За типом (параметром) підсилювального сигналу: підсилювачі струму, напруги, потужності

2.                за типом (параметром) підсилювального сигналу: підсилювачі струму, напруги, потужності.

3.                за видом сигналу в залежності від робочого діапазону частот розрізняють підсилювачі постійного та підсилювачі змінного струмів.

Підсилювачі постійного струму призначені для обробки сигналів, амплітуда яких повільно змінюється з часом, так що частота таких сигналів (час релаксації) є значно меншим за час релаксації підсилювальної схеми.

Підсилювачі змінного струму поділяють на:

·                    підсилювачі низької частоти

·                    підсилювачі високої частоти

·                    широкосмугові підсилювачі

·                    резонансні підсилювачі (вузькосмугові)

Якщо підсилювач складається з кількох каскадів, то їх класифікують за видом міжкаскадного зв'язку:

·                    підсилювачі з гальванічним зв'язком

·                    підсилювачі з резестивно-ємнісним міжкаскадним зв’язком

·                    підсилювачі з індуктивним зв'язком

Основні характеристики підсилювачів:

1.                амплітудна характеристика описує залежність вихідної напруги від вхідної.

Це практично лінійна залежність Uвих = f(Uвх), яка при малих напругах обмежена рівнем теплових шумів каскаду Uш, а при великих напругах обмежена значенням напруги живлення каскаду.

Uш – це теплові флуктуації струму в елементах каскаду підсилювача, які приводять до наведених ЕРС у вхідному колі, що передається у вихідне коло підсилювача (флуктуації - коливання).

2.                амплітудно-частотна характеристика – це залежність коефіцієнта підсилення каскаду від частоти сигналу.

В ідеальному випадку – це пряма, паралельна до осі частот.

Якщо напруга вхідного сигналу є постійною, то АЧХ може бути зображена як залежність вихідної напруги від частоти.

Оскільки частотний діапазон може змінюватись на кілька порядків від Гц до КГц та МГц. То зручно користуватися напівлогарифмічною шкалою, тобто К = f(lg w).

Коефіцієнти підсилення для багатокаскадних підсилювачів визначаються як добутки коефіцієнтів підсилення окремих каскадів:

К = К1* К2*…* Кn.

Якщо коефіцієнти для окремих каскадів є досить великими, то зручно користуватися логарифмічними значеннями коефіцієнтів підсилення, вираженими в децибелах.

К(дб) = 10∙lg Ki,,,.

Оскільки коефіцієнт підсилення може характеризувати напругу, струм або потужність, то вираження коефіцієнта підсилення в децибелах для потужності визначається наступним чином:

Кр(дб) = 20∙lg Kp.

Тому для багато каскадних підсилювачів АЧХ розглядають часом, як залежність коефіцієнта підсилення, вираженого в децибелах від lg w: К(дб) = f(lg w).

В реальних підсилювачах паразитні резестивно-ємнісні зв’язки приводять до завалу АЧХ в області низьких частот, а індуктивеі елементи – в області високих частот. Оскільки такий завал може бути досить істотним, то іноді використовують нормовану АЧХ: це залежність Кw від Кcч, як функція від логарифму частоти: N(w) = Kw/Kсч = f(lg w).

Смугою пропускання підсилювача називається діапазон частот, в якому значення коефіцієнта підсилення зменшується від номінального не більше, ніж в  разів.

Dw = wв - wн.

Динамічним діапазоном підсилювача називають лінійну ділянку амплітудної характеристики.

D = Uвх max - Uвх min.

3.                фазо-частотна характеристика – це залежність фазового зсуву сигналу на виході, порівняно із входом, від частоти сигналу. Dφ = f(w).

До фазового зсуву приводить наявність частотозалежних елементів (ємностей та індуктивностей) в каскаді підсилювача.

В області низьких частот фазовий зсув додатній, в області високих частот – від’ємний.

2.3 Зворотні зв’язки у підсилювачах

Зворотнім зв’язком в електронному каскаді називається таке електричне з’єднання, при якому певна частина вихідного сигналу подається у вхідне коло.

Розрізняють додатній і від’ємний зворотній зв’язок.

При додатному зв’язку вихідний сигнал, що подається на вхід, співпадає за фазою з вхідним сигналом. Це приводить до додаткового підсилення і самозбудження схеми. При від’ємному зв’язку фази сигналів є протилежні, що дещо зменшує величину коефіцієнта підсилення, але стабілізує характеристики підсилювального каскаду. За типом схематичної реалізації зворотного зв’язку розрізняють паралельний і послідовний зворотній зв'язок, відповідно до того паралельно чи послідовно з вхідним сигналом вмикається сигнал зворотного зв’язку.

Окрім того виділяють зворотний зв'язок за струмом чи напругою відповідно послідовно чи паралельно до вхідного сигналу змінюється сигнал зв’язку.

Uвих = К∙Uвх і

При наявності зворотного зв’язку:

Uвх = Uс + Uзз, де Uс – напруга сигналу.

Uзз = β∙Uвих, де β – коефіцієнт зворотного зв’язку. Тоді

Uвх = Uс + β∙Uвих

Uвих = К(Uс + β∙Uвих) /:Uс

Величина  - коефіцієнт підсилення без зворотного зв’язку.

К0 = К(1+β∙ К0)

При наявності зворотного зв’язку:

Якщо зв'язок є додатний, то загальний коефіцієнт підсилення різко зростає. При від’ємному зв’язку К зменшується, β – додатне, тоді як в попередньому випадку β – від’ємне.

2.4 Вихідний опір схеми підсилення

При розрахунку вихідного опору підсилювача його моделюють як ідеальне джерело ЕРС, що навантажується на вихідний опір Rн. при наявності опору навантаження загальний струм в колі буде визначатися, як опором навантаження, так і вихідним опором каскаду:

При відсутності опору навантаження вихідна напруга буде рівна напрузі холостого ходу – це напруга джерела ЕРС.

,

2.5. Підсилювальний каскад за схемою із загальним емітером. Основи графоаналітичного методу підсилення каскаду. Методи термостабілізації із загальним емітером

Підсилювальні каскади із загальним емітером широко використовуються в електроніці, оскільки забезпечують підсилення сигналу за всіма параметрами і мають середнє значення вхідного та вихідного опору. Навантаження Rн може бути ввімкнене між колектором та одним із полюсів живлення. Якщо Rн ввімкнути замість Rк (колекторний опір), то спад напруги на навантаженні за фазою співпадатиме із вхідним сигналом.

Таке ввімкнення називають неінвертуючим.

Якщо Rн ввімкнути паралельно до переходу колектор-емітер, то фазність напруги на ньому буде протилежною до вхідного сигналу. Це ввімкнення – інвертуюче.

Вхідна напруга складається з напруги сигналу та напруги постійного зміщення:

Uвх = Uс + Uзм

Uс – змінна величина.

Uзм – це постійна напруга, яка визначає режими роботи каскаду за постійним струмом.

Вихідна напруга, тобто напруга на навантаженні визначається струмом колектора та опором колекторного навантаження для неінвертуючого ввімкнення:

Uвих = ік ∙Rк

Для інвертуючого ввімкнення:

Можна показати, що для змінної складової вхідної напруги, як в інвертуючому, так і в неінвертуючому випадках: Uвих = ік ∙Rн. Полюс Uж, який вмикається до колектора має бути протилежним знаку до його типу провідності. Величина колекторного струму: ік = іб ∙ h21e.

Як видно із співвідношення величина вихідного струму визначається вхідним струмом, а відповідно і величиною вхідної напруги, що прикладена до схеми. Величина вхідного струму іб обмежена вхідним опором транзистора , але вхідний опір транзистора Rвх є нелінійною величиною, яка залежить від вхідної напруги: Rвх = f(Uвх).

Реально не лінійність вхідного опору приводить до нелінійної залежності і вихідного струму, що називають нелінійним спотворенням сигналу. Коефіцієнт нелінійним спотворень визначається вкладом додаткових гармонік, які з’являються у вихідному сигналі до основного сигналу.

А1, А2, …, Аn – амплітуди гармонічних складових у вихідному сигналі.

Для опису різних схем, що забезпечують різні можливості підсилювального сигналу, використовують різні класи підсилювачів: А, В, АВ, С, D.

Підсилювач класу А забезпечує найменші нелінійні спотворення сигналу, але характеризується порівняно низьким значенням ККД, оскільки в стані спокою, коли відсутній вхідний сигнал, транзистор знаходиться у привідкритому стані і через нього протікають значні струми втрат.

Графо-аналітичний метод дозволяє провести розрахунок режимів роботи транзистора в різних класах підсилення. При цьому використовується сімейство вхідних і вихідних характеристик і взаємозв’язок між ними.

Для підсилювача класу А точка спокою розміщується на середині лінії статичного навантаження NM. Точка спокою це точка П і А.

Амплітудне значення змінного сигналу за струмом: .

Воно не може перевищувати за модулем величини спокою колектора. Аналогічно максимальна величина амплітуди напруги є не більшою за половину напруги живлення.

В той же час потужність, яка постійно розсіюється на транзисторі, визначає параметри точки спокою.

Корисна потужність визначається ефективною площею на графіку коливань.

ККД для класу А складає не більше 49,5%.

Щоб підвищити ККД використовують режим класу В.

В цьому випадку струм спокою через транзистор є рівним нулю, Uзв також рівне нулю. Точка П на вхідних характеристиках зміщується у нульове положення. Оскільки транзистор буде закритим, то спад напруги Uкесп буде наближатись до точки М на вихідних характеристиках. UкеспUж

Струм колектора буде прямувати до нуля.

В режимі класу В струм спокою рівний 0, напруга спокою рівна Uж. Амплітуда коливань струму та напруги на навантаженні досягає максимальних значень. ККД складає 78%.

Недолік класу В – це нелінійні спотворення типу сходинки, що виникають за рахунок не лінійності вхідних характеристик.

Для лінеаризації характеристик і зменшення спотворення у вхідному колі можна включити додатковий опір Rбаластне. Тоді вхідний опір буде рівний:

Rвх = Rвх тр+ Rб

Чим більше Rб тим буде меншою не лінійність ходу, але разом з тим зменшується коефіцієнт передачі, оскільки значна частина опору спадає на Rб.

Для зменшення коефіцієнту гармонік і підвищення ККД використовують режим класу АВ, коли початковий струм і напруга (тобто робоча точка) розміщується на початку лінійної ділянки вхідної характеристики. Струм у вхідному колі протікає протягом часу меншого за півперіод сигналу.

Режим класу С реалізується при подачі у вхідне коло зворотного невеликого зміщення. Його можна зобразити на передаточних характеристиках.

В режимі класу С також зменшуються нелінійні спотворення сигналу при збереженні досить високого ККД.

Струм у вихідному колі протікає протягом часу меншого за півперіод. Застосовують такий режим для резонансних підсилювачів, коли можна забезпечити додаткове надходження енергії коливань в навантаження у випадках, якщо каскад працює в режимі генерації коливань.

Режим класу D – це ключовий режим, коли каскад працює в режимі великого сигналу. Весь основний час транзистор знаходиться в режимі відсічки або в режимі насичення. Вихідний сигнал має форму прямокутних імпульсів. ККД максимальний, а втрати зумовлені частотними параметрами транзистора, тобто тривалістю процесів перемикання його з відкритого у закритий стан і навпаки. Застосовується у цифровій та імпульсній техніці.

2.6 Резистивний каскад підсилення. Методи стабілізації температурного режиму підсилювача за постійним струмом

Режими роботи за постійним струмом можна задати двома способами: