Файл: Конспект лекций по дисциплине Эц и МСХТ.doc

Следует отметить, что в последнее время широкое распространение получили сверхъяркие светодиоды и светодиодные индикаторы с мощностью излучения в несколько десятков и даже сотен мВт.

3. Основные характеристики и параметры усилителей

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом , источник питания и нагрузочное устройство с сопротивлением (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема усилительного устройства

Входной сигнал управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы.

Классификация усилителей производится по многим признакам:

по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;
по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;
по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители;
по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.

Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.

В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.

Основными характеристиками любого усилителя являются:

амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость: . Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат (рис. 12);

Рис. 12. Пример амплитудной характеристики усилителей

амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты (рис. 13). Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;
фазочастотная характеристика (ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала (рис.13);

Рис. 13. Пример АЧХ (рисунок слева) и ФЧХ (рисунок справа) усилителей

переходная характеристика – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1 на рис. 14) либо апериодичным (кривая 2 на рис. 14).

Рис. 14. Пример переходных характеристик усилителей

Важнейшими параметрами усилителя являются:

коэффициенты усиления по току , напряжению и мощности :

где ,,,,, – действующие значения токов напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя;

полоса пропускания усилителя (рис. 15) характеризует частотные свойства усилителя. Измеряется на уровне 0,707 от ,;

Рис. 15. Определение полосы пропускания по АЧХ усилителя

входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты:

;

выходная мощность усилителя – это мощность, которая выделяется на нагрузке;
искажения сигналов в усилителе – это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные).

Нелинейные искажения возникают в усилите за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник:

где – амплитуда n-й гармоники, – амплитуда основной гармоники выходного сигнала.

Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.

Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом, как правило, является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.

4. Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя.

Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рис. 16.

Рис. 16. Структурная схема усилителя с обратной связью

В общем случае обратная связь в усилителе может быть положительной и отрицательной. Если сигнал обратной связи по фазе совпадает с входным, то связь называется положительной. В этом случае

где – коэффициент усиления усилителя без обратной связи;– коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью;–коэффициент передачи в цепи обратной связи.

Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. При усиление схемы равно .

Отрицательная обратная связь возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 180°.

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя.

По способу получения сигнала обратной связи принято различать обратную связь по напряжению и по току (рис. 17).

а) б)

Рис. 17. Обратная связь по напряжению (а) и по току (б)

Обратная связь может быть частотно-зависимой и частотно-независимой. В обратной связи могут использоваться как линейные, так и нелинейные элементы.

В электронных усилителях, как правило, применяется отрицательная обратная связь. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, отрицательная обратная связь позволяет улучшить стабильность работы схемы при изменении параметров усилителя и напряжения питания; снижает уровень нелинейных искажений и собственных помех, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление; расширяет полосу пропускания усилителя.

Положительная обратная связь применяется в автогенераторах. В некоторых усилителях для получения требуемой АЧХ используются одновременно и положительная, и отрицательная обратные связи.

5. Биполярный транзистор и схемы его включения

Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p–n-переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа "p-n-p" и "n-p-n" (рис.18).

Рис. 18. Биполярные транзисторы типа «p-n-p» (а) и «n-p-n» (б)

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.

где, , – токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы.

Важнейшими параметрами, характеризующими качество транзистора, являются дифференциальный коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор – и дифференциальный коэффициент передачи тока из базы в коллектор :