Аналоговая схемотехника (стр. 1 )

1 АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

1.1 Усилители и их параметры

Усилитель – устройство, предназначенное для увеличения значений параметров электрического сигнала (напряжения, тока и мощности). УГО усилителя в функциональной схеме показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – УГО усилителя

Усилитель характеризуется большим числом параметров. Осовные из них приведены ниже [1].

А) Коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению: Ku = uВЫХ/uВХ . Коэффициент усиления по напряжению используется наиболее часто. По току: KI = IВЫХ/IВХ. По мощности: .

Величины Кu, КI и КР могут быть различны, но значение КР всегда больше единицы. Если Кu < 1 и КI < 1, то такой функциональный узел не может называться усилителем. Для последовательно включённых усилителей (многокаскадного усилителя) общий коэффициент усиления определяется: К = К1К2К3…Кn = , или К[дБ] = = К1[дБ] + К2[дБ] + … + Кn[дБ] = .

Усилители могут иметь коэффициент усиления, лежащий в диапазоне от нескольких единиц до сотен тысяч и миллионов. Поэтому в ряде случаев коэффициент усиления выражают в децибеллах (дБ):

Кu[дБ] = 20lgKu­ ; КI[дБ] = 20lgKuI ; КP[дБ] = 10lgKP­ . (1.1)

Б) Входное и выходное сопротивления усилителя определяется из формулы для закона Ома относительно входных зажимов усилителя, а выходное – между его выходными зажимами. При определении выходного сопротивления усилителя полагают равенство нулю сопротивления внешней нагрузки, то есть оценка происходит при режиме короткого замыкания по выходу.

В) Частотная характеристика и частотные искажения. Если на вход усилителя подавать сигнал постоянной величины, но меняющийся в некотором диапазоне частот от нижней частоты fН до верхней fВ, то на выходе реального усилителя будет сигнал разный по величине, в зависимости от частоты входного сигнала. То есть на выходе усилителя наблюдается искажение отношения величин сигналов различных частот по сравнению с отношением, имеющимся на входе усилителя. Это означает, что усилитель вносит частотные искажения в усиливаемый сигнал – происходит не одинаковое усиление сигналов различных частот, рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 – Частотные искажения, вносимые усилителем

Оценку частотных искажений проводят по частотной характеристике (АЧХ), то есть зависимости К = j(¦). Типовая частотная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Типовая АЧХ усилителя

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) – это область частот от ¦н до ¦в, где изменение К не превышает требуемого значения. Отсчёт от величины Кср по уровню 0,707 = . Частоту по этому уровню называют частотой среза. Существуют параметры: коэффициент частотных искажений в области нижних частот: ; коэффициент частотных искажений в области верхних частот: . Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений определяется следующим образом: , или

(1.2)

Для построения АЧХ часто применяется логарифмический масштаб по оси частот (на декаде, то есть в интервале от 1 до 10, умноженном на 10n Гц, берут lg¦).

Д) Нелинейные искажения. Это искажение уровня сигнала при усилении из-за нелинейной зависимости между выходным и входным сигналами, то есть если на вход нелинейного усилителя поступает гармонический сигнал с частотой f, то на выходе будет негармоническое колебание, которое состоит из сигналов с частотами ¦ и 2¦, 3¦, … (гармоник). Мера таких искажений – коэффициент нелинейных искажений (Kг): (1.3)

Е) Номинальная выходная мощность. Это наибольшее значение мощности, отдаваемое в нагрузку при допустимых нелинейных искажениях.

Ж) Динамический диапазон. Этот диапазон нормируется или по мощности, или по напряжению, или току, и представляет собой интервал между максимальным и минимальными значениями параметра на входе или на выходе, в пределах которого электрические свойства усилителя соответствуют заданным условиям. Выражается обычно в децибеллах.

Все усилители можно разделить на две большие категории – усилители с резко нелинейным режимом работы и линейные. У нелинейных усилителей отсутствует пропорциональность в передаче на выход мгновенных значений входного сигнала. По достижении входным сигналом некоторой величины на выходе усилителя уровень сигнала не изменяется (ограничивается) – это усилители-ограничители. Они используются для нелинейных импульсных усилителей, когда важно передать на выход именно процесс переключения входного сигнала, например, из низкого уровня в высокий уровень. Нелинейные усилители – это функциональная основа дискретных (цифровых) интегральных схем.

У линейных усилителей выходной сигнал близок по форме к входному: мгновенные значения входного сигнала передаются на выход пропорционально. Классификацию линейных усилителей часто проводят по их амплитудно-частотной характеристике, определяемой при достаточно малом по величине гармоническом входном сигнале. Основные типы линейных усилителей приведены ниже.

А) Усилители постоянного тока (УПТ). Это усилители постоянного или медленно меняющегося сигнала. Но ряд задач требует иметь у таких усилителей полосу частот (частота fВ) до единиц мегагерц, рисунок 1.4.

Рисунок 1.4 – АЧХ УПТ

Б) Усилители звуковых частот (УЗЧ) (усилители низких часот). У этих усилителей полоса усиливаемых частот ориетировочно [20 Гц; 20 кГц] соответствует диапазону звуковых частот, слышимых человеком. Современные УЗЧ высокого качества могут иметь полосу частот от 10 Гц (fН) до 40-100 кГц, рисунок 1.5.

В)Усилители высокой частоты (УВЧ). Обычно это усилители, усиливающие некоторую полосу частот в диапазоне от 3 МГц до 30 МГц. А исторически сложившаяся практика относит к таким усилителям и узлы, работающие в диапазоне примерно от 100 кГц до 100–150 МГц.

Д) Широкополосные усилители (ШПУ) (видеоусилители). Они характерны полосой усиливаемых частот от десятков герц до десятков и сотен мегагерц. На их основе строятся линейные импульсные усилители, пропорционально увеличивающие значения каждой гармоники входного импульсного сигнала.

Рисунок 1.5 – АЧХ УЗЧ

В целом, в зависимости от решаемых задач, полоса частот ШПУ может находиться в любом месте на частотной оси, рисунок 1.6.

Рисунок 1.6 – АЧХ ШПУ

Е) Узкополосные усилители (УПУ). Полоса усиливаемых частот может лежать в любом месте на частотной оси, а её ширина составляет 0,001–1 % от значения центральной частоты АЧХ. Обычно это усилители с резонансной нагрузкой или вид их АЧХ формируется специальными фильтрами.

1.1.1 Принцип работы усилительного каскада

Суть работы усилителя отражается рисунком 1.7 [2]. Функцию управляемого элемента (УЭ) может выполнять транзистор, электронно-вакуумная лампа или другой активный элемент. Выходная цепь каскада образована сопротивлением R и запитана от блока питания с напряжением Е. Выходной сигнал выделяется на сопротивлении R при протекании выходного тока i вследствие изменения внутреннего сопротивления УЭ. То есть изменение тока i в выходной цепи происходит под воздействием входного напряжения.

Процесс усиления основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Ток i в выходной цепи однонаправленный, так как для питания используется источник напряжения постоянного тока.

Рисунок 1.7 – Функциональное содержание усилительного каскада

Переменные ток и напряжение следует рассматривать как переменные составляющие тока и напряжения, накладывающиеся на постоянные составляющие тока, напряжения, рисунок 1.8.

Рисунок 1.8 – Постоянная и переменная составляющие выходного сигнала

Амплитудные значения переменных составляющих не должны превышать величин постоянных составляющих: Iп ³ Im; Uп ³ Um. Иначе будет искажение формы входного сигнала. Для обеспечения работы усилительного каскада при переменном сигнале на входе, в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие IП; UП. Так обеспечивается режим по постоянному току (режим покоя). Чтобы задать IП, UП в выходной цепи, во входной цепи задают UВХП (или IВХП), например, с помощью резистивного делителя напряжения.

1.2 Усилители на полупроводниковых компонентах

Схемы усилителей указанных типов включения БПТ и ПТ имеют схожий рисунок электрической принципиальной схемы, но отличаются по способу задания режима по постоянному току. Основной вариант схемы усилителя на БПТ с ОЭ приведён на рисунке 1.9.

В выходной цепи протекает ток, управляемый током базы. Переменная составляющая выходного тока протекает через компоненты: блок питания – управляемый элемент (транзистор) – параллельно соединённые по переменному току сопротивления Rk и RН.

На выходе каскада создается усиленное напряжение. Остальные элементы схемы играют вспомогательную роль.

СР1 – разделительный конденсатор, который исключает шунтирование входной цепи каскада источником входного сигнала по постоянному току. СР2 – разделительный конденсатор, который пропускает в нагрузку только переменную составляющую выходного напряжения. Без этих конденсаторов был бы нарушен режим БПТ транзистора по постоянному току.

Сопротивления R1 и R2 необходимы для задания режима покоя. IКП – задается током базы покоя IБП, который протекает через сопротивление R1. Совместно эти два резистора обеспечивают исходное напряжение покоя на базе UБП – под его воздействием течет ток IБП.

Сопротивление RЭ – это сопротивление отрицательной обратной связи (ООС), за счёт которой стабилизируется режим покоя каскада в диапазоне температур. СЭ шунтирует RЭ по переменному току, устраняя ООС по переменному току, которая привела бы к уменьшению коэффициента усиления каскада.

Термин ОЭ в данной схеме означает, что вывод эмиттера БПТ по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

Рисунок 1.9 – Основная схема усилителя с ОЭ

Для режима по постоянному току характерно:

UКЭП = EК – IКПRК – IЭПRЭ = EК – IКПRК - IКПRЭ/a . (1.4)

Так как a®1, то UКЭП = EК – IКП (RК + RЭ), – это графическое уравнение прямой, или линии нагрузки каскада по постоянному току. Нагрузочная прямая по постоянному току проводится по двум точкам: первая точка – для режима холостого хода: IКП = 0; вторая точка – для режима короткого замыкания по выходу: UКЭП = 0, IКП = EК / (RК + RЭ). IБП выбирается по входной характеристике: IБ = f(UЭБ).

Для определения переменных составляющих используют линию нагрузки по переменному току RН~: так как RЭ||XСЭ » 0, RН~ = RК||RН, CР2 » 0; внутреннее сопротивления источника питания Ri (Ek) = 0, отсюда: RН~ = RК||RН; RН_= RК +RН .Так как ток коллектора – это сумма переменных и постоянных составляющих, то обе нагрузочные прямые проходят через точку покоя. При воздействии на базу входного сигнала рабочая точка от точки покоя перемещается по прямой RН~, отражая изменение мгновенных значений тока коллектора iК(t). Амплитуда выходного тока определяется: IКm = UВЫХm/RН~; RК » (3¸5)RН..