УСИЛИТЕЛИ.

 
Общие понятия.

Усилитель – это такое устройство, в котором происходит полное преобразование входного сигнала. В данном устройстве входной и выходной сигнал имеют одинаковую физическую природу.

Параметры усилителей.

1. коэффициент усиления – показывает во сколько раз сигнал на входе больше, чем сигнал на выходе.


К _I =I _вых /I _вх ; К _U =U _вых /U _вх ; К _Р =Р _вых /Р _вх

Если усилитель многокаскадный, то коэффициент усиления определяется как:
К=К ₁ ·К ₂ ·К ₃ · … ·К _n


Изменение громкости звука пропорционально логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии. Поэтому в современных усилителях коэффициент усиления измеряется в децибелах.
Усилитель в один децибел – это отношение мощности как десять к одному, для которых десятичный логарифм равен 1:

K = 10·lg(Р _вых /Р _вх ) = 1

Если усилитель многокаскадный, то в децибелах он выражается как:
К=К ₁ +К ₂ +К ₃ + … +К _n


2. диапазон усиливаемых частот – это область частот, в которых изменение коэффициента усиления не превышает допустимых значений.



3. выходная мощность – это мощность, которая развивается усилителем в нагрузке.



4. номинальная выходная мощность – наибольшее значение мощности, при которой искажения в усилителе не превышают допустимых значений.



5. электрический КПД – это отношение выходной мощности к мощности, расходуемой источником анодного питания усилителя (соответствует ламповым усилителям):


КПД _э = Р _вых /Р _о (40 – 70 %)


6. промышленный КПД – отношение выходной мощности к суммарной мощности питания цепи усилителя:


КПД _пр = Р _вых /Р _общ

КПД _пр < КПД _э


7. частотные искажения – искажения любой фирмы электрических сигналов обусловленные различной степенью усиления слагающих напряжения различной частоты.

Однокаскадный усилитель мощности.

Усилители мощности применяются в установках автоматики, где нагрузкой может быть электромагнитное реле, электродвигатель, исполнительный механизм, в радиоэлектронике обмотка динамика, магнитофонная головка.
Так как сопротивление нагрузки во много раз меньше внутреннего сопротивления коллекторной цепи, то мощность, которая выделяется на нагрузке в коллекторной цепи будет мала. Для того чтобы она стала максимальной необходимо чтобы
R _н = R _внк ,
т. е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника полезного сигнала. Для этого на практике применяются согласующие трансформаторы.
Суть согласования состоит в том, что вносимое в первичную обмотку трансформатора сопротивления нагрузки должно быть равно R _внк или соизмеримо с ним. Тогда при заданных R _н и R _внк задача сводится к определению коэффициента трансформации.
Если принять R _н = R _внк , то:

т.е. трансформатор должен быть понижающим, так как R _н < R _внк .
При такой работе трансформатора начальное положение рабочей точки на нагрузочной прямой принимают по середине этой прямой.
Амплитуда переменной составляющей коллекторного тока меньше тока покоя. Работа в этом режиме характеризуется минимальными нелинейными искажениями и низким КПД (примерно около 40 %). В этом режиме работы усилители малой мощности и все предварительные выходные каскады усилителя низкой частоты.

Усилитель мощности с бестрансформаторным выходом.

Транзисторы, которые применяются в этом усилителе отличаются друг от друга направлением протекания тока.
Применение разнотипных транзисторов значительно упрощает схему. В схему источника питания они включены последовательно по постоянному току и в тоже время их вход и выход соединены параллельно с источником переменного напряжения, т.е. схема не содержит цепи смещения. При подаче на вход переменного сигнала на сопротивлении нагрузки, включенном последовательно с разделительным конденсатором, потечет ток равный разности переменных составляющих коллекторных токов транзисторов.
Таким образом для работы данной схемы не требуется применение специальных выходных трансформаторов. Амплитуда переменной составляющей тока в нагрузке при полной симметрии в два раза больше, чем амплитуда токов в коллекторе, т. е. схема позволяет увеличивать выходное напряжение и особенно мощность по сравнению с однотактными каскадами и сохраняются преимущества двухтактных усилителей.
Недостатком данного усилителя является, то что подобрать симметричные разнотипные транзисторы трудно.

 
Классификация усилителей.

По различным признакам усилителей делятся на ряд классов:

– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.
– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.
По абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:
– усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
– усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.
– усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.
– усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Принципиальная схема каскада
Принципиальная схема каскада предварительного усиления представлена на рис.1 приложения 1.

Расчет частотной характеристики каскада с элементом ВЧ коррекции
Для поднятия АЧХ каскада на высоких частотах в цепь коллектора транзистора вводят элемент ВЧ коррекции в виде дросселя с индуктивностью L. В нашем случае необходимо ввести L = 0.01 мГн.
Схема такого каскада представлена на рис.1 приложения 2.
Расчет резистивного каскада с вышеупомянутыми изменениями в целом аналогичен расчету каскада без коррекции для высоких частот (см. п. 2.2), за исключением того, что в выражение для проводимости коллекторной ветви схемы будет входить кроме R _К также еще и сопротивление дросселя, зависящее от частоты: jwL.
Эквивалентная схема для нижеследующего расчета представлена на рис.2 приложения 2.

Расчет компенсационного стабилизированного источника напряжения компенсационного типа
Для нормальной работы усилителя на него необходимо подавать устойчивое постоянное напряжение питания. Так как для реализации этого условия простого выпрямителя переменного напряжения недестаточно, между последним и усилительным устройством ставят стабилизатор напряжения, который сглаживает пульсации напряжения питания, тем самым обеспечивая корректную работу усилительного устройства.
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным) и возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня.
Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис.1 приложения 3.
Исходные параметры стабилизатора следующие:
– нестабильность входного напряжения a _{вх. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .} 0.15
– нестабильность выходного напряжения а _{вых. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .} 0.001
– выходное напряжение U _вых, В. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

Заключение
В результате выполнения курсового задания я разобрался в принципах работы усилителя электрических сигналов, научился рассчитывать резисторный каскад предварительного усиления, частотные характеристики такого каскада, а также транзисторный стабилизатор напряжения.

Приложение 1


Рис.1. Принципиальная схема усилительного каскада

Рис.2. Выходная характеристика транзистора КТ315Б.

Рис.3. Входная характеристика транзистора КТ315Б.


Рис 7. АЧХ каскада в диапазоне 10 . . . 100 рад/с.

Рис 8. АЧХ каскада в диапазоне 100 . . . 1000 рад/с.

Рис 9. АЧХ каскада в диапазоне 10 ³ . . . 10 ⁴ рад/с.

Рис 10. АЧХ каскада в диапазоне 10 ⁴ . . . 10 ⁵ рад/с.

Рис 11. АЧХ каскада в диапазоне 10 ⁵ . . . 2 · 10 ⁶ рад/с.

Рис 12. АЧХ каскада в диапазоне 2 · 10 ⁶ . . . 4 · 10 ⁷ рад/с.

Приложение 2


Рис 3. АЧХ каскада с коррекцией и без коррекции в диапазоне 10 ⁵ . . . 2 · 10 ⁶ рад/с.

Рис 4. АЧХ каскада с коррекцией и без коррекции в диапазоне 2 · 10 ⁶ . . . 4 · 10 ⁷ рад/с.

Приложение 3