Структурная схема электронного усилителя

Структурная схема электронного усилителя

На входе УЭ включают цепи, обеспечивающие подачу напряжений смещения и входного сигнала, а на выходе – нагрузку и цепи, обеспечивающие подачу постоянного напряжения питания на выходные электроды.

Каскад усиления – совокупность УЭ с нагрузкой и со всеми дополнительными элементами, обеспечивающими заданный режим работы. Во многих случаях одного каскада недостаточно, поэтому используют несколько каскадов.

Источник сигнала (например, микрофон, детектор приемника или воспроизводящая головка магнитофона, передающая телевизионная трубка, приемная антенна) подключается ко входу первого каскада. Потребитель усиленного сигнала, т.е. нагрузка (громкоговоритель, измерительный прибор) подключается к выходу последнего каскада (выходной или оконечный). Все каскады до выходного называются каскадами предварительного усиления.

Задача оконечного каскада – отдать в нагрузку заданную мощность или напряжение. Задача предварительных каскадов – усилить входной сигнал источника до уровня, который необходимо подать на вход оконечного каскада, чтобы получить на его выходе заданную мощность или напряжение.

Входное сопротивление следующего каскада подключается параллельно с выходным сопротивлением предыдущего каскада. Если используются усилители на биполярных транзисторах (входное сопротивление мало), они шунтируют сопротивление нагрузки предыдущего каскада. Общее сопротивление параллельных сопротивлений будет меньше наименьшего из них, т.е. входное сопротивление следующего каскада фактически становится сопротивлением нагрузки предыдущего каскада. Поэтому используются межкаскадные связи.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения возникают из-за наличия в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Этот тип искажений обусловлен наличием нелинейных участков входных и выходных характеристик транзисторов и электронных ламп, а также нелинейностью кривых намагничивания сердечника трансформаторов. Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным. В выходном сигнале помимо основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляется ряд высших гармоник. У сигнала, представляющего собой колебание сложной формы, изменяется спектральный состав, где кроме высших гармоник появляются комбинационные частоты.

Искажение формы сигнала за счет нелинейной характеристики УЭ можно проследить по рисунку, где на вход биполярного транзистора подано синусоидальное напряжение. Видно, что уже входной ток отличается от синусоидального.

Если на вход усилителя подано синусоидальное напряжение, то напряжение или ток первой гармоники является полезным сигналом. Все высшие гармоники, начиная со второй, являются следствием нелинейных искажений. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений

При усилении импульсных сигналов нелинейность усилителя сказывается иначе, чем при усилении гармонического сигнала. При усилении ступенчатого сигнала по амплитуде при одинаковых ступеньках на входе получаются различные ступеньки на выходе. При усилении импульсов прямоугольной формы с одинаковой амплитудой нелинейность усилителя практически не влияет на форму выходного сигнала.

Однотактные

Схемы усилительных каскадов, содержащие один или несколько параллельно включенных усилительных элементов, на вход которых подают одно входное напряжение сигнала, и с выхода которых снимают одно выходное напряжение, называют однотактными каскадами.

Транзистор и электронная лампа — трехполюсные устройства, у которых один из проводов входной цепи объединен с проводом выходной в так называемый общий провод. Потенциал сигнала на общем проводе относительно поверхности нулевого потенциала (земли) считают равным нулю, так как этот провод обычно соединяют с шасси (металлическим корпусом) прибора, имеющим относительно земли большую электрическую емкость. Поэтому входная и выходная цепи однотактных транзисторных и ламповых усилительных каскадов несимметричны относительно поверхности нулевого потенциала, т. е. однотактные транзисторные и ламповые каскады имеют несимметричные вход и выход.

Если необходимо сделать вход однотактного каскада симметричным, можно включить во входную цепь симметрирующий трансформатор с первичной обмоткой, имеющей две одинаковыеполовины точка соединения которых не имеет потенциала сигнала относительно общего провода (этого можно добиться, например, соединив ее с общим проводом). Точно так же можно сделать симметричным выход однотактного каскада, включив в его выходную цепь трансформатор с симметричной вторичной

Симметрирование цепей: а) симметрирование входной цепи трансформатором; б) симметри­рование выходной цепи трансформатором; в) симметрирование входной цапи эквивалентом входного сопротивления обмоткой. Однако симметрирование цепей трансформатором из-за сравнительно узкой полосы пропускаемых им частот невозможно в широкополосном устройстве. Даже и при полосе частот, которую трансформатор может пропустить, его использование для симметрирования часто нецелесообразно вслед­ствие больших размеров, веса и стоимости. Симметрировать входную цепь однотактного каскада можно и другим способом, теоретически пригодным для широкой полосы частот, включив последовательно с входной цепью сопротивление ZBx, имеющее те же активную и реактивную составляющие, что и входная цепь. Этот способ используют редко, так как, кроме бесполезной потери половины мощности входного сигнала, практическое осуществление симметрии такой цепи в широкой полосе частот очень затруднительно.

Двухтактные

Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента или две группы параллельно включенных усилительных элементов, работающих на общую нагрузку, ток сигнала в выходной цепи которых имеет противоположное направление, т. е. при синусоидальном сигнале сдвинут на 180°.

Простейшие двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада с объединенными общим проводом и источником питания, работающие в противофазе; эти однотактные каскады образуют плечи двухтактной схемы, симметричные относительно общего провода. Такие двухтактные каскады при использовании в них гальванической или резисторной межкаскадной связи позволяют осуществить малогабаритные и недорогие схемы с симметричными входом и выходом, имеющие очень широкую полосу рабочих частот.

Наличие одинаковых деталей в плечах двухтактной схемы позволяет многие из них объединить, а некоторые даже и исключить. Так, например, трансформаторы и дроссели плечей здесь объединяют в общий трансформатор или дроссель, поместив на общем сердечнике две одинаковые обмотки, включаемые в плечи каскада. В транзисторном каскаде с эмиттерной стабилизацией

Двухтактные каскады:

а) резисторный с транзисторами в режиме А с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией; б) резисторный ламповый в режиме А с общим катодом и катодным смещением; в) трансформаторный с транзисторами в режиме В с общей базой и смещением фиксированным напряжениемможно объединить резисторы эмиттерной стабилизации, включив один общий резистор Rb0 в общий провод эмиттеров; в ламповых каскадах с катодным смещением используют общий резистор RK0. Так как плечи двухтактной схемы работают в противофазе, одинаковые по величине и противополож­но направленные токи сигнала в общем проводе эмиттеров или катодов (при работе без отсечки тока в выходной цепи) компенсируются, напряжение сигнала на R30 и RK0 отсутствует, а потому эти резисторы при работе двухтактного каскада в режиме А не нуждаются в шунтировании конденсаторами Сэ и Ск большой емкости. В транзисторном двухтактном каскаде с входным трансформатором можно объединить делители, подающие смещение во входные цепи транзисторов.

Следует заметить, что двухтактные каскады с общим резистором эмиттерной стабилизации не допускают установки транзисторов в плечи без подбора, так как при различии параметров транзисторов коллекторные токи плечей могут очень сильно разниться, хотя суммарный ток коллекторов будет стабилизирован. Даже при подобранных транзисторах каскады мощного усиления с общим Ra0 работают неустойчиво, так как старение транзисторов и изменение их температуры нередко вызывают сильную разбалансировку выходных токов плечей схемы. Ламповые же двухтактные каскады с общим RK0 вследствие меньшего разброса параметров отдельных экземпляров ламп одного и того же типа и отсутствия влияния температуры на параметры работают устойчиво.

Большинство двухтактных каскадов, кроме симметричности входа и выхода, обладает другими полезными свойствами; в них компенсируются:

1) четные гармоники, вносимые усилительными элементами;

2) помехи (в том числе и фон), поступающие на каскад от источника питания и других источников помех;

3)нечетные гармоники тока сигнала в источнике питания и идущих от «его к каскаду проводах;

4)постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора.

Компенсация четных гармоник позволяет использовать в двухтактных каскадах экономичные режимы (например, режим В), дающие большой процент четных гармоник и поэтому не всегда применимые в однотактных схемах.Компенсация помех увеличивает динамический диапазон усилителя и повышает допустимую переменную составляющую напряжения источника питания; последнее упрощает и удешевляет сглаживающие фильтры выпрямителей, питающих двухтактные каскады.Компенсация нечетных гармоник тока сигнала в источнике питания и его проводах снижает паразитную межкаскадную связь, что позволяет упростить и удешевить развязывающие фильтры усилителя. В самом каскаде при работе его без отсечки тока в выходной цепи это позволяет исключить блокировочные конденсаторы цепей питания, смещения и стабилизации и устраняет вносимые этими цепями частотные, фазовые и переходные искажения.Компенсация постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора позволяет повысить в нем переменную составляющую магнитной индукции, что сокращает размеры, вес и стоимость трансформатора. В ламповых усилителях каскады мощного усиления делают двухтактными обычно при выходной мощности свыше 3-5 вт.

Двухтактные схемы также применяют в каскадах мощного усилении широкополосных усилителей и в широкополосных выходных каскадах, работающих на симметричную нагрузку, когда использование трансформаторов невозможно из-за их ограниченной полосы пропускания.Во входных каскадах и каскадах предварительного усиления двухтактную схему применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо из-за ее меньшей чувствительности к помехам, симметричности и других достоинств.

Инвертирующее включение.

K=Uвых/U2=R2/R1;

Вых. напряж. усилителя в инверт. включ. находится в противофазе по отношению ко входу. Коэфф. усил. входного сигнала по напряж. этой схемы в зав-ти от соотношения сопротивления резисторов может быть как большое так и меньше 1.

Неинвертирующее включение.

K=Uвых/U1=1+R2/R1;

Выходной сигнал синфазен входному. Коэфф. усиления по напряжению не может быть <1. Rвх в идеале равно ∞.

Структурная схема ОУ.

Усил. мощ-ти

Усил. напр-я

Диф. усилитель

Вх1

Вх2

Первый каскад – дифф. усил., второй обеспечивает основное усиление и переход симметричного входного дифф. каскада к несимм. выходному. В схемах ОУ делается внешний вывод от первого каскада для компенсации напряжения смещения во внешней цепи. В вых. цепях применяются схемы защ. от перегрузок.

1. Структурная схема электронного усилителя.

2. Основные технические показатели ЭУ.

3. Линейные искажения. АЧХ и ФЧХ.

4. Нелинейные искажения.

5. Амплитудная характеристика. Динамический диапазон.

6. Основные понятия и виды ОС.

7. Влияние ОС на коэффициент усиления.

8. Влияние ОС на линейные и нелинейные искажения. Стабильность, фон, помехи, сопротивления.

9. Режимы работы усилительных элементов.

10. Энергетические показатели усилителей в различных режимах.

11. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах: основные свойства и параметры; цепи питания и методы обеспечения стабильности режимов эксплуатационных условиях.

12. Принципиальные и эквивалентные схемы каскадов, формирование частотных и переходных характеристик.

13. Схемотехника усилительных каскадов на полевых транзисторах: основные свойства и параметры; цепи питания и методы обеспечения стабильности режимов эксплуатационных условиях.

14. Принципиальные и эквивалентные схемы каскадов, формирование частотных и переходных характеристик.

15. Широкополосные и импульсные усилители. Методы коррекции частотных и переходных характеристик.

16. Схемотехника дифференциальных усилителей на биполярных и полевых транзисторах.

17. Усилители постоянного тока. Дрейф нуля. Реализация усилителей постоянного тока на дифференциальных каскадах.

18. Особенности работы каскадов в режиме большого сигнала. Виды выходных каскадов.

19. Схемотехника и энергетические показатели однотактных и двухтактных выходных каскадов.

20. Структурные и принципиальные схемы операционных усилителей. Основные параметры и характеристики усилителей.

21. Операционные усилители общего применения. Быстродействующие широкополосные операционные усилители. Мощные и микромощные операционные усилители.

22. Многокаскадные усилители. Распределение фазовых, частотных и переходных искажений в многокаскадных усилителях. Влияние обратных связей на работу каскада, борьба с паразитными обратными связями.

23. Регулировка усиления, полосы пропускания и тембра.

Структурная схема электронного усилителя

На входе УЭ включают цепи, обеспечивающие подачу напряжений смещения и входного сигнала, а на выходе – нагрузку и цепи, обеспечивающие подачу постоянного напряжения питания на выходные электроды.

Каскад усиления – совокупность УЭ с нагрузкой и со всеми дополнительными элементами, обеспечивающими заданный режим работы. Во многих случаях одного каскада недостаточно, поэтому используют несколько каскадов.

Источник сигнала (например, микрофон, детектор приемника или воспроизводящая головка магнитофона, передающая телевизионная трубка, приемная антенна) подключается ко входу первого каскада. Потребитель усиленного сигнала, т.е. нагрузка (громкоговоритель, измерительный прибор) подключается к выходу последнего каскада (выходной или оконечный). Все каскады до выходного называются каскадами предварительного усиления.

Задача оконечного каскада – отдать в нагрузку заданную мощность или напряжение. Задача предварительных каскадов – усилить входной сигнал источника до уровня, который необходимо подать на вход оконечного каскада, чтобы получить на его выходе заданную мощность или напряжение.

Входное сопротивление следующего каскада подключается параллельно с выходным сопротивлением предыдущего каскада. Если используются усилители на биполярных транзисторах (входное сопротивление мало), они шунтируют сопротивление нагрузки предыдущего каскада. Общее сопротивление параллельных сопротивлений будет меньше наименьшего из них, т.е. входное сопротивление следующего каскада фактически становится сопротивлением нагрузки предыдущего каскада. Поэтому используются межкаскадные связи.