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 : j w L . 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.