которой смешиваются собственный шум усилителя с шумом источника, а также влияет на значение Рш.вых и соответственно на коэффициент шума F.

Коэффициент шума выражают в относительных единицах, как он непосредственно вычисляется по ф-ле (1-31), или в децибе-lax (lOlgf).

У идеального нешумящегс усилителя шум на выходе появляется лишь вследствие усиления шума источника сигнала. При этом Рш вых=/СрвомЙ7 оД/ и согласно (1-31) fHfl= 1, т е О дБ.

Для усилителей напряжения часто применяют другой шумовой параметр - э/сам-валетное шумовое сопротивление Rm.n Эта величина определяется по ф-ле Найквиста через приведенное ко входу напряжение

э собственного шума усилителя;

(1-32)

4йГ Af

н в опичие от коэффициента шума не зависит от сопротивления источника сигнала Рг

При нормальной температуре (Го 300 К) ф-лы (1-27) и (1-32) приводятся к удобным для практических расчетов

1 4, =Ki?rAft

64 ,

где /?г и 1 - в килоомах, df;-в кшк>-герцах, вш г и иш,э - в мнкроводьтаж.

Для усилителен тока иногда пользуются представлением об эквивалентном токе шумящего насыщенного диода Дробовой шум электронного потока в насыщенном вакуумном дноде выражается ф-лсй Шот-тки

(1-33)

где q - заряд электрона, /о - ток насыщения

Таким образом, приведенный ко входу шумовой ток /ша усилнтеля может быть представлен прн помощи эквивалентного тока насыщения диода как

2gAf

(1-34)

Динамический диапазон

Для обеспечения определенного качества уснленнсгс сигнала приходится задавать, с одной стороны, минимально допустимое отношение сигнал/шум или сигнал/фон, ограничивающее минимальный уровень усиливаемых сигналов, а с другой, максимально допустимую нелинейность усилителя, что ограничивает наибольший уровень усиливаемых сигналов Отношение максимального сигнала к минимальному (в любой, но одной и той же тсчне усилителя, например, на выходе) прн определенных критериях качества выходного сигнала называется динамическим диапазоном усилителя Динамический диапазон D, дБ,

D= 201g = 201g-

= 101g

(1-35)

Минимальный уровень входного сигнала прн заданном стнсшеннн сигнал/шум на выходе называется реальной чувствительностью Уровень максимального входного сигнала, соответствующий заданной норме на коэффициент нелинейных искажений, иногда называют номинальной чувствительностью. В радиовещании и некоторых областях техники связи номинальным выходным уровнем сигнала считается уровень, соответствующий 0,1 максимальной выходной мощности или, что практически тс же самое, 0,3 максимального выходного напряжения.

Регулировки

К техническим характеристикам усилительных устройств относят наличие регуля твров тех нли иных характеристик и пределы их действия. Наиболее распространена регулировка коэффициента усиления. , Ос-нсвисй характеристикой регулировки усиления является диапазон изменения коэффициента усиления. В усилителях звуковой частоты; радиовещательной аппаратуры ре-13(йбкгор усиления является регулятором



громкости и часто сочетается с цепямн тон-компенсации, осуществляющими сднсвре-менное изменение частотной характернстн-кн уснлнтелн в состветствнн с кривыми равной громкости звуков различных частот


20 т 1000 Гц

Рис. 1-8. Частотные характеристики регулятора громкости с тоикомпенсацией

Ю

к

Рис 1-9 Характеристики регуляторов полосы усиливаемых частот

(рис. 1-8). В широкополосных н вндеоуснлн-телях, напротив, как правило, недопустимы к4кие-либо изменения частотной характеристики прн регулирсваннн усиления, и это требование заставляет принимать спедналь-ные меры против паразитных изменений частотной характеристики, сопровождающих регулировку усиления.

Регулирование частотной характеристики заключается в изменении полосы уснлк-взеных частот путем раздельного (рнс 1 -9, о, б) нлн одновременного (рнс. 1 -9, е, г) изменения граничит частот /и. h Такие регулировки позволяют при налнчнн помех добиваться улучшения отношения сигнал/помеха. Другой вид регулирования частотной ларактернстнки предусматривает возможность изменения формы частотной характеристики усилителя, что позволяет компенсировать различные частотные искажения, возникающие в других звеньях канала передачи сигналов, нлн преднамеренно вводить частотные искажения, повышающие субъективное качество уснленнсгс сигнала за счет подчеркивания его составляющих, наиболее ценных в ннфсрмацнон-ном аспекте.

Регулирование формы частотной характеристики распространено в усилителях звуковоспроизводящих устройств, где оно служит изменению тембра и осуществляет-

ся обычно в виде двух независимых регулировок коэффициента усиления на нижних н верхних частотах (см. рнс 1-2, г). Характе-рнстнкамн регуляторов тембра являются пределы относительного изменения коэффициента уснлення (диапазон регулирования, обычно выражаемый в децибелах) н граничные частоты регулировок, отделяющие участок полосы частот, в пределах которого действует регулировка В радиовещательной аппаратуре обычно оба регулятора тембра (нижних н верхних частот) имеют одну общую граничную частоту - около 1 кГц, причем диапазон регулирования от-счнтывается вверх (положительным числом децибел) н вниз (отрицательным числом децибел) от уровня частотной характеристики на этой частоте.

Регулирование динамического диапазона представляет собой изменение исходного соотношения максимального н минимального уровнен усиливаемых сигналов. Таксе регулирование в некоторых случаях осуществляется вручную, например тонмейстером при помощи регулировки усиления в целях ссглассвання динамического диапазона сигналов с дянамнческнм диапазоном радиовещательного тракта.

Регуляторы, автоматически осуществляющие сужение динамического диапазона, называются компрессорами, а регуляторы, автоматически расширяющие дннамнческнй диапазон усиливаемых сигналов, - экспандерами Применение компрессора в начале канала связи с высоким уровнем помех и экспандера на конце этого канала позволяет повысить отношение снгнал/псмеха. Однако, являясь системами с переменными параметрами, компрессор н экспандер увеличивают нелинейные искажения усиливаемых сигналов н находят применение главным образом для передачи речевых сообщений в системах дальней связи прн умеренных требованиях к качеству воспроизведения речи

Обратная связь

Обратной связью называют воздействие выходного сигнала уснлнтелн на его в^ссд В связи с широким применением обратных связей как для улучшения технических характеристик усилителя в целом, так н в схемах отдельных каскадов, здесь приводятся основные положения теорнн усилителей с обратной связью.

Результат действия обратной связи за-внснт от того, в какой полярности относительно напряжения входного снГнала вводится напряжение обратной связи. В усилителях, призванных работать в достаточно широкой полосе частот н с малыми искажениями, применяется главным образом отрицаГельная обратная связь, прн которой полярность напряжения, вводимого во входную цепь усилителя нз цепн обратной связи, противоположна полярности напряжения входного сигнала. Отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления, но



одновременно уменьшает частотные н нелинейные искажения, стабилизирует все характеристики усилителя. Действие положительной обратной связи, при которой полярности напряжения входного сигнала и напряжения обратной связи совпадают, противоположное.

Введение обратной связи изменяет также входное н выходное сопротивления усилителя. Характер их изменения зависит ие только от знака обратной связи, но и от схемы присоединения цепн обратной связи к выходу и входу усилнтеля. Непосредст-

I -01

Рис. I-IO. Схемы обратной связи с иепосредствеи-нын соедииевием входа и выхода усилителя.

венное соединение входной и выходной цепей усилителя (рис. 1-10) превращает усилитель в двухполюсник и применяется для получении генераторных схем и двухполюсников с особым видом ф-цни Zija), в том числе с отрицательным сопротивлением. В усилительных схемах цепь обратной связи всегда может быть представлена в виде отдельного четырехполюсника. В соответствии с четырьмя возможными типами соединений входных и выходных зажимов двух четырехполюсников различают следующие виды обратной связи:

1) параллельная обратная связь по напряжению (рис. 1-11,0), прн которой на вход цепи обратной свнзн Ро с поступает выходное напряжение усилителя л, а выходные зажимы 2-2 цепи обратной связи соединены параллельно с входными зажимами /-/ усИлнтеля;

2) последовательная обратная связь по напряжению (рис. 1-11,6), которая отличается от параллельной тем, что выходные зажимы цепи обратной связи соединены последовательно со входными зажимами усилителя;

3) параллельная обратная связь по току (рис. 1-11,в), при которой входные зажимы /-/ цепи обратной связи соединяются последовательно с выходными зажимами усилителя, вследствие чего напряжение, поступающее в цепь обратной связи, пропорционально выходному току усилителя;

4) последовательная обратная связь по току (рнс. 1-11,г), отличающаяся от параллельной последовательным соединением зажимов 2--2 н /-/.

Отрицательные обратные связи по напряжению (рнс. 1-11,0,6) уменьшают выходное сопротивление усилителя, а по току (рис. 1-11, в, г) - увелнчявйгот. Параллельные схемы введения отрицательной обратной связи (рис. 1-11, а,в) уменьшают входное сопротивление уснянтеля, а после-доватедьвые (рис 1-11,6, г) - увеличива-

ют. Поскольку этн схемы повторяют собой канонические схемы соединения двух четырехполюсников, в общем сл5гчае все характеристики усилнтеля с обратной связью (в линейном режиме) определяются ф-лами теорнн линейных четырехполюсников. Однако расчетные соотношения упрощаются и становятся более наглядными, если принять ряд допущений, обычно хорошо реализуемых на практике Основное из них - пренебрежение прямой передачей входного сигнала через цепь обратной связи на выход. Кроме того, очень часто пренебрегают влиянием сопротивлений четырехполюсника обратной связи на входную и выходную

fia.e

-0 GS--0 01

О

fi0£ i t , I 2 figx

Рис 1-й. CiTjyKTypBHe схемы усилителей с обратной связью.

цепи усилителя. Если при этом обратную связь охарактеризовать добавляемым ею во входную цепь напряжением Д(/вх, то можно просто определить следующие широко применяемые в расчетах параметры систем с обратной связью.

Коэффициент обратной передачи напряжения илн возвратное отношение, Рос(/ш)- отношение напряжения, вводимого цепью обратной связи на вход усилителя, к его выходному напряжению:

Петлевой коэффициент усиления по напряжению - произведение коэффициента усиления K(Je>) собственно усилителя на возвратное отношение:

К(/<о)Рос(/ а) = 72. (1-37)

Эта величина показывает, какую часть входного напряжения собственно усилителя составляет вводимое во входную цепь напряжение обратной связи.

Для того чтобы однозначно истолковывались последующие выражения, надо условиться о йыборе знака произведения КРо с (обусловливать правила выбора знаков перед каждым сомножителем необязательно). На частотах, прн которых произведение Kfio.c имеет чисто вещественное



значение, будем считать /СРос>0, если об-: ратная связь отрицательная.

Глубина обратной связи или возвратная разность, yUoi)-отношение входного напряжения усилителя с обратной связью ко входному напряжению собственно усилителя:

(1-38)

Аналогичную систему параметров можно ввести для токов или смешанных систем (входное напряжение - выходной ток, входной ток - выходное напряжение) в соответствии с наиболее удобным способом выражения передаточиой ф-цнн данного усилителя. Однако любой тнп усилителя с обратной связью прн фиксированных значениях сопротивлений источника сигнала й Нагрузки может рассчитываться прн помощи одной системы коэффициентов, характеризующих отношения напряжений

Характеристики усилителей с обратной связью

Влияние любого типа обратной связи на усиление можно определить прн помощи универсального соотношения для коэффициентов усиления по э. д. с. в отсутствие обратной связи КеЦсл) и прн ее наличии Кв .о(/ш):

1-f/С(/Ш)рос(/й)

(1-39)

Т (/<в)

Для определения величины Ро с (1-36) через параметры конкретных схем также можно пользоваться универсальным прне мом. Источник входного сигнала заменяют эквивалентным генератором, вычисляют его сопротивление и в реальной схеме заменяют этим сопротивлением предшествующие данному усилителю цепи.. Затем к выходной цепи усилителя, охваченного обратной связью, мысленно прикладывают внешнее напряжение Увых(/<о) нлн вводят в нее ток /вых(/ш) н вычисляют, какое напряжение Д(/вх(/ш) появляется на входных за-жнмах собственно усилителя (рнс 1-12). В области средних частот, пренебрегая емкостным сопротивлением конденсатора Сг, получаем:

В г II Ri Н ?вх

Изменение входного н выходного сопротивлений усилителя при введении обратной связи в общем случае завнснт не только от параметров цепи обратной связи, но также от сопротивлений источника сигнала и иагрузнн соответственно Целесообразно для узлов, в которых цепь обратной 2-304

связи соединяется с зажимами усилителя параллельно, рассматривать суммарную проводимость (Yc-Ybx для рис. 1-11, а н в и Ув+Квыж для рис. 1-11, а и б), а для контуров, в которых цепь обратной связи соединяется последовательно с зажимами усилителя,-суммарное сопротивление (Zr-i-+Zi,x для рис. 1-11,6 иен Zn+Zshtx для рис. 1-11,е н г). Тогда, обобщая обозначения проводимости У н сопротивления Z символом нммитанса W, можно записать универсальное состнсшенне для суммарных нммнтансов входной (выходной) цепн при



Рис 1-12 пример усилителя с обратной связью. Прницнпнальная схема (а) н определение коэффициента Эо с

налнчнн обратной связи (Wr(H)-f Wbx(bhx)o.c) и в ее отсутствие (Wr(B)-f вхсвых)):

г^н) + вх(вых)о.с

-( г(и)+ вх(вых)) (i-*0)

вх(вых)о.с - {гЫ) + вх(вых)) V (/СО) -

tw (1-41)

Если иммитанс источника сигнала или нагрузки мал по Ьравиенню с соответствующим иммитансом усилителя, например Zr< <Zbx в схемах типа рнс. 1-11,0, г, как это часто бывает э усилителях с полевыми траи-зисторамн Или с электронными лампами, то соотношение (1-41) упрощается:

в в,.х)о.с вх(вых) V т. (1 -42)

В частном случае распространенной параллельной схемы обратной связи по напряжению с одной ветвью (см. рис. 1-12) из выражения входной прсвсднмсстн усилителя удается исключить проводимость иеточин-ка сигнала;

вхж = вх + сП-а:(/(о)1.(1-43)

Формулы (i-36) - (i-43) одниакадо применимы, .как для отрицательной, так и для положительной обратной связи.

В общем случае коэффициенты K(j<o) н Ро с (/ш), произведение которых определяет величину Y зависят от частоты и являются комплексными величинами. Поэтому одна и та же цещ, может создавать




1 2 3 4 ... 44
© 2001 AeroKZN.ru.
Копирование текстов запрещено.
Яндекс.Метрика