1. Основни електрически параметри на усилвателите

Усилвателят е четириполюсник,който усилва електрическия сигнал,подаден на входа му,като използва енергията на постояннотоков източник.Усилвателят няма да промени формата на усилвания сигнал,когато се осигури подходящ постоянно токов режим.

На входа на усилвателя се включва генератор ( източник на сигнал ) с електродвижещо напрежение Е и вътрешно съпротивление Ri = Ru = Rr. На изхода му се включва товар RT,на който се подава усиленият сигнал.

Основните параметри нa усилване са : - Коефициент на усилване по напрежение

К= Ku = Uuзх . Uвх

Коефициентът показва колко пъти е по голямо от входното

напрежение.Има положителна стойтност,когато няма

дефазиране между изходното и входното напрежения и

отрицателна стойност,когато изходното напрежение е

дефазирано на 180° спрямо входното.

- Коефициент на усилване по ток

Ki= Iизх

Iвх

- Коефициент на усилване по мощност

Kp= Pизх . Pвх

Kато имаме предвид,че Pизх= Uuзх Iизх и Pвх= Uвх Iвх,то Кp=KuKI.

Коефициентът на усилване по мощност е положително число по голямо от 1.В практиката коефициентите ба усилване по напрежение,по ток и по мощност се изразяват в децибели:

Кu[dB]=20 1gKu; KI[dB]=20 1gKI; Kp[dB]=10 1gKp.По-голямо усилване може да се получи,когато усилвателят е многостъпален.Коефицента на усилване за такъв усилвател е : К=K1.K2…Kn

или K[dB]= K1[dB]+K2[dB]+… Kn[dB].

Входно и изходно съпротивление

Входното съпротивление на усилвателя се определя за променливата със тавка на сигнала Rвх =Uвх , Ω. To

То представлява товар за генератора.Съгласуване между входа на усилвателя и генератора има когато Rт≤RВХ. Нискоомен е входът,чието

съпротивление е RВХ<(2÷5)k Ω и високоомен,когато

RВХ>5кΩ.

Изходното съпротивление се определя за променливата съставка на изходния сигнал RИЗХ

=Uизх , Ω. Съгласуване Iизх

между изхода на усилвателя и товара има когато RИЗХ≤ Rт. Когато RИЗХ<(2÷5)kΩ изходът е нискоомен, а когато

RИЗХ>5kΩ-изходът е високоомен.

Ампликтудно-честотна характеристика(АЧХ) АЧХ е графично представена зависимост межфу коефицента на усилване и честотата на сигнала. К=F(f). Входът на усилвател,усилващ постоянен и променлив сигнал.Капацитетът C0 включва входния капацитет на транзистора и монтажния капацитет.На изхода на усилвателя също има капацитет C0,който включва капацитета на следващото стъпало,изходния капацитет на транзистора и монтажния капацитет.Съпротивлението на капацитета C0(XC0) e честотно зависима величина и при усилване на променлив сигнал ще намали усилването.

- Фазово-честотна характеристика (ФЧХ) Тази характеристика показва дефазирането на усиления сигнал спрямо входния сигнал при промяна на честотата на сигнала – φдоп = F( f ).

- Kоефициент на линейни честотни изкривявания Линейни честотни изкривявания (ЛЧИ или ЧИ) представляват различното усилване на еднакви по амплитуда,но различни по честота входни сигнали.Те се дължат на честотно зависимите линейни елементи в усилвателя – кондензатори и бобини,влияещи при различните честоти. Честотните изкривявания се определят и оценяват чрез коефициента на линейни честотни изкривявания.Коефициентът за определена честота е Mf = Kf , K0

където Kf е коефициентът на усилване за определената честота и K0 – коефициентът на усилване за средни честоти.Когато М=1,усилването за всички честоти е еднакво (идеален усилвател).Коефициентът на ЛЧИ може да се представи в децибели Mf=+201g Kf ,dB.Максимална допустима стойност на Mf е +3 dB. K0

Знакът “+” показва,че Kf >K0 (повдигане в АЧХ),а знакът “-“, че Kf <K0 (спадане в АЧХ).

- Честотна лента

Честотна лента на усилвателя (Δf),включва честотите,за които коефициентът на усилване (К) намалява до 30% или с 3 dB спрямо максималното усилване ( 0,7 Kmax ).

- Амплитудна характеристика и динамичен обхват

Амплитудна характеристика показва графично

изменението на изходното напрежение при промяна на входното напрежение Uизх= f(Uвх).Амплитудна характеристика съдържа нелинейни части,в които усилвателят не трябва да работи,за да няма нелинейни изкривявания.UIII е напрежението на шумов,случаен сигнал.Определя се като чувствителност на усилвателя.Сигналът за усилване (Uвх) трябва да се мени между Uвхmin

и Uвхmax , т.е. да се използва линейната част от характеристиката.

Динамичният обхват на усилвателя (D) се определя с израза D= U вхmax .

Uвхmin

Може да се представи и в dB: D=201g U вхmax ,dB. Uвхmin

- Коефициент на нелинейни изкривявания

Нелинейните изкривявания (НЛИ) представляват изменение на формата на усиления изходен сигнал спрямо входния сигнал.Те се дължат на нелинейните елементи в схемата (транзистори ,трансформатори и др.),които работят в нелинейната част от характеристиката си и добавят към усилвания сигнал хармоници на този сигнал. Нелинейните изкривявания се оценяват чрез коефициента на нелинейни изкривявания (клирфактор),записван по следния начин:

КНЛИ= √U22+U2

3 +…U2n ,

U21

Където U1,U 2,U n –eфективна стойност на съответния хармоник.Коефицентът на НЛИ за реален усилвател има стойност от 0.01 до 0.1 или 1 до 10%.

Коефицент на полезно действие (КПД)

КПД на изходната верига :ƞ=PИЗХ .100%,където PИЗХ –изходна

P0

мощност а P0 – консумирана мощност. Промишлен КПД : ƞ= PИЗХ . 100%,където P1+P2+...Pn

P1+P2+...Pn

са мощностите на захранващите източници.

Видове усилватели

Най-често използваните признаци,по които могат да се класифицират усилвателите,са :

Вид на сигнала за усилване-усилвател на аналогови сигнали;-усилватели на импулсни сигнали.Честота на сигнала-постояннотокови(ПТУ);-нискочестотни(НЧЪ,звуков);

-лентови(ШЛУ,ЛУ)-високочестотни (ВЧУ).

Амплитуда на входния сигнал-предварителни усилватели;

-крайни усилватели.

Брой на стъпалата-едностъпални;-многостъпални.

Връзката между отделните стъпалаусилватели с капацитивна връзка (RC усилватели);усилватели с индуктивна връзка; усилватели с директна (главанична) връзка.

Усилване величина-усилвател на ток;-усилвател на напрежение;- усилвател на мощност.

Задачи и въпроси 1.По какво се различават сигналът от генератора и сигналът на входа на усилвателя,ако е нарушено съгласуването между тях?2.Изчислете коефицента на усилване на тристъпален усилвател,когато за отделните стъпала е дадено К1=5, К2=7, К3=10 и в децибели К1=15 dB, K2=10dB, K3=10dB.

Oтг.К=350; К=35dB.3.Кои основни параметри на усилвателя може да се определят от АЧХ и амплитудната характеристика?4.Обяснете какво представляват линейните честотни изкривявания и как се определят?5.Кога на изхода на усилвателя се появяват нелинейни изкривявания и на какво се дължат?

6.Начертайте АЧХ на нискочестотен усилвател и означете върхо нея честотната му лента.7. Изчислете амплитудата на изхода на всяко усилвателно стъпало от двустъпален усилвател,ако знаете: UВХ=10mV ;K1=5 и K2=10. Отг.Uизх1=50mV; Uизх2=500mV.8.Какъв характер има съпротивлението на усилвателя,когато изходното напрежение е дефазирано на 90 r спрямо входното напрежение?9.Товарното съпротивление RТ в изхода на усилвателя е по-голямо от изходното съпротивление на усилвателя RИЗХ.Каква е връзката между посочените величини : UИЗХ и URT; IИЗХ и IRT;P ИЗХ и РRT.

1.24. Операционен усилвател

Структурна схема на операционен усилвател (ОУ)

ОУ е линеен маломощен усилвател изпълнен като интегрална схема с голям коефициент на усилване по напрежение. Структурната схема на ОУ се състои от следните основни стъпала.

Входно стъпало (1)

Има два входа – инвертиращ и неинвертиращ и осигурява :* голямо входно съпротивление;

* усилване на подадения сигнал; * подтискане ( не усилване ) на случаен сигнал.

Усилвателно стъпало (2)

Изпълнява се с транзистори, включени по схема OE, като осигуряват усилване по напрежение.

Изходно стъпало (3)

Работи в клас AB и е с транзистори, включени по схема ОС, като осигурява :* усилване по ток;* малко изходно съпротивление;* добър КПД; * ниско ниво на НЛИ.

Коефициентът на усилване по напрежение на ОУ без външна ООВ е много голям, но стойността му не е постоянна.Когато се въведе външна ООВ, коефициентът на усилване има определена стойност и остава постоянен. Чрез външни елементи може да се осъществи необходимата честотна корекция и регулиране напрежението на несиметрия. Обикновено ОУ се захранва от симетричен токоизточник |E1| = |-E2|. Средната точка на постояннотоковия захранващ източник има нулев потенциал и спрямо нея се измерват потенциалите на

всички останали точки. При несиметрично захранване на ОУ в интегралната схема се реализира допълнително стъпало за преместване на ниво.

Основни параметри на ОУ

* номинално захранващо напрежение ECC( + E1 и -E1 или + ЕCC и - ЕCC ) ;* номинален ток на консумация ICC;* максимална консумирана мощност PC( PCC);* номинален коефициент на усилване А на самата интегрална схема без ООВ;* входно диференциално съпротивление Ri( RВХ, RВХ.ДИФ);* изходно съпротивление R0(Rизх); * коефициент на потискане на входните синфазни сигнали, който се означава с CMRR ( CMR – фактор );* амплитудно – честотна характеристика и широчина на честотната лента Δƒ ;* честота на единично усилване ƒT (ƒА=1).В таблица 4.1 са дадени основните параметри на използвани ОУ.

Таблица 4.1

Операционен усилвател

Есс, V

Iсс, mA

Рсс, mW A Ri, kΩ

Ro, Ω

CMRR, dB

fT, MHz

BW, kHz

709 ±15 2,5 80 45 . 103 400 150 90 1 10

709A ±15 2,5 75 45 . 103 700 150 110 1 10

709C ±15 2,5 80 45 . 103 250 150 90 1 10

715 ±15 1,6 126 30 . 103 300 75 80 65 100

741 ±15 1,6 50 2 . 105 2000 75 90 1 10

741A ±15 1,6 80 2 . 105 6000 75 90 1 10

741C ±15 1,6 50 2 . 105 2000 75 90 1 10

747C ±(3-18) 3 800 2 . 105 1000 75 900 20

LM101 ±(5-18) 1,7 100 105 8 . 105 75 90 1 10

LM308 ±(5-18) 0,3 500 3 . 105 3 . 105 75 100 0,1 10

LM324 ±(2-16) 1 570 105 10 5 75 70 0,15 10

LM358 ±(2-15) 1,5 500 105 10 5 75 70 0,1 50

LM592 ±(3-8) 18 500 105 10 5 75 86 0,2 100

1.3 Схеми за осигуряване на работна точка на транзистора

Tранзисторът е усилвателният елемент в схемата на различните усилватели,което изисква управляващият

емитерен преход да бъде право включен,а управляваният колекторен преход – обратно включен. Постоянното базово напрежение е по – малко от

това на колектора и може да се използва един постояннотоков захранващ източник. Различните

схеми, осигуряващи постоянни напрежения на изводите на транзистора, трябва да компенсират

всички възможни изменения на работната точка на транзистора в режим на покой.

При най-често използваното включване на

транзистора ОЕ,в практиката са намерили следните схеми.

Схема със паралелно обратна връзка

Резисторът R1 е включен между колектора и базата на транзистора.Базовият ток на покой Iво протича от положителния полюс на Ес,през Rc,R1,прехода база – емитер до отрицателния полюс на Ес.На базата на транзистора се подава постоянно положително напрежение Uво, еднакво по стойност с напрежението на прехода база – емитер UВЕО. Когато се повиши температурата,при която работи транзисторът,нараства колекторният ток на покой IСО и нараства напрежението върху Rc( URc ). Намалява постоянното напрежение на колектора UC0 и напрежението на базата Uво,което води до намаляеане на токове Iво и IСО. С тази схема се стабилизира температурно работата на транзистора,но се използва по – рядко, тъй като Uво зависи от UC0 и R1,а не от Ес и R1.

Схема с ООВ е емитерната верига

На фиг.4.12 е начертана схемата,използвана в практиката като схема със фиксиран базов ток.

На схемата са показани веригите,по които протичат токовете Iво и IСО. Напрежението Uво= UВЕО+UR3 не е постоянно,зависи от големината на R1 и Iво.Когато се повиши температурата на транзистора,нараства IСО и напрежението върху емитерния резистор UR3.Това напрежение има обратна полярност на напрежението на прехода база-емитер и води до намаляване на Iво и IСО. Нежеланите температурни изменения в схемата се компенсират чрез ООВ в емитера.

Схема с ООВ в емитерната верига и базов делител на напрежението

Tоковете Iво , IСО и токът Id , наречен ток на делителя.Големината на този ток ( Id ) зависи само от стойностите на резисторите R1 и R2 и той трябва да бъде много по – голям от Iво. Върху резистора R2 се получава напрежението Uво = Id R2 = Uвео+UR4,което остава постоянно,независимо от температурните изменения,при повишаване на температурата нараства IСО и ООВ в емитера стабилизира температурно схемата.С резистора R4 се изпълнява ООВ във входа на усилвателя. Резисторите Р1 и R2 са включени последователно на захранващия източник EС и през тях протича постоянен ток винаги,дори когато транзисторът е запушен . Спрямо входното схемата R1 и R2 са включени паралелно и могат да повлияят на входа на

съпротивление на усилвателя ,когато са нискоомни .Тази схема се използва най-често в практиката.

Клас на работа на усилвателя (транзистора) Класът на работа се определя от положението на работната точка на транзистора върху характеристиката му при постоянотоков режим (ПТР).Това е режимът,когато на схемата се подава опстоянно захранване,но няма сигнал за усилване

В зависимост от стойността на напрежението UВО се използват следните класове на работа:Клас А Tранзистора ICO= IСП (ток на покой) и UВЕО=UВЕП(напрежение на покой).Усилваните сигнали с различна полярност трябва да бъдат с малки амплитуди,а КПД е малък –(35÷40%).Честотата на входния и усиления сигнали е еднаква. Клас А се използва в маломощни и предусилвателни стъпала.Клас В Характеристиката,мястото на работната точка В и изменението на точка IСО и напрежението UВЕ са показани на.Работната точка В е избрана в началото на характеристиката ,което показва че при при ПТП почти не се използва (консумира) енергия от захранващия източник.КПДе голям-(70÷80%),но могат да се усилват само тези от входните сигнали,които отпушват транзистора.

НЛИ са много големи.Този клас се използва в крайните (мощни)стъпала,където амплитудата на сигнала е голяма .Усилването на двуполярен сигнал е възможно,когато се включва комплементарна двойка транзистори.

Клас АВ На фиг.4.14 в е начертана характеристиката и означена избраната работна точка за клас АВ.Тя е разположена в началото на линейната част на характеристиката Особеностите на този клас са следните:*КПД е (50÷60)%. КПДА <КПДАВ<КПДВ;*амплитудата на усилвания сигнал е по-голям от тази при клас А и класът АВ се използва при крайните усилватели;*Усилването на разниполярни сигнали е възможно при използване на комплементарна двойка транзистори;*НЛИ са по-малка от тези при клас В,но по-големи спрямо клас А.Клас С и D Използват се при импулсните схеми.Работната точка е върхо характеристиката при обратно включване на емитерния преход и транзисторът се отпушва с голям по амплитуда входен сигнал.

1.4 Усилвател на мощност

Усилвателят на мощност (УМ) е крайно стъпало.Основните изисквание към него са следните:* да има голям КПД, който се постига с подходящ клас на работа и съгласуване между изхода на усилвателя и товара;* да се използва максимално усилването на транзистора по ток, напрежение и мощност;* да има минимални НЛИ.В зависимост от връзката между усилвателя и товара съществуват два вида усилватели :- еднотактно трансформаторно стъпало. Използва се рядко за изходна мощност до 0,3 W , тъй като транзисторът работи в клас А, който има малък КПД; - безтрансформаторно крайно стъпало.В зависимост от изходната мощност, крайното стъпало е маломощно до 10 W и мощно над 10 W.

Маломощно безтрансформаторно крайно стъпало :

Усилвателят се състои от две стъпала. Първото стъпало е предусилвател, който усилва по напрежение и осигурява необходимия сигнал за входа на второто стъпало. Второто стъпало е реализирано с комплементарна двойка транзистори, включени по схема ОС и усилващи сигнала по тока.При ПТР на усилвателя, транзистор Т1 работи в клас А и е отпушен. Транзисторите Т2 и Т3 работят в клас АВ и също са отпушени. Подаденото захранващо напрежение Ес на схемата е причина за протичане на следните постоянни токове :IВО1-Постоянен базов ток на Т1;IСО1-постоянен колекторен ток на Т1,който създава пад на напражение върху R2,подаден към базите на Т2 и Т3;IЕО1-постоянни емитерен ток на Т1;IВО2 и IВО3-постоянни базови токове на Т2 и Т2;IСО2 и IСО3-посоянни колекторни токове на Т2 и Т3,които са еднакви;IЕО2 и IЕО3 –постоянни емитерни токове на Т2 и Т3.

С резисторите R5 и R6 се осигурява постоянно напрежение на базата на Т1.Еднаквите по параметри транзистори Т2 и Т3

имат еднакви съпротивления и върху всеки от тях се получава половината от захранващото напрежение. На изхода на усилвателя няма сигнал поради разделителния кондензатор C4, който е зареден с напрежение, равно по стойност на половината от захранващото. При нарушена симетрия във второто стъпало, чрез ООВ изпълнена с нискочестотния филтър R5,R6 и C3,се променя постоянното напрежение Uво1.Работната точка на транзистора Т1 се премества в зависимост от големината и полярността на върнатия сигнал. Изменението на базовия и колекторния токове на Т1 променя състоянието на Т2 и Т3, така че симетрията в това стъпало се възстановява. Нискочестотният филтър се използва и за честотна корекция.Усилвателният режим на крайното стъпало започва с подаване на променлив входен сигнал и включено захранващо напрежение към схемата. Приемаме, че входният сигнал е положителен по полярност. В зависимост от амплитудата му нарастват базовият Iв1 и колекторният ток IC1. Върху колекторния резистор R1 се получава усилен по напрежение сигнал с отрицателна полярност , който намалява базовия ток IВ2 на Т2 и той се запушва. Увеличеният базов ток IВ3 на Т3 отпушва транзистора и емитерният ток му ток протича

през товара. Мощността на сигнала в товара е много по-голяма от тази на входния сигнал. Кондензаторът C4 трябва да има много голям капацитет, тъй като напрежението върху него служи като захранващо за Т3, когато работи в усилвателен режим. Отрицателният входен сигнал е усилен по напрежение от Т1 и с положителна полярност е еднаква амплитуда се подава едновременно Т2 и Т3. Транзисторът Т2 се отпушва и емитерният му ток протича през товара, като дозарежда кондензатора C4. При отрицателен входен сигнал Т3 е запушен. Входният и усиленият изходни сигнали имат еднаква форма и честота, но мощността на изходния сигнал е по-голяма от тази на входния. Полярността на усиления сигнал е обратна на входния сигнал.

Мощно безтрансформаторно крайно стъпало

Този усилвател може да се изпълни с мощни транзистори в комплементарна двойка. Но най-често всеки транзистор от двойката се замества със съставен транзистор, изпълнен по съответна схема. Коефициентът на усилване по ток на съставния транзистор е произведение от

коефициентите на усилване на всеки транзистор. Транзситорите Т2 и Т4 представляват съставен транзистор, включен по схема Дарлингтон, а транзисторите Т3 и Т5 – съставен комплементарен транзистор. Транзисторите Т2 и Т4 са еквивалентен NPN транзистор, с коефициент на усилване β2,4 = β2 β4.

Транзисторите Т3 и Т5 са еквивалентен PNP транзистор, с коефициент на усилване β3,5 = β3 β5.Транзисторите Т4 и Т5 са еднакви, а Т2 и Т3 се избират като комплементарни двойки. Схемата на усилвателя, показана на фиг. 4.21, има две стъпала. Класът на работа на стъпалата, ПТР и усилвателният режим са същите, както при маломощно стъпало. Основната разлика между двете крайни стъпала е коефициентът на усилване по мощност КP. За схемата КP може да нараства много при увеличаване броя на транзисторите, включени във всеки съставен транзистор.