Схемотехника электронных средств

сигнал в сигнал большей мощности (тока, напряжения) без существенного искажения его формы. При усилении тока или напряжения одновременно происходит усиление мощности.

Структурная схема усиления электрических сигналов

Делитель напряжения
– аттенюатор

Регулируемый делитель напряжения

Источника),
Ri - внутреннее сопротивление источника

Закон Ома

Первый закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа

Входное сопротивление

Zвx = Uвx/Iвx, [Ом]

На резисторе U1 - U2 = RIвx
Iвx=(U1 — U2)/R. Rвx = U2/Iвx.
Rвx = RU2/(U1 - U2)= R/(U1/U2 - 1)

Выходное сопротивление

Rвыx= U/ IКЗ

U - это выходное напряжение холостого хода
U' - выходное напряжение на нагрузке R
падение напряжения на Rвыx при наличии нагрузки равно U-U'
выходной ток при наличии нагрузки равен U'/R
Rвыx = R(U-U')/ U'

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения

для оптимальной передачи напряжения
Uвx было почти равно U
Uвx = U Rвx /Rвыx + Rвx
Uвx  U,
Rвx >>Rвых

Rвыx Xвx = -Xвыx

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока

Максимум входного тока Iвx , когда полное сопротивление в цепи выбирается возможно меньшим
При фиксированном Rвыx следует стремиться к возможно меньшему значению Rвx

пред­назначенные для усиления напряжения, тока или мощности входных элект­рических сигналов за счет энергии источника питания.

По роду усиливаемого сигнала - усилители посто­янного тока (УПТ), усилители переменного тока

По частоте усиливаемого сигнала – УНЧ, УВЧ, ШПУ, ИУ

По виду усиливаемого сигнала - усилители гармоничес­ких и импульсных сигналов

По функциональному назначению - усилители напряже­ния, тока и мощности

По виду соединительных цепей усилительных каскадов - усилители с гальванической (непосред­ственной) связью, усилители с RC - связями, усилители с индуктивной (трансформаторной) связью

а) УПТ, б) УНЧ, в) УВЧ, г) ШПУ, д) ИУ

зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току КI или мощности КP.: КU =Uвых /Uвх , КI = Iвых /Iвх, КP =Pвых /Pвх,
КU (дБ) = 20lg КU; КI (дБ) = 20lgКI; КP(дБ) = 10lg КP
Для многокаскадного усилителя К = К1К2..КN К (дБ)= К1(дБ)+К2(дБ)+..+КN(дБ)

 

Амплитудная характеристика - это зависимость амплитуды выходно­го напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).
Точка 1 соответствует сигналу шумов, измеряемому при нулевом входном сигнале
Точка 2 - минимальному входному напряжению, при котором мож­но различить сигнал на фоне шумов.
Участок 2-3 - это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным на­пряжениями усилителя.
После точки 3 наблюдается ограничение сигнала из-за попадания транзисторов в режим насыщения

Динамический диапазон усиления характеризует диапазон изменения входного сигнала D = Uвхмакс /Uвхмин.

сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии. Эта характеристика используется для определения динамических свойств устройства. Численно по данной характеристике определяют два параметра: время нарастания выходного напряжения tнар и перерегулирование выходного напряжения (выброс фронта импульса) δ.

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная харак­теристика в области малых времен, области низких частот - переходная характе­ристика в области больших времен.

Коэффициент полезного действия (КПД):
η= Pвых/P0 где Р0 - мощность, потребляемая усилителем от источника питания.
КПД характеризует экономичность усилителя. Особенно важен для мощных выходных каскадов.
Входное и выходное сопротивление . Их значения учитываются при согласовании усилителя с источником входного сигнала (датчиком) и с нагрузкой. В общем виде зна­чения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и яв­ляются функцией частоты. Последняя зависимость особенно важна в случае дей­ствия на входе усилительного устройства непериодического сигнала.
Выходная мощность усилителя - эта та часть мощности, которая мо­жет быть выделена в нагрузке длительное время.

зави­симостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью ста­тических ВАХ применяемых элементов,
2. с зависимостью коэф­фициента передачи усилителя от частоты.
Поэтому при анализе работы усили­телей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: нелинейные и линейные (частотные и фазовые), в результате кото­рых меняется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала.

Причина возникновения нелинейных искажений:
При воздействии на вход усилителя синусои­ды выходной сигнал кроме входной гармоники будет содержать ряд допол­нительных гармоник. Появление этих гармоник обусловлено зависимостью коэффициента усиления от величины входного сигнала. Следовательно, по­явление нелинейных искажений всегда связано с появлением на выходе до­полнительных, отсутствующих на входе гармонических составляющих.

 

Коэффициент гармоник (коэффициент нелинейных искажений) КГ для количественной оценки величины нелинейных искажений. Отношение величины высших гармоник к основной в вы­ходном сигнале, на вход усилителя подается синусоида:

из выходной цепи во входную.
Электрические цепи, обеспечивающие пере­дачу сигнала из выходной цепи во входную , называются цепями обратной связи.
Выходной сигнал усилителя (в виде напряжения Uвых) через цепь обратной связи частично или полностью подается к схеме сложения. В ней происходит вычитание сигнала ОС UОС из входного сигнала Uвх. В ре­зультате этого на вход усилителя поступает сигнал, равный разности вход­ного сигнала и сигнала обратной связи UΣ.

Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. В качестве це­пей ОС часто используют пассивные цепи, коэффициенты преобразования и час­тотные свойства которых существенно влияют на свойства усилителей.
Местной обратной связью называют ОС, охватывающую отдель­ные каскады или части усилителя, а общей обратной связью - такую ОС, которая охватывает весь усилитель.
Обратную связь называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется со вход­ным. При отрицательной ОС (OOС) коэффициент усиления усилителя умень­шается, а при положительной (ПОС) - увеличивается.

Из-за схемных особенностей усилителя и цепи ОС возможны вариан­ты, когда ОС существует только для медленно изменяющейся составляющей выходного сигнала, либо только для переменной составляющей его, либо для всего выходного сигнала. В таких случаях говорят, ОС реализована по по­стоянному, по переменному, а также по постоянному и переменному токам.

В зависимости от способа получения сигнала различают ОС по напря­жению (рис. а), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален напряже­нию выходной цепи; ОС по току (рис. б), когда снимаемый сигнал про­порционален току выходной цепи.

схему введения ОС (рис. а), когда напряжение сигнала ОС сумми­руется со входным напряжением; параллельную схему введения ОС (рис. б), когда ток цепи ОС суммируется с током входного сигнала.
Для количественной оценки степени влияния обратной связи использу­ют коэффициент обратной связи β, показывающий, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя:
βU=Uoc/UBbIX, βI =IОС/IBbIX,
а также коэффициент петлевого усиления Кβ и (1 - Кβ) - глубину обратной связи.

связи равен К, а благодаря обратной связи из входного напряжения вычитается часть выходного (βUBbIX). На вход усилителя поступает напряжение, равное UBX - βUBbIX. Выходное напряжение больше входного в К раз:
UBbIX = К(UBX - βUBbIX )
и коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи ООС равен КООС = К/(1+βК).
Обратная связь оказывает влияние практически на все основные характе­ристики усилителя. Введение ООС повышает стабильность основных характеристик усилителя. Если δК = ΔК/К - относительная нестабильность коэффи­циента усиления усилителя, где ΔК - абсолютная нестабильность, то относи­тельная нестабильность коэффициента усиления усилителя, охваченного ООС,
δКос = ΔКОС / КОС = δК/(1+βК).
Следовательно, в результате воздействия ООС нестабильность коэффи­циента усиления уменьшается в /(1+βК) раз.
При βК >> 1 коэффициент усиления усилителя, охваченного глубокой ООС, равен КООС ≈ 1/β.
-> Коэффициент усиле­ния усилителя с отрицательной обратной связью определяется только обрат­ной связью и не зависит от параметров самого усилителя.

Коэффициент усиления. Рассмотрим усилитель, обладающий конечным коэффициентом усиления и охваченный петлей ООС, образующий неинвертирующий усилитель

Применение ООС обеспечивает повышение стабильности коэффици­ента усиления при изменении параметров элементов, при смене активных элементов, изменении напряжения питания и т.д., снижение нелинейности, которая определяется изменениями коэффициента усиления в зависимости от уровня сигнала и собственных помех, возникающих в той части усилите­ля, которая охвачена ООС.
Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить все воздействия на усилитель, охваченный ООС, но не компенсирует воздействий на цепь обратной связи. Поэтому в качестве элементов цепи ООС рекомендуется ис­пользовать резистивные делители, выполненные на высокостабильных ре­зисторах.
ООС оказывает влияние на входное и выходное сопротивление усилителя.
Последовательная ООС увеличивает входное сопротивление, что явля­ется положительным фактором:
ZBXОС=ZBX(1+βК), где ZBXОС, ZBX — входное сопротивление усилителя соответственно с ООС и без ООС.