Электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства (стр. 9 )

Рис.4.10. Схема удвоения напряжения.

Основным преимуществом схем умножения является возможность получения очень высоких напряжений от сравнительно низковольтного источника и при сравнительно низковольтных диодах. Однако из-за большого выходного сопротивления и низкого КПД их применяют только при малых токах. Исключением является простая схема удвоения напряжения, представляющая собой два однополупериодных выпрямителя (рис.4.10). Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на емкостях каждого выпрямителя. Частота пульсаций здесь удваивается, как и в мостовой схеме. Ток вторичной обмотки трансформатора не имеет постоянной составляющей и, следовательно, трансформатор работает без подмагничения. При малых токах нагрузки , будем иметь , , где Um – амплитуда напряжения трансформатора. С учетом тока нагрузки реальное напряжение на ней снижается, но остается равным удвоенному значению однополупериодного выпрямителя.

5. Электронные усилители.

5.1. Классификация и основные характеристики усилителей.

Усилитель – устройство для увеличения параметров сигнала (напряжения, тока, мощности) без изменения его формы.

По диапазону частот усилители различаются:

1.  Постоянного тока (0 - 20 Гц);

2.  Низкой частоты (40 Гц – 20 кГц);

3.  Промежуточной и высокой частоты (20кГц – 300 МГц);

4.  Сверхвысокой частоты (> 300 МГц);

5.  Широкополосные (видео) усили- 300 МГц).

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

По исполнению – ламповые, транзисторные, на интегральных микросхемах.

Основными характеристиками усилителя являются:

1.  Коэффициент усиления по напряжению, по току, по мощности: ; ; . Типичный коэффициент усиления одного каскада усилителя по напряжению и току от нескольких единиц до нескольких десятков. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Часто усиление измеряют в децибелах S=20lgK.

Для многокаскадного усилителя S=S1+S2+S3+…

2.  Полоса пропускания усилителя – это диапазон рабочих частот, в пределах которого коэффициент усиления не падает ниже от максимального значения Кмах (рис.5.1).

Рис. 5.1. Зависимость коэффициент усиления усилителя от частоты (АЧХ усилителя).

Полоса пропускания определяется по амплитудно–частотной характеристике усилителя (АЧХ) при подаче на усилитель синусоидального сигнала с изменяющейся частотой.

3.  Номинальная (выходная) мощность усилителя. Для синусоидального сигнала , где Uвых – действующее значение выходного напряжения, ZН – модуль комплексного сопротивления нагрузки, - сдвиг фазы между напряжением и током на нагрузке.

Номинальная мощность может быть от десятых ватта до десятков и даже сотен киловатт.

4.  Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение номинальной выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания.

5.  Чувствительность- минимальное входное напряжение (от микровольт до вольт). Чувствительность обычно ограничивают шумы усилителя.

5.2. Принцип действия усилителя.

Усилительный каскад состоит из резистора R и управляемого элемента УЭ (рис 5.2), роль которого может выполнять транзистор или электронная лампа. Совместно с источником напряжения Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Процесс усиления сигнала U1 основан на преобразовании энергии источника питания Е в энергию переменного напряжения U2 в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому воздействием управляющего сигнала U1.

Рис. 5.2. Усилительный каскад.

Рассмотрение работы усилителя существенно упрощается когда сопротивления усилительного элемента Ri существенно больше сопротивления R. В этом случае изменение сопротивления Ri под действием входного напряжения эквивалентно изменению тока в УЭ. Это описывает входная характеристика УЭ, обычно приводящаяся в справочниках.

Рис.5.3. Входная характеристика транзистора (сплошная линия) и лампы (пунктирная).

На рисунке 5.3. приведены типичные входные характеристики транзистора и лампы. Для неискаженной передачи сигналов используют линейную часть характеристики подачей постоянного напряжения смещения Uo на вход усилителя (рабочая точка), при этом через УЭ протекает постоянный ток Io. При знакопеременном сигнале рабочая точка устанавливается на середину прямолинейного участка характеристики. Тогда изменения входного напряжения (полезный сигнал Uвх) в точности повторяются в изменениях тока, которые в свою очередь по закону Ома создают такие же изменения напряжения на УЭ, снимаемые с усилителя. ; . Здесь S – крутизна характеристики в рабочей точке. Переменная часть выходного напряжения линейно передает входной сигнал, но с обратным знаком. Коэффициент усиления приближенно равен .

С учетом конечного сопротивления усилительного элемента будем иметь:

(5.1).

При дополнительном учете параллельных УЭ проводимостей: сопротивления нагрузки (1/RН), паразитной емкости () они добавляются к проводимостям в знаменателе, так как на них ответвляется часть тока УЭ:

(5.2).

Рис.5.4. Простейшая схема усилителя на лампе а) и транзисторе б).

Простейшие схемы усилителей приведены на рисунке 5.4. В схеме а) рабочая точка устанавливается с помощью сопротивления в цепи катода Rк, на котором создается постоянное отрицательное смещение . Емкость Ск устраняет отрицательное смещение по переменному току.

В схеме б) рабочая точка устанавливается с помощью делителя R1-R2: . Разделительные емкости С1 и С2 ставятся для отделения постоянных напряжений от входной и выходной цепей.

Усиление обеспечивается самим устройством усилительного элемента. В лампе сетка делается очень редкой, имеет отрицательное смещение и поэтому на нее поступает существенно меньше электронов, чем проходит на находящийся под положительным потенциалом анод. В транзисторе область базы выполняется тонкой, так что носители, поступающие из эмиттера, не успевают рекомбинировать и проходят на коллектор. Все это обеспечивает усиление по току. Усиление по напряжению обеспечивается тем, что сетка в лампе и база в транзисторе являются первыми к катоду и эмиттеру и своим малым потенциалом сильнее влияют на ток, чем потенциал анода и коллектора.

5.3. Обратная связь в усилителях.

5.3.1. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

Обратная связь (ОС) в усилителях появляется при подаче части выходного сигнала на вход усилителя с помощью четырехполюсника обратной связи (рис.5.5.).

Рис. 5.5. Обратная связь.

Выходное напряжение согласно схеме рис.5.5 будет равно:

(5.3).

Тогда полная передаточная функция (полный коэффициент усиления) усилителя с обратной связью

(5.4).

Коэффициент называется глубиной обратной связи. Если , то ОС является отрицательной, если , то ОС является положительной.

Рассмотрим в (5.3) произведение , где jb и jK - ФЧХ обратной связи и усилителя соответственно.

В случае, когда jb +jK кратна 2p ОС – положительна и при bKус®1 коэффициент усиления усилителя с ОС стремиться к бесконечности, что физически означает самовозбуждение усилителя. В этом режиме работы сигнал на выходе усилителя появляется даже в отсутствии сигнала на входе, т. е. усилитель с ОС становиться генератором (см. гл. 6).

В случае, когда jb +jK кратна p ОС – отрицательна и .