Тема 2.5 Электронные усилители и генераторы

Принцип усиления напряжения. Понятие об усилительных каскадах. Варианты межкаскадных связей. Каскады предварительного усиления. Основные варианты оконечных каскадов. Понятие об электронных генераторах синусоидальных колебаний. Понятие о генераторах прямоугольного напряжения. Электронный осциллограф (структурная схема, характеристики блоков и узлов, назначение ручек управления). Примеры использования усилителей, генераторов и осциллографа в технике.

Методические указания

Электронное устройство, предназначенное для увеличения параметров (тока, напряжения, мощности) электрического сигнала, называют усилителем. Необходимость в таких устройствах возникает при измерении и передаче сигналов, построении схем контроля, автоматизации технологических процессов и т.п.

Независимо от используемых элементов и схемотехнических решений в простейшем виде структурную схему любого усилителя можно представить в виде двух последовательно соединенных элементов: линейного и нелинейного, включенных в цепь источника питания.

Линейными считают элементы, у которых сопротивление практически не зависит от тока и напряжения.

Сопротивление нелинейных элементов в значительной степени зависит от тока или напряжения. Эти приборы могут иметь три и более выводов. В усилителях в качестве нелинейных элементов чаще всего используются транзисторы.

Коэффициентом усиления усилителя называют отношение выходной величины ко входной. Для усилителя принято определять три коэффициента усиления: по напряжению, по току и по мощности.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) (рис. 10) назы­вается зависимость модуля коэффициента усиления напря­жения усилителя от частоты. Типовая АЧХ показана на рис. 1кривой 2. Прямая 1 на этом рисунке соответствует АЧХ идеального усилителя, в котором отсутствуют линейные искажения.

		К
		Кср
	Кср/√2

Рис.10

Частоты f_н и f_в, на которых модуль коэффициента усиле­ния уменьшается в √2раз, на­зываются соответственно ниж­ней и верхней граничными час­тотами. Интервал частот, заключенных между f_н и f_в называется полосой пропуска­ния ΔF усилителя.

Область АЧХ, в которой коэффициент усиления не за­висит от частоты, т. е. является вещественной величиной, на­зывают областью средних час­тот. Коэффициент усиления в области средних частот К_ср определяет номинальный ко­эффициент усиления усилите­ля. Обычно К_ср соответствует средней частоте f_о полосы пропускания.

Изменения коэффициента усиления в области нижних и верхних частот определяются частотными искажениями сиг­нала. Количественно эти искажения оцениваются коэффи­циентом частотных искажений:

М(w)=К_ср/К(w),

где К(w)- модуль коэффициента усиления усилителя на некоторой частоте, лежащей за пределами области сред­них частот.

Рисунок 11

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) (рис.11) — это зависи­мость фазового сдвига между выходными и входными на­пряжениями от частоты при действии на входе гармоничес­кого напряжения (тока). Появление фазового сдвига между выходными и входными напряжениями в идеальном усили­теле объясняется задержкой сигнала в усилителе на некоторое время t_з За это время фаза входного напряжения, выраженная в радианах, изменится на ώt₃ или на 2πft₃. Вследствие этого уравнение ФЧХ имеет вид:

φ(ώ)= - ώt₃= -2πft₃. (1)

Знак «минус» в этом уравнении отображает отставание но фазе выходного напряжения по сравнению с входным. Графически уравнение (1) представляет прямую линию, исходящую из начала координат (прямая 1 на рис. 11). Реальная ФЧХ (кривая 2 на рис. 2) отличается от идеальной. Это означает, что различные спектральные состав­ляющие входного сигнала задерживаются усилителем на различное время. Отличия реальной ФЧХ от идеальной характеризуют фазочастотные искажения в усилителе.Из сравнения АЧХ и ФЧХ видно, что наличие фазовых искажений вызывает частотные искажения. Так как оба вида искажений, вносимых усилителем, обусловлены линейны­ми элементами схемы, то их называют линейными искаже­ниями.

Рисунок 12

Амплитудная характеристика (рис.12) представляет собой зависи­мость амплитуды (или действующего значения) первой гар­моники выходного напряжения или тока от амплитуды (или действующего значения) гармонического входного напряжения или тока. Идеальная амплитудная характеристика выражается уравнением U_вых= К U_вх и является линейной (прямая 1 на рис. 12). Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной (кривая 2 на рис. 12). Линейной оказывается лишь часть амплитудной характеристики (участок АВ на рис. 12). Шумы в усилителе и другие помехи приводят к тому, что при U_вх = 0 на выходе усилителя имеется некоторое напряжение. При U_вх>U_{вх mах} пропорцио­нальность между входным и вы­ходным напряжениями наруша­ется из-за нелинейности харак­теристик активных элементов усилителя.

Это обусловливает ограниче­ние амплитуды выходного сиг­нала и искажение его формы. Если на вход усилителя поступает сиг­нал сложной формы, то изменя­ется его спектральный состав, т.е. выходной сигнал усилителя со держит гармонические составляющие, отсутствующие во входном сигнале; иначе говоря, в усиливаемый сигнал вно­сятся нелинейные искажения.

Динамический диапазон усилителя D представляет собой выраженное в децибелах отношение номинального выход­ного напряжения, при котором нелинейные искажения не превышают допустимых значений, к минимальному значе­нию выходного напряжения, ограниченному уровнем шу­мов и помех в усилителе, т. е.

D_y=20·lg(U_выхном/U_выхmin)

Пределы изменений ЭДС источника сигнала от е_{вх min} определяют динамический диапазон сигнала:

D_c=20·lg(e_вхmax/e_вхmin)

Чтобы во всем диапазоне изменений ЭДС источника сиг­нала нелинейные искажения усилителя не превышали допу­стимых и обеспечивалась необходимая помехозащищенность, должно быть выполнено условие D_y ≥ D_c. Если это условие не выполняется, необходимо либо увеличить D_y(взяв, на­пример, активный элемент с более линейной характеристи­кой), либо уменьшить D_c.

Для источника сигнала усилитель представляет собой эквивалентное сопротивление, определяющее его входное сопротивление:

r_вх = (dU_вх/ di_вх) = U_вх/I_вх

Относительно нагрузки усилитель можно рассматривать как генератор напряжения с внутренним сопротивлением

r_вых = U_{вых х.х.}/I_выхк.з.

Для усилителей средней и особенно большой мощности важным показателем является коэффициент полезного дей­ствия. КПД определяется как отношение выходной полез­ной мощности Р_вых, выделяемой в нагрузке, к общей мощ­ности Р_о, потребляемой усилителем от источников пита­ния, т. е.

η=Р_вых/Р_о

В свою очередь, выходная полезная мощность при активной нагрузке определяется выражением

Р_вых= U²_{вых х.х.}/2R_н

Выходная мощность усилителя может составлять от сотых долей ватта до сотен ватт. Максимальная мощность, которая создается на выходе усилителя при заданном значе­нии нелинейных искажений, называется номинальной.

Наименьшее значение напряжения (или тока) на входе усилителя, при котором на выходе усилителя создается но­минальная мощность, называется чувствительностью усилителя.

В тех случаях, когда одиночный каскад не обеспечивает заданного усиления, применяются многокаскадные усилители. При этом усилитель может содержать как однотипные, так и разнотипные каскады.

Uвых1

Uвых2

Структурная схема многокаскадного усилителя, содер­жащего п каскадов, показана на рис.13.

	Uвх1

Рисунок 13

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя по всем трем электрическим параметрам определяется по об­щей формуле:

к = к₁· к₂·... ·к_n,

где п — число каскадов усиления; К₁, К_n, — модули коэф­фициентов усиления, измеренные с учетом действия пре­дыдущего и последующего каскадов усилителя.

Частотные искажения определяются по формуле:

М(w)= М₁(w)·М₂(w) ·… · М_n(w)

При построении многокаскадного усилителя одним из основных вопросов является согласование каскадов между собой без заметной потери усиления. Связь между каскада­ми осуществляется с помощью специальных схем между­каскадной связи, которые должны иметь достаточно ста­бильный коэффициент передачи в рабочем диапазоне час­тот и минимальную нелинейность.

Основными видами межкаскадных связей, схемы кото­рых приведены на рис. 5.5, являются: резистивно-емкостная (рис. 14, а), непосредственная (рис. 14, б) и трансформа­торная (рис. 14, в).

а) б) в)

Рисунок 14

При построении многокаскадных усилителей широко используют резистивно-емкостную связь, которая обеспе­чивает надежную развязку каскадов по постоянному току.

Трансформаторную связь обычно используют для согла­сования выходного сопротивления оконечного каскада, яв­ляющегося усилителем мощности, с сопротивлением внеш­ней нагрузки.

При усилении медленно меняющихся напряжений и то­ков, а также в тех случаях, когда требуется усиливать не только переменные, но и постоянные составляющие сигна­лов, применяют гальванические связи.

Для согласования сопротивлений каскадов в усилителях широко применяют обратную связь. Кроме того, обратная связь используется для получения требуемых показателей и характеристики усилителей.

Генератором называется электронная схема, преобразующая постоянный ток источника питания в переменный ток определенной частоты и формы. Всякая генераторная схема имеет в своем составе активный элемент и частотно-избирательную схему.

Генераторы классифицируются по форме выходного напряжения (тока), частоте и способу управления.

В зависимости от формы выходного напряжения различают генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и импульсные (релаксационные), выходное напряжение которых изменяется по закону, отличному от синусоидального.

Генераторы импульсов в зависимости от формы выходного напряжения делятся на генераторы напряжения прямоугольной формы, линейно изменяющегося напряжения, импульсов, вершина которых имеет треугольную форму (блокинг-генераторы) напряжения треугольной формы, ступенчато изменяющегося напряжения и т.д.

По частоте генерируемых сигналов генераторы подразделяются на низкочастотные (0,01 – 100 кГц), высокочастотные (0,1 – 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

По способу управления генераторы бывают с самовозбуждением (автогенераторы) и независимым возбуждением. В автогенераторах режим устойчивых колебаний возникает при подключении схемы к источнику питания. В генераторах с независимым возбуждением режим колебаний возникает под действием внешнего управляющего сигнала.

Для поддержания автоколебательного режима необходимо выполнение двух условий:

1. Условие баланса амплитуд – потери в контуре должны непрерывно пополняться таким образом, чтобы за каждый период в генератор вносилась энергия, равная его потерям.
2. Условие баланса фаз – пополнение энергией должно происходить синхронно с напряжением на входе.

Электронным осциллографом называют прибор, предназначенный для визуального наблюдения, регистрации и измерения параметров электрических сигналов. Основным структурным элементом осциллографа является электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевыми трубками называют электронные приборы, у которых электронный поток, выходящий из катода, фокусируется электрическим или магнитным полем в узкий пучок - электронный луч. Основными частями электронно-лучевой
трубки являются: электронная пушка (электронный прожектор),создающая узкий электронный луч,направленный вдоль оси трубки; отклоняющая система, изменяющая направление элект­ронного луча; люминесцирующий экран, светящийся в месте попадания на нег оэлектронов(рис. 16).

По способу фо­кусировки и отклонения электронного луча электронно-лучевые
трубки подразделяют на три типа:

1) с электростатическими фокусировкой и отклонением луча;

2) с электромагнитными фокусировкой и отклонением луча;

3)

с фокусировкой элек­тростатическим полем и откло­нением луча магнитным полем.

Рисунок 16

Рассмотрим принцип рабо­ты электронно-лучевой трубки первого типа (рис.16). Источником элек­тронов служит катод косвенного накала 1, имеющий форму полого цилиндра с нанесен­ным на торцовую поверхность оксидным слоем. Катод заклю­чен в управляющий электрод 2 также цилиндрической формы. В торце управляющего электрода имеется маленькое отверстие (диафрагма), через которое проходит электронный луч. На управляющий электрод от источника Е_а подается отрицатель­ное относительно катода напряжение. Изменением с помощью потенциометра R1, напряжения (от 0 до -50 – 100 В) на управляющем электроде регулируют ток в луче и яркость свечения пятна на экране. Далее на пути луча располагают первый 3 и второй 4 аноды в виде цилиндра с одной или несколькими внутренними диафрагмами.

На аноды подается положительное ускоряющее напряжение (на первый 300 - 1000 В, на второй 1000 - 5000 В и более). Фокусировку луча осуществляют с помощью электрического поля, создаваемого между управляющим электродом и первым анодом и между первым и вторым анодами. С этой целью потенциометром R2 изменяют напряжение на первом аноде, а следовательно, конфигурацию эквипотенциальных линий поля, дейстпующего на электронный луч, как оптическая линза на световой пучок. Высокое напряжение на втором аноде служит также для ускорения электронного потока на пути его движения от катода к экрану 6.

Катод, управляющий электрод, первый и второй аноды образуют в совокупности эмиссионно-фокусирующую систему — электронный прожектор. Цвет свечения экрана зависит от химического состава люминофора. Например, для визуальных наблюдений наиболее целесообразен люминофор с желто-зеле­ным цветом свечения, к которому наиболее чувствителен человеческий глаз. Такое свечение дают люминофоры из виллемита (сульфида цинка).

Чтобы вторичные электроны, которые при «бомбардировке» электронным лучом выбиваются с поверхности экрана, не накапливались на стенках трубки, на внутреннюю поверхность конического раструба и части цилиндрической горловины колбы наносят тонкий графитовый слой (аквадаг 5), соединенный со вторым анодом, на который стекают вторичные электроны.

В электростатических трубках электронный луч отклоняется двумя парами пластин X и Y, расположенными перпендикулярно друг другу. Когда к паре пластин подводится постоянное напряжение, луч под действием поперечного поля отклоняется в сторону положительно заряженной пластины, что приводит к соответствующему перемещению светящегося пятна на экране. При одновременном подведении к обеим парам пластин различных отклоняющих напряжений светящееся пятно прочерчивает результирующую кривую, вид которой определяется соотношением амплитуд, фаз и частот приложен­ных к пластинам напряжений.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют усилителем? Где он применяется?
2. Какие основные элементы содержит усилитель?
3. За счет какого источника энергии усиливается сигнал?
4. Как классифицируются усилители?
5. Какие элементы образуют входную и выходную цепи усилителя?
6. Как осуществляются межкаскадные связи в усилителях?
7. Назовите основные параметры и характеристики усилителей.
8. Что такое электронный генератор? Какие типы генераторов Вы знаете?
9. Начертите структурную схему электронного осциллографа и поясните ее работу.

Литература: [1] §19.1-19.3, 20.1-20.7