Что определяет максимальную амплитуду выходного напряжения усилителя

15

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Максимальная амплитуда выходного сигнала , естественно, связана с напряжением питания ( предельно допустимым напряжением на коллекторном переходе) и в общем случае равна Е — ( UКэ к U R) Выходной триод из открытого состояния переходит в закрытое, и величина перепада эмиттер-коллектор в исходном состоянии может быть выбрана минимальной.  [1]

Максимальная амплитуда выходного сигнала , которая может быть получена от усилителя ( пренебрегая кривизной характеристики), будет равна наименьшему из коллекторных напряжений, приложенных к кристаллическим триодам, и соответственно будет наибольшей, когда коллекторное напряжение на каждом кристаллическом триоде равно половине питающего напряжения.  [2]

Отношение сигнал — шум представляет собой отношение максимальной амплитуды выходного сигнала к максимальной амплитуде шумов. Эта характеристика является весьма важной для пропорциональных усилителей. В дискретном усилителе выход находится на одном из двух дискретных уровней, каждый из которых имеет допустимый предел. До тех пор пока скачки шумов в выходном сигнале не превышают допустимых пределов, дискретный усилитель функционирует нормально. В пропорциональном же усилителе шум входного сигнала усиливается одновременно с полезным входным сигналам.  [4]

Поэтому можно считать, что для данной частоты максимальная амплитуда выходного сигнала двигателя ограничена.  [5]

Для оценки максимальной мгновенной мощности, выделяемой в нагрузке, предположим, что максимальная амплитуда выходного сигнала определяется только напряжениями питания U ИЛ11 и U И.  [6]

Ряд зависимостей, характеризующих основные параметры ОУ, приведены на следующих рисунках: зависимость максимальной амплитуды выходного сигнала от напряжения питания — на рис. 1.67; частотная характеристика усилителя в режиме малого сигнала — на рис. 1.68; нагрузочная характеристика — на рис. 1.69. Зависимость от температуры напряжения смещения и входного тока — на рис. 1.70 и 1.71, соответственно.  [7]

Выражения (19.49) и (19.50) позволяют в достаточной мере оценить связь между точностью интегрирования и максимальной амплитудой выходного сигнала при интегрировании импульсов прямоугольной формы.  [8]

Этими делителями устанавливается постоянное напряжение на коллекторах транзисторов Ги и Т 2 такой величины, чтобы можно было получить максимальную амплитуду выходного сигнала .  [9]

Однако в рассчитанном таким образом катодном повторителе может не обеспечиваться заданная амплитуда выходного сигнала на высшей рабочей частоте, а также при заданной максимальной амплитуде выходного сигнала может сильно возрастать время установления каскада.  [10]

Синхронный детектор работает на частоте 30 МГц. Максимальная амплитуда выходного сигнала равна 0 3 В.  [11]

Общность электрических схем микросхем К153УД2 и К153УД6 позволяет применить одинаковые цепи коррекции. Изменение максимальной амплитуды выходного сигнала от частоты для различных способов коррекции показано ка рис. 1.205, где кривая S — коррекция прямой связью.  [12]

Снижение напряжения питания отрицательной полярности до 4 — 5 В приводит к уменьшению на несколько процентов коэффициента усиления. Уменьшение положительного напряжения приводит к уменьшению максимальной амплитуды выходного сигнала . При пониженном питании частотная характеристика остается без изменения.  [13]

Максимальная амплитуда синусоидального выходного сигнала, определяемая отсечкой анодного тока. Максимальная амплитуда отрицательного выходного сигнала определяется значением анодного тока в режиме покоя и величиной полного сопротивления в цепи катода. Вследствие наличия емкости, шунтирующей нагрузочное сопротивление в цепи катода, это сопротивление уменьшается с увеличением частоты, поэтому максимальная амплитуда выходного сигнала изменяется обратно пропорционально частоте.  [15]

Основные характеристики и показатели усилителей.

Свойства любого технического устройства определяются его характеристиками и качественными показатели.

Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления или коэффициент передачи. Он отражает главное назначение усилителя – усиливать электрические колебания. В зависимости от функционального (целевого) назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению K_u, по току K_i и по мощности K_p:

; , (1.3)

где U_mВЫХ, I_mВЫХ — амплитуды выходного напряжения и тока;

U_mВХ , I_mВХ — амплитуды напряжения и тока на входе усилителя;

Р_ВЫХ , Р_ВХ — мощности сигналов соответственно на выходе и входе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:

K_u(дБ)=20lgK_u K_i(дБ)=20lgK_i K_p(дБ)=10 lgK_p (1.4)

Для многокаскадных усилителей коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов

(1.5)

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов.

. (1.6)

В общем случае виду наличия реактивных элементов в усилителе (в том числе и внутренних реактивностей усилительных элементов) коэффициент усиления является комплексной величиной , зависящей от частоты :

, (1.7)

где — модуль коэффициента усиления (1.3);

— сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями.

Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Различные усилители имеют различный вид АЧХ. Они изображены на рис.1.2: для усилителя низкой частоты и широкополосного усилителя – рис. 1.2.а, для усилителя высокой частоты рис. 1.2.б, для резонансного усилителя — рис.1.2 в, для усилителя постоянного тока – рис.1.2.г. Амплитудно-частотные характеристики для усилителей низкой частоты, широкополосных усилителей, усилителей высокой частоты качественно имеют одинаковый вид, но количественно они различаются значениями частот и .

Частоты и (или соответственно f_Н и f_В) называются нижней и верхней граничной частотой усилителя. Они определяют полосу пропускания частот – диапазон частот, в пределах которого коэффициент передачи уменьшается не более чем в раз по сравнению с максимальным значением:

(1.8)

где К₀ — максимальное значение коэффициента передачи (рис.1.2).

Другими словами на границах полосы пропускания f_Н и f_В (рис.1.2) коэффициент усиления на 3дБ меньше, по сравнению с его значением на средних частотах. Как уже было видно ранее при рассмотрении классификации усилителей, полоса пропускания является одним из важнейших параметров усилителя и во многом определяет его свойства. С полосой пропускания связана избирательность усилителя – способность усиливать сигналы одной полосы частот и не пропускать на выход колебания других частот.

Для неискаженной передачи сложного сигнала АЧХ в пределах полосы пропускания должна быть постоянна (рис.1.3,а).

К (f_Н < f < f_В ) = К₀ = const (1.9)

В этом случае все колебания разных частот усиливаются одинаково. Если различные колебания усиливаются неодинаково, то это в результате приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными. Их оценивают коэффициентом частотных искажений М (рис.1.3,б).

, (1.10)

где К_f — модуль коэффициента усиления на заданной частоте f.

Причиной возникновения частотных искажений является неравномерность АЧХ (рис.1.3,б). В области спада амплитудно-частотной характеристики.

(1.11)

а в области подъема АЧХ

. (1.12)

Частотные искажения становятся заметными на слух, если неравномерность АЧХ превышает , т.е. М=0,751,25. В идеальном случае при отсутствии искажений М=1. На граничных частотах полосы пропускания.

. (1.13)

В многокаскадных усилителях общий коэффициент частотных искажений М равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов.

M = M₁ M₂ M₃ … M_n (1.14)

Очевидно, что если одни каскады имеют спад АЧХ, а другие подъем на той же самой частоте, то это приводит к взаимной компенсации частотных искажений.

Коэффициент частотных искажений нередко выражают в децибелах

(1.15)

Тогда М(дБ)> 0 соответствует спаду, а М(дБ)< 0 — подъему АЧХ.

Зависимость фазового сдвига от частоты называется фазочастотной характеристикой усилителя (рис.1.4). Она отражает различие между фазовыми сдвигами между выходным и входным напряжениями отдельных составляющих усиливаемого сигнала.

Фазочастотная характеристика ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения. Они возникают, если ФЧХ не является линейной. Время прохождения различных спектральных составляющих через усилитель в этом случае различно. Это приводит к искажениям формы сигнала. Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис.1.5. Пунктиром показаны две гармоники, а сплошной линией – результирующий сигнал. Из рис.1.5 видно, что при изменении фазовых сдвигов между гармониками изменяется форма выходного (рис.1.5,б) сигнала по сравнению с входным (рис.1.5,а).

Условием отсутствия фазовых искажений является постоянный (одинаковый) временной сдвиг для всех составляющих спектра сигнала

(1.16)

и, следовательно, прямая ФЧХ с постоянным углом наклона

(1.17)

На практике ФЧХ используют реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости.

Частотные и фазовые искажения называют линейными, так как создаются линейными элементами схемы усилителя. Они вызывают изменения соотношений между амплитудами и фазами отдельных спектральных составляющих, искажают форму сложного колебания. Однако линейные искажения не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала и не искажают форму гармонического (синусоидального) колебания.

Нелинейные искажения – это изменения формы колебаний, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, ламп, диодов, микросхем, магнитопроводов и других элементов. Отличительной особенностью нелинейных искажений является появление в спектре выходного сигнала высших гармоник и комбинационных составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.

Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник K_Г или коэффициентом нелинейных искажений.

Коэффициент гармоник K_Г — отношение действующего значения всех высших гармоник выходного напряжения (или тока) к действующему значению напряжения (тока) первой гармоники.

(1.18)

(1.19)

где U₁,U₂,U₃,… — действующие значения отдельных гармоник напряжения;

I₁, I₂, I₃,… — действующие значения отдельных гармоник тока.

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При K_Г <2…3% они почти незаметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот устанавливают коэффициент гармоник K_Г <0,2%. Величину нелинейных искажений можно оценить по амплитудной характеристике.

Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) U_mВЫХ (I_mВЫХ ) от амплитуды входного напряжения (тока). U_mВХ (I_mВХ )

U_mВЫХ =f(U_mВХ ) (1.20)

В идеальном случае отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления и амплитудная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат (пунктир на рис. 1.6). Тангенс угла наклона характеристики равен коэффициенту усиления. Реальная АХ (сплошная линия на рис.1.6) совпадает с идеальной только на ограниченном участке 2-3. Это рабочий участок.

Начальный участок АХ отклоняется от прямой (точка 1 на рис.1.6) из-за наличия собственных шумов усилителя U_Ш.

При слишком большом уровне сигнала амплитудная характеристика искривляется (точка 3 на рис. 1.6) из-за перегрузки усилительных элементов. Любой каскад в состоянии пропустить переменное напряжение, не превышающее некоторого значения. Использование верхнего криволинейного участка (точка 3) приводит к нелинейным искажениям.

Амплитудные значения U_mВХmin, U_mВХmax, U_mВЫХmin, U_mВЫХmax ограничивают рабочий участок амплитудной характеристики.

Динамическим диапазоном D усилителя называется отношение максимальной амплитуды выходного (входного) напряжения к минимальной амплитуде выходного (входного) напряжения.

(1.21)

Обычно он выражается в децибелах

. (1.22)

И составляет обычно D(дБ)=40…60дБ.

Бывают случаи, когда рабочий участок амплитудной характеристики не является строго линейным (рис.1.7)

В этом случае при подаче на вход синусоидального сигнала, выходной сигнал не будет синусоидальным. Следовательно, возникают нелинейные искажения и появляются высшие гармоники.

Входное и выходное сопротивление являются важными параметрами усилителя. Они особенно важны при согласовании каскада с источником сигнала и нагрузкой. Для их определения преобразуем рис.1.1.б к виду 1.8.

Усилитель на рис.1.8. представлен активным четырехполюсником, источник сигнала – активным двухполюсником, нагрузка – пассивным двухполюсником. Все величины в общем случае являются комплексными.

Входное сопротивление – это сопротивление между входными элементами 1-1 1 . Если ко входу подключить источник сигнала, то на входе усилителя будет напряжение U_ВХ и потечет ток I_ВХ.

Тогда входное сопротивление усилителя определяется по формуле

. (1.23)

Для определения выходного сопротивления Z_ВЫХ между клеммами 2-2 1 необходимо исключить влияние сопротивления нагрузки Z_Н. Напомним, что выходное напряжение усилителя в этой схеме создается источником Е_ВЫХ, который является идеальным источником напряжения и имеет нулевое внутреннее сопротивление. Чтобы исключить влияние Z_Н выходное напряжение измеряют в режиме холостого хода U_{ВЫХ ХХ}, а выходной ток в режиме короткого замыкания I_{ВЫХ КЗ}. Тогда выходное сопротивление

(1.24)

На практике далеко не всегда удается обеспечить эти два режима и тогда выходное сопротивление определяют косвенными методами.

Поскольку усилитель предназначен для увеличения мощности полезного сигнала, то важными параметрами являются входная мощность P_ВХ и мощность P_Н, отдаваемая в нагрузку. Если все сопротивления носят активный характер, то

(1.25)

(1.26)

При синусоидальном сигнале

(1.27)

(1.28)

где U_mВХ , U_mВЫХ , I_mВХ, I_mН — амплитудные значения напряжений и токов.

Экономичность питания усилителя оценивают по коэффициенту полезного действия (КПД), току питания в режиме покоя (при отсутствии сигнала) и мощности Р_ПОТР, потребляемой от источника питания.

Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет собой отношение выходной мощности Р_Н, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности , потребляемой усилителем от источника питания, и выражается в процентах.

(1.29)

Применяется также КПД выходной цепи усилительного элемента (УЭ), который представляет собой отношение мощности, создаваемой в выходной цепи УЭ, к мощности питания, потребляемой этой цепью.

(1.30)

Он учитывает потери мощности в УЭ и применяется для оценки экономичности оконечных каскадов как основных потребителей энергии питания.

Технические показатели и характеристики любых устройств, в том числе и усилительных, не остаются постоянными ввиду нестабильности параметров составляющих элементов, при изменении температуры, напряжения и тока питания, разброса номинальных значений, вследствие старения.

Наиболее нестабильны параметры транзисторов. Максимальные нестабильности нормируются техническими условиями. Обычно задается допустимая относительная нестабильность того или иного показателя, т.е. отношение абсолютного приращения данного показателя к его номинальному значению. Например, нестабильность коэффициента усиления:

(1.31)

где dk — изменение (дифференциал) коэффициента усиления.

Перечисленные выше параметры и характеристики являются наиболее общими и основными для всех видов усилителей. Однако они не исчерпывают всех параметров. Некоторые из них, специфические для конкретного вида усилителя, будут рассмотрены в дальнейшем.

Краткие теоретические сведения

Основной областью применения БТ является усиление электрических сигналов. Усилителем электрического сигнала называется устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным или полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке при изменении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.

Рассмотрим процесс усиления электрических сигналов на примере простейшего усилительного каскада на БТ, включенном по схеме с ОЭ, принципиальная схема которого показана на рис. 6.1. При отсутствии переменного сигнала на входе усилителя наличие источника постоянного напряжения (источника питания) приводит к протеканию через выводы БТ постоянных токов: базы , коллектора и установлению между его выводами постоянных напряжений: база — эмиттер и коллектор — эмиттер (см. рис. 6.1). Такой режим работы БТ называют статическим или режимом работы по постоянному току (режимом покоя). Совокупность постоянных токов выводов БТ , и напряжений между ними , задает рабочую точку транзистора. Значения токов и напряжений рабочей точки (режима покоя) определяются напряжением источника питания и сопротивлением резисторов и .

Согласно второму закону Кирхгофа для схемы усилителя (см. рис. 6.1) можно записать уравнения:

Таким образом, источник напряжения вместе с резистором задают постоянный ток базы транзистора:

который в свою очередь задает коллекторный ток покоя

Резистор определяет напряжение :

Поскольку согласно (6.3) ток базы зависит только от и , то такой способ задания рабочей точки БТ (см. рис. 6.1) называют фиксированным током базы.

Усиливаемый сигнал с амплитудой напряжения подается на базу транзистора через конденсатор большой емкости, сопротивление которого для переменного напряжения мало. Усиленный сигнал с коллектора транзистора подается на резистор нагрузки через конденсатор большой емкости . Конденсаторы и называются разделительными, поскольку они препятствуют протеканию постоянного тока от источника питания через нагрузку и источник входного сигнала. Таким образом, конденсаторы и выполняют две функции: обеспечивают связь по переменному току между источником сигнала, усилителем и нагрузкой; устраняют влияние источника сигнала и нагрузки на рабочую точку активного элемента.

На рис. 6.2 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления электрического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 6.2, а) определяется точкой пересечения выходной характеристики, соответствующей току базы , и нагрузочной прямой по постоянному току, график которой в системе координат описывается уравнением

полученным из (6.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат:

Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания и сопротивления резистора . Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению резистора : . Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базы и напряжением .

При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой и низкой частотой f:

ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновенные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения .

Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (6.2) — к изменению напряжения . При отсутствии резистора () мгновенные значения и будут соответствовать точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответствующими токам базы ; , где — амплитуда тока базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ.

Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увеличению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Усилительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на .

Для получения максимального значения амплитуды выходного неискаженного сигнала рекомендуется задавать напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания . В этом случае практически будет равно половине напряжения питания .

Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного тока и напряжения будут соответствовать точкам отрезка В’С’, лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 6.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению параллельно включенных резисторов и :

где , поскольку для переменного тока эти резисторы включены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описывается выражением

и может быть построен по точкам пересечения с осями координат:

Таким образом, при подключении нагрузки уменьшается максимальное значение амплитуды выходного напряжения за счет уменьшения верхней полуволны (см. рис. 6.2, а).

Амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой коллекторного тока соотношением

Поскольку обычно выполняется неравенство , то для амплитуды входного напряжения можно записать

Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

Поскольку мощность, потребляемую базовой цепью транзистора, можно представить выражением

а мощность, отдаваемую в нагрузку, выражением

то коэффициент усиления по мощности можно представить в виде

Таким образом, входной сигнал малой мощности управляет выходным сопротивлением БТ, за счет чего происходит преобразование энергии источника питания в выходной переменный сигнал большой мощности .

При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузочных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды выходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:

Поэтому соотношение между сопротивлением нагрузки и сопротивлением резистора рекомендуется выбирать согласно выражению

В этом случае амплитуда коллекторного тока будет составлять

Обычно исходными данными при расчете усилителя является выходная мощность и сопротивление нагрузки , тогда амплитуда тока в нагрузке определяется выражением

Зная ее, можно определить требуемый режим покоя БТ и его максимально допустимые параметры:

амплитуду коллекторного тока согласно (6.17);

постоянный ток коллектора ;

допустимый ток коллектора ;

амплитуду выходного напряжения (коллектор — эмиттер)
;

постоянную составляющую напряжения коллектор — эмиттер ;

напряжение источника питания ;

допустимое напряжение коллектор — эмиттер .

Транзистор выбирают из выполнения условий, что рассчитанные допустимые значения напряжения и не превышают соответствующих максимально допустимых параметров:

При выборе режима покоя, расчете амплитудных значений коллекторного тока и выходного напряжения необходимо учитывать их возможное изменение при работе усилителя в широком диапазоне температур, что обусловлено влиянием изменения температуры на параметры БТ и в конечном итоге — на его ВАХ.

Влияние температуры на ВАХ БТ и положение рабочей точки показано на рис. 6.3. При увеличении температуры растет значение статического коэффициента передачи по току , что приводит к подъему семейства выходных ВАХ (рис. 6.3, а). С ростом температуры входная характеристика смещается влево. Влияние температуры на входные ВАХ описывается температурным коэффициентом напряжения:

Увеличение температуры приводит к перемещению рабочей точки БТ в схеме с фиксированным током базы вверх по нагрузочной прямой ближе к режиму насыщения: растет ток коллектора и уменьшается напряжение . Это приводит к уменьшению максимального значения амплитуды выходного сигнала и снижению КПД усилителя. Для устранения влияния температуры на параметры усилителя используется ряд способов стабилизации рабочей точки БТ.

На рис. 6.4 представлена принципиальная схема усилительного каскада на БТ с коллекторной стабилизацией рабочей точки. Согласно второму закону Кирхгофа для данной схемы можно записать два уравнения:

В данной схеме с помощью резистора , подключенного к коллектору БТ, осуществляется отрицательная обратная связь (передача выходного сигнала на вход) по напряжению, параллельная по входу, за счет которой и осуществляется стабилизация режима покоя.

Изменение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры, создает противофазное изменение тока базы, препятствующее изменению рабочей точки. Принцип действия схемы коллекторной стабилизации состоит в следующем: с ростом температуры растет , что приводит к росту и уменьшению . Согласно выражению (6.20)

т.е. уменьшение приводит к уменьшению , а значит, и к уменьшению . Поэтому в схеме положение рабочей точки не так сильно зависит от температуры и других дестабилизирующих факторов.

На рис. 6.5 показана принципиальная схема усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией рабочей точки БТ, в которой осуществляется отрицательная обратная связь по току, параллельная по входу.

Для схемы справедливы следующие уравнения:

Делитель напряжения, образованный резисторами и , задает напряжение на базе транзистора . Изменение тока коллектора, обусловленное изменением температуры, создает противофазное изменение напряжения база-эмиттер транзистора с помощью резистора . С ростом температуры за счет смещения входных ВАХ транзистора увеличивается ток базы , что приводит к росту тока коллектора и уменьшению напряжения на коллекторе . Растет также и ток эмиттера, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе и уменьшению напряжения , а значит, к уменьшению тока базы и соответственно тока коллектора.

Конденсатор устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, существующую в схеме, и увеличивает тем самым коэффициент усиления по напряжению. Дело в том, что заданная схема уменьшает любые изменения выходного напряжения и тока, в том числе обусловленные изменением сигнала на входе. Что уменьшает в конечном итоге коэффициент усиления по напряжению. Для переменной составляющей эмиттерного тока конденсатор имеет малое сопротивление, поэтому переменная составляющая напряжения на эмиттере стремится к нулю и отрицательная обратная связь отсутствует.

Влияние температуры на положение рабочей точки БТ описывается коэффициентом нестабильности тока коллектора:

Чем лучше стабилизируется рабочая точка, тем меньше коэффициент нестабильности. Наибольшее значение S имеет в схеме с фиксированным током базы и наименьшее — в схеме с эмиттерной стабилизацией.

Влияние температуры на коллекторный ток можно заменить эквивалентным синфазным изменением напряжения база-эмиттер:

В рассмотренных схемах стабилизации рабочей точки для компенсации температурного изменения коллекторного тока за счет наличия обратной связи создается изменение напряжения смещения величиной

где DТ — изменение температуры.

Для схемы с коллекторной стабилизацией напряжение база-эмиттер можно представить в виде

Тогда компенсирующее изменение напряжения база-эмиттер

а коэффициент нестабильности имеет вид

В схеме с эмиттерной стабилизацией компенсирующее изменение напряжения создается за счет падения напряжения на резисторе :

Тогда коэффициент нестабильности определяется выражением

Расчет усилителя на БТ с эмиттерной стабилизацией выполняется по следующему алгоритму:

1. По заданному коэффициенту нестабильности определяется падение напряжения на резисторе :

2. Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке выбирается из условия равенства максимальных значений амплитуд положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения , которое можно переписать в виде

3. Ток коллектора определяется по (6.34), а ток базы — с использованием (6.4).

4. Ток делителя обычно рекомендуется выбирать во много раз больше тока базы, чтобы изменения последнего в процессе работы усилителя не влияли на напряжение :

5. Сопротивления резисторов, задающих точку покоя БТ, вычисляются по выражениям:

где для напряжения база-эмиттер в рабочей точке можно выбрать значение .

6. Расчет емкостей конденсаторов выполняется согласно выражениям

где — нижняя граничная частота полосы пропускания;

— входное сопротивление усилителя.

Порядок выполнения задания

1. Выполнить инженерный расчет усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией рабочей точки (см. рис. 6.5). Исходные данные для расчета приведены в табл. 6.1. Параметры транзисторов приведены в прил. 2, а их семейства ВАХ в прил. 3. При расчете принять диапазон рабочих температур от до ; нижнюю граничную частоту полосы пропускания .

Таблица 6.1

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Что определяет максимальную амплитуду выходного напряжения усилителя

Основной областью применения БТ является усиление электрических сигналов. Усилителем электрического сигнала называется устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным или полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке при изменении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.

Рассмотрим процесс усиления электрических сигналов на примере простейшего усилительного каскада на БТ, включенном по схеме с ОЭ, принципиальная схема которого показана на рис. 6.1. При отсутствии переменного сигнала на входе усилителя наличие источника постоянного напряжения (источника питания) приводит к протеканию через выводы БТ постоянных токов: базы , коллектора и установлению между его выводами постоянных напряжений: база — эмиттер и коллектор — эмиттер (см. рис. 6.1). Такой режим работы БТ называют статическим или режимом работы по постоянному току (режимом покоя). Совокупность постоянных токов выводов БТ , и напряжений между ними , задает рабочую точку транзистора. Значения токов и напряжений рабочей точки (режима покоя) определяются напряжением источника питания и сопротивлением резисторов и .

Согласно второму закону Кирхгофа для схемы усилителя (см. рис. 6.1) можно записать уравнения:

Таким образом, источник напряжения вместе с резистором задают постоянный ток базы транзистора:

который в свою очередь задает коллекторный ток покоя

Резистор определяет напряжение :

Поскольку согласно (6.3) ток базы зависит только от и , то такой способ задания рабочей точки БТ (см. рис. 6.1) называют фиксированным током базы.

Усиливаемый сигнал с амплитудой напряжения подается на базу транзистора через конденсатор большой емкости, сопротивление которого для переменного напряжения мало. Усиленный сигнал с коллектора транзистора подается на резистор нагрузки через конденсатор большой емкости . Конденсаторы и называются разделительными, поскольку они препятствуют протеканию постоянного тока от источника питания через нагрузку и источник входного сигнала. Таким образом, конденсаторы и выполняют две функции: обеспечивают связь по переменному току между источником сигнала, усилителем и нагрузкой; устраняют влияние источника сигнала и нагрузки на рабочую точку активного элемента.

На рис. 6.2 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления электрического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 6.2, а) определяется точкой пересечения выходной характеристики, соответствующей току базы , и нагрузочной прямой по постоянному току, график которой в системе координат описывается уравнением

полученным из (6.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат:

Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания и сопротивления резистора . Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению резистора : . Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базы и напряжением .

При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой и низкой частотой f:

ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновенные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения .

Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (6.2) — к изменению напряжения . При отсутствии резистора ( ) мгновенные значения и будут соответствовать точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответствующими токам базы ; , где — амплитуда тока базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ.

Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увеличению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Усилительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на .

Для получения максимального значения амплитуды выходного неискаженного сигнала рекомендуется задавать напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания . В этом случае практически будет равно половине напряжения питания .

Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного тока и напряжения будут соответствовать точкам отрезка В’С’, лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 6.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению параллельно включенных резисторов и :

где , поскольку для переменного тока эти резисторы включены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описывается выражением

и может быть построен по точкам пересечения с осями координат:

Таким образом, при подключении нагрузки уменьшается максимальное значение амплитуды выходного напряжения за счет уменьшения верхней полуволны (см. рис. 6.2, а).

Амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой коллекторного тока соотношением

Поскольку обычно выполняется неравенство , то для амплитуды входного напряжения можно записать

Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

Поскольку мощность, потребляемую базовой цепью транзистора, можно представить выражением

а мощность, отдаваемую в нагрузку, выражением

то коэффициент усиления по мощности можно представить в виде

Таким образом, входной сигнал малой мощности управляет выходным сопротивлением БТ, за счет чего происходит преобразование энергии источника питания в выходной переменный сигнал большой мощности .

При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузочных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды выходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:

Поэтому соотношение между сопротивлением нагрузки и сопротивлением резистора рекомендуется выбирать согласно выражению

В этом случае амплитуда коллекторного тока будет составлять

Обычно исходными данными при расчете усилителя является выходная мощность и сопротивление нагрузки , тогда амплитуда тока в нагрузке определяется выражением

Зная ее, можно определить требуемый режим покоя БТ и его максимально допустимые параметры:

амплитуду коллекторного тока согласно (6.17);

постоянный ток коллектора ;

допустимый ток коллектора ;

амплитуду выходного напряжения (коллектор — эмиттер)
;

постоянную составляющую напряжения коллектор — эмиттер ;

напряжение источника питания ;

допустимое напряжение коллектор — эмиттер .

Транзистор выбирают из выполнения условий, что рассчитанные допустимые значения напряжения и не превышают соответствующих максимально допустимых параметров:

При выборе режима покоя, расчете амплитудных значений коллекторного тока и выходного напряжения необходимо учитывать их возможное изменение при работе усилителя в широком диапазоне температур, что обусловлено влиянием изменения температуры на параметры БТ и в конечном итоге — на его ВАХ.

Влияние температуры на ВАХ БТ и положение рабочей точки показано на рис. 6.3. При увеличении температуры растет значение статического коэффициента передачи по току , что приводит к подъему семейства выходных ВАХ (рис. 6.3, а). С ростом температуры входная характеристика смещается влево. Влияние температуры на входные ВАХ описывается температурным коэффициентом напряжения:

Увеличение температуры приводит к перемещению рабочей точки БТ в схеме с фиксированным током базы вверх по нагрузочной прямой ближе к режиму насыщения: растет ток коллектора и уменьшается напряжение . Это приводит к уменьшению максимального значения амплитуды выходного сигнала и снижению КПД усилителя. Для устранения влияния температуры на параметры усилителя используется ряд способов стабилизации рабочей точки БТ.

На рис. 6.4 представлена принципиальная схема усилительного каскада на БТ с коллекторной стабилизацией рабочей точки. Согласно второму закону Кирхгофа для данной схемы можно записать два уравнения:

В данной схеме с помощью резистора , подключенного к коллектору БТ, осуществляется отрицательная обратная связь (передача выходного сигнала на вход) по напряжению, параллельная по входу, за счет которой и осуществляется стабилизация режима покоя.

Изменение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры, создает противофазное изменение тока базы, препятствующее изменению рабочей точки. Принцип действия схемы коллекторной стабилизации состоит в следующем: с ростом температуры растет , что приводит к росту и уменьшению . Согласно выражению (6.20)

т.е. уменьшение приводит к уменьшению , а значит, и к уменьшению . Поэтому в схеме положение рабочей точки не так сильно зависит от температуры и других дестабилизирующих факторов.

На рис. 6.5 показана принципиальная схема усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией рабочей точки БТ, в которой осуществляется отрицательная обратная связь по току, параллельная по входу.

Для схемы справедливы следующие уравнения:

Делитель напряжения, образованный резисторами и , задает напряжение на базе транзистора . Изменение тока коллектора, обусловленное изменением температуры, создает противофазное изменение напряжения база-эмиттер транзистора с помощью резистора . С ростом температуры за счет смещения входных ВАХ транзистора увеличивается ток базы , что приводит к росту тока коллектора и уменьшению напряжения на коллекторе . Растет также и ток эмиттера, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе и уменьшению напряжения , а значит, к уменьшению тока базы и соответственно тока коллектора.

Конденсатор устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, существующую в схеме, и увеличивает тем самым коэффициент усиления по напряжению. Дело в том, что заданная схема уменьшает любые изменения выходного напряжения и тока, в том числе обусловленные изменением сигнала на входе. Что уменьшает в конечном итоге коэффициент усиления по напряжению. Для переменной составляющей эмиттерного тока конденсатор имеет малое сопротивление, поэтому переменная составляющая напряжения на эмиттере стремится к нулю и отрицательная обратная связь отсутствует.

Влияние температуры на положение рабочей точки БТ описывается коэффициентом нестабильности тока коллектора:

Чем лучше стабилизируется рабочая точка, тем меньше коэффициент нестабильности. Наибольшее значение S имеет в схеме с фиксированным током базы и наименьшее — в схеме с эмиттерной стабилизацией.

Влияние температуры на коллекторный ток можно заменить эквивалентным синфазным изменением напряжения база-эмиттер:

В рассмотренных схемах стабилизации рабочей точки для компенсации температурного изменения коллекторного тока за счет наличия обратной связи создается изменение напряжения смещения величиной

где DТ — изменение температуры.

Для схемы с коллекторной стабилизацией напряжение база-эмиттер можно представить в виде

Тогда компенсирующее изменение напряжения база-эмиттер

а коэффициент нестабильности имеет вид

В схеме с эмиттерной стабилизацией компенсирующее изменение напряжения создается за счет падения напряжения на резисторе :

Тогда коэффициент нестабильности определяется выражением

Расчет усилителя на БТ с эмиттерной стабилизацией выполняется по следующему алгоритму:

1. По заданному коэффициенту нестабильности определяется падение напряжения на резисторе :

2. Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке выбирается из условия равенства максимальных значений амплитуд положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения , которое можно переписать в виде

3. Ток коллектора определяется по (6.34), а ток базы — с использованием (6.4).

4. Ток делителя обычно рекомендуется выбирать во много раз больше тока базы, чтобы изменения последнего в процессе работы усилителя не влияли на напряжение :

5. Сопротивления резисторов, задающих точку покоя БТ, вычисляются по выражениям:

где для напряжения база-эмиттер в рабочей точке можно выбрать значение .

6. Расчет емкостей конденсаторов выполняется согласно выражениям

где — нижняя граничная частота полосы пропускания;

— входное сопротивление усилителя.

Порядок выполнения задания

1. Выполнить инженерный расчет усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией рабочей точки (см. рис. 6.5). Исходные данные для расчета приведены в табл. 6.1. Параметры транзисторов приведены в прил. 2, а их семейства ВАХ в прил. 3. При расчете принять диапазон рабочих температур от до ; нижнюю граничную частоту полосы пропускания .

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Максимальная амплитуда выходного сигнала , естественно, связана с напряжением питания ( предельно допустимым напряжением на коллекторном переходе) и в общем случае равна Е — ( UКэ к U R) Выходной триод из открытого состояния переходит в закрытое, и величина перепада эмиттер-коллектор в исходном состоянии может быть выбрана минимальной.  [1]

Максимальная амплитуда выходного сигнала , которая может быть получена от усилителя ( пренебрегая кривизной характеристики), будет равна наименьшему из коллекторных напряжений, приложенных к кристаллическим триодам, и соответственно будет наибольшей, когда коллекторное напряжение на каждом кристаллическом триоде равно половине питающего напряжения.  [2]

Отношение сигнал — шум представляет собой отношение максимальной амплитуды выходного сигнала к максимальной амплитуде шумов. Эта характеристика является весьма важной для пропорциональных усилителей. В дискретном усилителе выход находится на одном из двух дискретных уровней, каждый из которых имеет допустимый предел. До тех пор пока скачки шумов в выходном сигнале не превышают допустимых пределов, дискретный усилитель функционирует нормально. В пропорциональном же усилителе шум входного сигнала усиливается одновременно с полезным входным сигналам.  [4]

Поэтому можно считать, что для данной частоты максимальная амплитуда выходного сигнала двигателя ограничена.  [5]

Для оценки максимальной мгновенной мощности, выделяемой в нагрузке, предположим, что максимальная амплитуда выходного сигнала определяется только напряжениями питания U ИЛ11 и U И.  [6]

Ряд зависимостей, характеризующих основные параметры ОУ, приведены на следующих рисунках: зависимость максимальной амплитуды выходного сигнала от напряжения питания — на рис. 1.67; частотная характеристика усилителя в режиме малого сигнала — на рис. 1.68; нагрузочная характеристика — на рис. 1.69. Зависимость от температуры напряжения смещения и входного тока — на рис. 1.70 и 1.71, соответственно.  [7]

Выражения (19.49) и (19.50) позволяют в достаточной мере оценить связь между точностью интегрирования и максимальной амплитудой выходного сигнала при интегрировании импульсов прямоугольной формы.  [8]

Этими делителями устанавливается постоянное напряжение на коллекторах транзисторов Ги и Т 2 такой величины, чтобы можно было получить максимальную амплитуду выходного сигнала .  [9]

Однако в рассчитанном таким образом катодном повторителе может не обеспечиваться заданная амплитуда выходного сигнала на высшей рабочей частоте, а также при заданной максимальной амплитуде выходного сигнала может сильно возрастать время установления каскада.  [10]

Синхронный детектор работает на частоте 30 МГц. Максимальная амплитуда выходного сигнала равна 0 3 В.  [11]

Общность электрических схем микросхем К153УД2 и К153УД6 позволяет применить одинаковые цепи коррекции. Изменение максимальной амплитуды выходного сигнала от частоты для различных способов коррекции показано ка рис. 1.205, где кривая S — коррекция прямой связью.  [12]

Снижение напряжения питания отрицательной полярности до 4 — 5 В приводит к уменьшению на несколько процентов коэффициента усиления. Уменьшение положительного напряжения приводит к уменьшению максимальной амплитуды выходного сигнала . При пониженном питании частотная характеристика остается без изменения.  [13]

Максимальная амплитуда синусоидального выходного сигнала, определяемая отсечкой анодного тока. Максимальная амплитуда отрицательного выходного сигнала определяется значением анодного тока в режиме покоя и величиной полного сопротивления в цепи катода. Вследствие наличия емкости, шунтирующей нагрузочное сопротивление в цепи катода, это сопротивление уменьшается с увеличением частоты, поэтому максимальная амплитуда выходного сигнала изменяется обратно пропорционально частоте.  [15]

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

• Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
• Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
• Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.