УСИЛИТЕЛИ.
Общие понятия.
Усилитель – это такое устройство, в котором происходит полное преобразование входного сигнала. В данном устройстве входной и выходной сигнал имеют одинаковую физическую природу.
Параметры усилителей.
К I =I вых /I вх ; К U =U вых /U вх ; К Р =Р вых /Р вх
Если усилитель многокаскадный, то коэффициент усиления определяется как:
К=К 1 ·К 2 ·К 3 · … ·К n
Изменение громкости звука пропорционально логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии. Поэтому в современных усилителях коэффициент усиления измеряется в децибелах.
Усилитель в один децибел – это отношение мощности как десять к одному, для которых десятичный логарифм равен 1:
K = 10·lg(Р вых /Р вх ) = 1
Если усилитель многокаскадный, то в децибелах он выражается как:
К=К 1 +К 2 +К 3 + … +К n
КПД э = Р вых /Р о (40 – 70 %)
КПД пр = Р вых /Р общ
КПД пр < КПД э
Однокаскадный усилитель мощности.
Усилители мощности применяются в установках автоматики, где нагрузкой может быть электромагнитное реле, электродвигатель, исполнительный механизм, в радиоэлектронике обмотка динамика, магнитофонная головка.
Так как сопротивление нагрузки во много раз меньше внутреннего сопротивления коллекторной цепи, то мощность, которая выделяется на нагрузке в коллекторной цепи будет мала. Для того чтобы она стала максимальной необходимо чтобы
R н = R внк ,
т. е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника полезного сигнала. Для этого на практике применяются согласующие трансформаторы.
Суть согласования состоит в том, что вносимое в первичную обмотку трансформатора сопротивления нагрузки должно быть равно R внк или соизмеримо с ним. Тогда при заданных R н и R внк задача сводится к определению коэффициента трансформации.
Если принять R н = R внк , то:
т.е. трансформатор должен быть понижающим, так как R н < R внк .
При такой работе трансформатора начальное положение рабочей точки на нагрузочной прямой принимают по середине этой прямой.
Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока меньше тока покоя. Работа в этом режиме характеризуется минимальными нелинейными искажениями и низким КПД (примерно около 40 %). В этом режиме работы усилители малой мощности и все предварительные выходные каскады усилителя низкой частоты.
Усилитель мощности с бестрансформаторным выходом.
Транзисторы, которые применяются в этом усилителе отличаются друг от друга направлением протекания тока.
Применение разнотипных транзисторов значительно упрощает схему. В схему источника питания они включены последовательно по постоянному току и в тоже время их вход и выход соединены параллельно с источником переменного напряжения, т.е. схема не содержит цепи смещения. При подаче на вход переменного сигнала на сопротивлении нагрузки, включенном последовательно с разделительным конденсатором, потечет ток равный разности переменных составляющих коллекторных токов транзисторов.
Таким образом для работы данной схемы не требуется применение специальных выходных трансформаторов. Амплитуда переменной составляющей тока в нагрузке при полной симметрии в два раза больше, чем амплитуда токов в коллекторе, т. е. схема позволяет увеличивать выходное напряжение и особенно мощность по сравнению с однотактными каскадами и сохраняются преимущества двухтактных усилителей.
Недостатком данного усилителя является, то что подобрать симметричные разнотипные транзисторы трудно.
Классификация усилителей.
По различным признакам усилителей делятся на ряд классов:
– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.
– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.
По абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:
– усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
– усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.
– усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.
– усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.
Принципиальная схема каскада
Принципиальная схема каскада предварительного усиления представлена на рис . 1 приложения 1 .
Расчет частотной характеристики каскада с элементом ВЧ коррекции
Для поднятия АЧХ каскада на высоких частотах в цепь коллектора транзистора вводят элемент ВЧ коррекции в виде дросселя с индуктивностью L . В нашем случае необходимо ввести L = 0 . 01 мГн .
Схема такого каскада представлена на рис . 1 приложения 2 .
Расчет резистивного каскада с вышеупомянутыми изменениями в целом аналогичен расчету каскада без коррекции для высоких частот (см . п . 2 . 2) , за исключением того , что в выражение для проводимости коллекторной ветви схемы будет входить кроме R К также еще и сопротивление дросселя , зависящее от частоты : j w L .
Эквивалентная схема для нижеследующего расчета представлена на рис . 2 приложения 2 .
Расчет компенсационного стабилизированного источника напряжения компенсационного типа
Для нормальной работы усилителя на него необходимо подавать устойчивое постоянное напряжение питания . Так как для реализации этого условия простого выпрямителя переменного напряжения недестаточно , между последним и усилительным устройством ставят стабилизатор напряжения , который сглаживает пульсации напряжения питания , тем самым обеспечивая корректную работу усилительного устройства .
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным) и возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня.
Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис . 1 приложения 3 .
Исходные параметры стабилизатора следующие :
– нестабильность входного напряжения a вх . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . 15
– нестабильность выходного напряжения а вых . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . 001
– выходное напряжение U вых , В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Заключение
В результате выполнения курсового задания я разобрался в принципах работы усилителя электрических сигналов , научился рассчитывать резисторный каскад предварительного усиления, частотные характеристики такого каскада , а также транзисторный стабилизатор напряжения.
Приложение 1
Рис . 1 . Принципиальная схема усилительного каскада
Рис . 2 . Выходная характеристика транзистора КТ315Б .
Рис . 3 . Входная характеристика транзистора КТ315Б .
Рис 7 . АЧХ каскада в диапазоне 10 . . . 100 рад/с .
Рис 8 . АЧХ каскада в диапазоне 100 . . . 1000 рад/с .
Рис 9 . АЧХ каскада в диапазоне 10 3 . . . 10 4 рад/с .
Рис 10 . АЧХ каскада в диапазоне 10 4 . . . 10 5 рад/с .
Рис 11 . АЧХ каскада в диапазоне 10 5 . . . 2 · 10 6 рад/с .
Рис 12 . АЧХ каскада в диапазоне 2 · 10 6 . . . 4 · 10 7 рад/с .
Приложение 2
Рис 3 . АЧХ каскада с коррекцией и без коррекции в диапазоне 10 5 . . . 2 · 10 6 рад/с .
Рис 4 . АЧХ каскада с коррекцией и без коррекции в диапазоне 2 · 10 6 . . . 4 · 10 7 рад/с .
Приложение 3
