Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
«Электронные усилители»
Введение
Как известно, врач продолжает учиться всю жизнь. Но существуют какие-то классические устоявшиеся положения, которые сомнению не подвергается, они воспринимаются подсознательно, как аксиома.
С точки зрения радиолюбителя, казалось бы, ну что принципиально нового может быть в кардиографе: усилитель - одно- или многоканальный с определенными частотными характеристиками и термостабильностью, с определенными допусками по нелинейным искажениям и собственным шумам, стабильностью работы, обеспечиваемой глубокой обратной связью, система регистрации собственно кривой ЭКГ и лентопротяжный механизм, но при определенной граничной частоте не выше 120 Гц амплитуда зубцов уменьшается аж на 30%, а кардиографы с непосредственной записью и инерционным писчиком «практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов». И если с частотной характеристикой усилителя все понятно и технически решаемо, да и применение АЦП обосновано, то остается вопрос достоверности заключения ЭКГ, записанной на кардиографе с непосредственной записью… Это что же в течение десятков лет диагностировали, описывали, какой выраженности и глубины должны быть изменения в миокарде, чтобы инерционный писчик показал патологические изменения ЭКГ? А ведь до сих пор во многих лечебных заведениях, особенно на «Скорой», применяются такие кардиографы…
1. История электронного усилителя
Электронный усилитель - усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры - радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т.д.
1904 г. Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы - триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
1932 г. Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
1942 г. В США построен первый операционный усилитель - усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название - решающий.
2. Структура усилителя
Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями.
В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) - для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы - для выравнивания частотной характеристики.
Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры - для регулировки усиления, фильтры - для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства - нелинейные и др.
Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.
3. Виды усилителей
Аналоговые усилители и цифровые усилители
В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину - число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.
Виды усилителей по элементной базе :
Ламповый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы.
Полупроводниковый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.).
Гибридный усилитель - усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть - на полупроводниках.
Квантовый усилитель - устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.
Виды усилителей по диапазону частот :
Усилитель постоянного тока (УПТ) - усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Основная статья - Усилитель постоянного тока.
Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) - усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Основная статья - Усилитель звуковых частот.
Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике.
Импульсный усилитель - усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц - нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.
Виды усилителей по полосе частот :
Широкополосный (апериодический) усилитель - усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот.
Полосовой усилитель - усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот.
Селективный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами.
Виды усилителей по типу нагрузки :
с резистивной;
с ёмкостной;
с индуктивной;
с резонансной.
Усилители в качестве самостоятельных устройств :
Усилители звуковой частоты
Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.
Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.
Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.
Измерительные усилители - предназначены для усиления сигналов в измерительных целях. Основная статья - Измерительный усилитель (средство измерений).
Усилители биопотенциалов - разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.
Антенные усилители - предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.
4. Электронные приборы медицинской диагностики. Электрокардиографы
Электрокардиографы применяют для регистрации периодически повторяющейся кривой, образованной наложением элементарных синусоидальных колебаний разных частот, амплитуд и фаз, которые отображают электробиологические процессы в активной сердечной мышце.
В медицинской практике преимущественно применяются электрокардиографы с непосредственной записью, у которых функции регистрирующего устройства выполняет писчик, записывающий колебания гальванометра . Недостатком такого электрокардиографа является иннерционность регистрирующего устройства, которая приводит к заметным искажениям высокочастотного спектра кардиограммы и тем самым ограничивает диагностические возможности аппарата.
Этот недостаток полностью отсутствует у электрокардиографов, в которых в качестве регистрирующего устройства используется осциллограф на электронно-лучевой трубке.
При снятии кардиограммы регистрируемый сигнал, усиливаемый высококачественным электронным усилителем, поступает на вертикальные пластины электронно-лучевой трубки, а на горизонтальные пластины подается линейно изменяющееся напряжение с требуемой скоростью изменения и амплитудой, обеспечивающей развертку электронного луча трубки на полный экран. Это - так называемая развертка осциллографа.
Такой прибор можно использовать для снятия вектор-кардиограммы, представляющей собой векторную сумму двух разностей потенциалов, одна из которых поступает на вертикальные пластины, а другая - на горизонтальные пластины. При этом развертка отключается, а горизонтальные пластины подключаются к выводу второго усилителя, на вход которого подают вторую составляющую результирующего вектора.
Усилители необходимо строить с дифференциальным каскадом на входе, чтобы можно было:
использовать инвертирующий и неинвертирующий входы;
подавлять синфазные помехи, обусловленные не только наводками в виде фона (с частотой 50 Гц или кратной), а также помехи, вызываемые электрической активностью скелетных мышц пациента, и т.д.;
реализовать стандартные отведения , обеспечивающие измерение разности потенциалов между двумя участками тела, подключением электродов кардиографа к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального каскада.
Как известно , основными стандартными отведениями являются:
I отведение - электроды на левой и правой руке подключаются соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам;
II и III отведения - электрод на левой ноге подключают к инвертирующему входу, а к неинвертирующему входу - электрод на правой руке (II отведение) или на левой руке (III отведение).
При указанных правилах подключения электродов на экране электронно-лучевой трубки электрокардиограмма появляется направленная кверху, если поданный на инвертирующий вход сигнал превышает по амплитуде сигнал на неинвертирующем входе.
Усилитель, предназначенный для горизонтальных пластин при снятии векторкардиограммы, желательно также реализовать а дифференциальном каскаде. Промежуточные и выходные каскады усилителей целесообразно реализовать на дифференциальных парах, не прибегая к преобразованию двухфазного выходного напряжения в однофазный, так как усилители электронно-лучевых трубок, как правило, строят с двухфазным выходом.
Точность воспроизведения электрокардиограммы определяется линейными и нелинейными искажениями усиливаемых сигналов.
Линейные искажения определяются АЧХ усилителя. В области низких частот они могут быть полностью исключены, если отказаться от использования разделительных RС-цепей между каскадами и блокирующих конденсаторов в цепях задания и стабилизации режимных токов транзисторов. Однако при этом необходимо предусмотреть меры для установки нулевого уровня, от которого отсчитывается амплитуда зубцов и определяется степень смещения сегментов электрокардиограммы. Для установки нулевого уровня, смещение которого в основном определяется отклонением выходного напряжения входного дифференциального каскада, применяют балансировку каскада путем изменения режимных токов входных транзисторов. В электрокардиографах эту операцию производят при помощи корректора.
Из-за температурного дрейфа выходного напряжения дифференциального каскада происходит смещение нулевого уровня, нестабильность которого мешает определению уровня S-Т и создает условия для ошибочного толкования электрокардиограммы . Влияние температурного дрейфа практически можно исключить использованием высокостабильных источников тока, задающих режимные токи коллекторов, а также охватом отрицательной обратной связью соответствующих звеньев усилителя.
При использовании усилителей с непосредственными связями возникает еще проблема согласования по постоянному току каскадов в последовательной цепи усилителя. Эту проблему решают применением схем сдвига потенциальных уровней .
Указанные проблемы, вызывающие смещение нулевого уровня, можно исключить применением разделительной RС-цепи, которую подключают к выходу усилителя. Постоянную времени цепи тр = СрR необходимо рассчитать так, чтобы усилитель передавал без заметного искажения сигналы очень низкой частоты - около 0,25 Гц .
В области низких частот существенно сказывается действие шумовых сигналов, обусловленных дисперсией процесса рекомбинации-генерации. Это низкочастотные шумы типа 1/f, амплитуда которых заметно возрастает по мере уменьшения частоты.
В электрокардиографах и целом ряде других медицинских аппаратов (например, энцефалографах) приходится усиливать сравнительно низкочастотные сигналы (с частотой, иногда составляющей десятые доли герца), поэтому наряду с полезными сигналами усиливаются низкочастотные шумовые сигналы типа 1/f, амплитуда которых может оказаться сравнимой с амплитудой полезных сигналов. При этом точность воспроизведения сигналов прибором характеризуется шумовым показателем.
µш = Uвых.m / кр\Uвых, определяемым отношением амплитуды полезного сигнала Uвых.m к амплитудному значению шумового сигнала кр\Uвых, ш\ (|С/вых, ш\ - среднеквадратичное значение шума, кр - коэффициент, определяющий амплитудное значение шума). Следовательно, при разработке или выборе низкочастотного усилителя для указанных медицинских приборов необходимо ориентироваться и на коэффициент шума, стремясь к тому, чтобы µш >(10-50).
В усилителях постоянных сигналов прямого усиления проблему уменьшения низкочастотных шумов возможно решить только одним способом - выбором малошумящих транзисторов во входном каскаде, избегая полевых транзисторов, характерной особенностью которых является высокий уровень шумов 1/f. Использование разделительных RС-цепей позволяет еще больше увеличить µш. Практически полностью можно исключить шумы 1/f применением усилителей постоянных сигналов с преобразованием, т.е. МДМ-усилителей, в которых следует использовать модулятор на элементе с низким уровнем шумов 1/f.
Искажения в области высших частот обусловлены инерционностью элементов кардиографа. Считается , что пригодный для клинических целей электрокардиограф должен точно передавать сигналы с высокочастотным спектром более 200 Гц. Если регистрирующая система обладает верхней граничной частотой fв, не превышающей 120 Гц, то амплитуда зубцов уменьшается на 30%. Поэтому электрокардиографы с непосредственной записью, где в качестве регистрирующей системы используется инерционный писчик с очень низкой частотой свободных колебаний, практически непригодны для достоверной диагностики на основании формы воспроизводимых зубцов. В электрокардиографах с регистрирующей системой в виде осциллографа без особого труда можно обеспечить воспроизведение сигналов с высокочастотным спектром, составляющим десятки и более килогерц. При этом полностью исключается искажение формы зубцов.
Точность электрокардиограмм зависит и от уровня нелинейных искажений, вносимых аппаратом. Для установления этих искажений электрокардиографы снабжаются потенциометром, при помощи которого контролируется, во-первых, чувствительность усилителя с помощью контрольного милливольта и, во-вторых, уровень нелинейных искажений подачей разнополярных контрольных милливольт. В первом случае подачей контрольного милливольта устанавливается определенный масштаб амплитуды усиливаемого сигнала. По международному стандарту 1 мВ должен обеспечить отклонение 10 мм (в некоторых случаях отступают от этого стандарта). Во втором случае для установления уровня нелинейных искажений изменяют амплитуду контрольного сигнала и проверяют, соответствует ли отклонение на выходе кардиографа установленному значению контрольного сигнала. Такую проверку проводят для отклонения как вверх, так и вниз.
Для уменьшения нелинейных искажений охватывают усилитель отрицательной обратной связью требуемой глубины. При малых нелинейных искажениях их уровень уменьшается пропорционально глубине обратной связи.
Современные электрокардиографы позволяют осуществлять как одноканальную, так и многоканальную запись кардиограммы . Использование цифрового осциллографа позволяет компьютеризировать данный процесс. Для компьютерной обработки электрокардиограмм преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, снабдив усилитель аналого-цифровым преобразователем. Дополнив компьютер базой данных по кардиограммам, составленным медицинскими экспертами, можно установить диагноз исследуемого пациента.
усилитель медицинский электрокардиограф электронный
Размещено на Allbest.ru
Разработка усилителя электрических сигналов, состоящего из каскадов предварительного усилителя. Расчет двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности. Определение каскада с ОЭ графоаналитическим методом. Балансные (дифференциальные) усилители.
курсовая работа , добавлен 09.03.2013
Требования к сопротивлению усилителя. Определение режима транзистора. Цепи питания и термостабилизация. Параметры эквивалентной схемы. Промежуточный каскад усиления. Параметры усилителя в области малых времен. Расчет запаса устойчивости усилителя.
курсовая работа , добавлен 09.03.2015
Особенности разработки малосигнального усилителя низкой частоты. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя. Разработка комбинационно-логического устройства (КЛУ). Характеристики и тестирование источника питания на УНЧ.
курсовая работа , добавлен 07.10.2015
Изучение методов измерения основных параметров операционных усилителей. Исследование особенностей работы операционного усилителя в режимах неинвертирующего и инвертирующего усилителей. Измерение коэффициента усиления инвертирующего усилителя.
лабораторная работа , добавлен 16.12.2008
Методика разработки электронных устройств. Исследование основных принципов построения усилительных каскадов. Выбор и расчет электронного транзисторного усилителя с полосой рабочих частот 300Гц – 50кГц. Проведение макетирования и испытания усилителя.
курсовая работа , добавлен 22.01.2013
Изучение работы усилителей постоянного тока на транзисторах и интегральных микросхемах. Определение коэффициента усиления по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя. Зависимость выходного напряжения от напряжения питания сети для усилителя тока.
лабораторная работа , добавлен 31.08.2013
Определение назначения, анализ технических характеристик и описание принципиальной схемы усилителя мощности звуковой частоты. Выбор контрольных точек усилителя, расчет трансформатора и стабилизатора напряжения прибора. Алгоритм диагностики усилителя.
курсовая работа , добавлен 26.01.2014
Операционные усилители общего применения. Прецизионные и программируемые операционные усилители. Разработка и расчет входного усилителя, компаратора с положительной обратной связью, фоточувствительного выпрямителя, фильтра частот, погрешностей устройства.
курсовая работа , добавлен 22.08.2013
Разработка транзисторного усилителя с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Cap 8.0. Оценка максимального уровня входного сигнала и сопротивления. Температурный режим. Анализ усилителя в частотной области. Статический анализ схемы.
дипломная работа , добавлен 10.01.2016
Выбор операционного усилителя, расчет его основных параметров для входного и выходного каскада. Вычисление каскадов усилителя, смещения нуля, коэффициента гармоник и частотных искажений. Моделирование усилителя с помощью Electronics Workbench 5.12.
Электронный усилитель - усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры - радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.
Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) - для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы - для выравнивания частотной характеристики Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала. Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры - для регулировки усиления, фильтры - для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства - нелинейные и др. Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.
Каскад усиления - ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель. В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп) Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) - наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим. Каскад с общей базой (затвором, сеткой) - усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает. Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) - называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает. Каскад с распределенной нагрузкой - каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный. Каскодный усилитель - усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй - по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE) Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными. Однотактный усилитель - усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно. Двухтактный усилитель - усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.
Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений. В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления: Режим A Режим B Режим B, двухтактный каскад Режим C
В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку. В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину - число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.
Ламповый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы Полупроводниковый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.) Гибридный усилитель - усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть - на полупроводниках Квантовый усилитель - устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.
Усилитель постоянного тока (УПТ) - усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) - усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике Импульсный усилитель - усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц - нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.
Широкополосный (апериодический) усилитель - усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот Полосовой усилитель - усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот Селективный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами
с резистивной; с ёмкостной; с индуктивной; с резонансной.
Дифференциальный усилитель - усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход. Операционный усилитель - многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью. Инструментальный усилитель - предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала Масштабный усилитель - усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью Логарифмический усилитель - усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала Квадратичный усилитель - усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала Интегрирующий усилитель - усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала Инвертирующий усилитель - усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор) Парафазный (фазоинверсный) усилитель - усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений Малошумящий усилитель - усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал Изолирующий усилитель - усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления
Предварительный усилитель (предусилитель) - усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя. Оконечный усилитель (усилитель мощности) - усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения. Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) - узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника. Резонансный усилитель - усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой. Видеоусилитель - импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения. Усилитель магнитной записи - усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку. Микрофонный усилитель - усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать. Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) - электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.
Усилители звуковой частоты Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания. Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств. Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных. Измерительные усилители - предназначены для усиления сигналов в измерительных целях. Усилители биопотенциалов - разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии. Антенные усилители - предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.
Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведенного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямоугольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, определяющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.
Рисунок 1. Обобщенная структурная схема усилителя
Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу которого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р вх выходная мощность Р вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р вх < Р вых < Ро . Следовательно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполярных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.
Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве случаев одного элемента недостаточно и в усилителе применяют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом . Усилитель состоит из активных и пассивных элементов : к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляющего сигнала на входных электродах. Пассивными эле ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необходимый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие параметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально необходимого набора активных и пассивных элементов.
Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.
Рисунок 2. Схема многокаскадного усилителя
Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.
Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.
Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические.
Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами - номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анодных цепях ламп; используется для поддержания заданных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.
Усилительные устройства классифицируют по различным признакам.
По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.
По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:
- Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.
- Усилители напряжения , в свою очередь подразделяются на усилители низкой, высокой и сверхвысокой частоты.
По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:
- избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот /1 ;
- широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот />>1 (например УНЧ - усилитель низкой частоты).
- Усилители мощности - оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R вн. к = R н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).
По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микросхемы (ИМС).
Показатели работы усилителей.
К показателям работы усилителей относятся входные и выходные данные, коэффициент усиления, диапазон частот, коэффициент искажений, КПД и другие параметры, Характеризующие его качественные и эксплуатационные свойства.
К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения U вх = U 1 , тока I вх = I 1 или мощности P вх = P 1 ), входное сопротивление, входная емкость или индуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со противление R вх в сравнении с сопротивлением источника сигнала R и предопределяет тип усилителя; в зависимости от их соотношения различают усилители напряжения (при R вх >> R и ), усилители тока (при R вх << R и ) или усилители мощности (при R вх = R и ). Входная ем кость С вх , являясь реактивной компонентой сопротивления, оказывает существенное влияние на ширину рабочего диапазона частот.
Выходные данные - это номинальные значения выходного напряжения U вых =U 2 , тока I вых =I 2 , выходной мощности P вых =P 2 и выходного сопротивления. Выходное сопротивление должно быть значительно меньшим, чем сопротивление нагрузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (индуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие
Коэффициентом усиления называется отношение выходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению K u = U 2 / U 1 , по току K i = I 2 / I 1 и мощности K p = P 2 / P 1 .
Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сигналы различной частоты и формы. К важнейшим характеристикам относятся амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная и переходная.
Амплитудная
характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты . Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, причем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U
п
, создаваемых самим усилителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна амплитуде входного U вых
=
K*
U
вх
и амплитудная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика отличается от прямой.
Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за присутствия в усилителе реактивных элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а выходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости представлена на рисунке. Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.
Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.
Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посредством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи усилителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке ниже.
Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линейных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усилитель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает отдельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке представлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.
Усилител ьный каскад - конструктивное звено усилителя - содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.
Один из вариантов транзисторного каскада для усиления переменного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа включен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база - эмиттерсоздается источником с ЭДС Е c и внутренним сопротивлением R c источника. В цепи базы установлены резисторы R 1 и R 2 . Коллектор транзистора соединен с отрицательным зажимом источника E к через резисторы R к и R ф . Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С 2 поступает в нагрузку R н . Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС -звено фильтра (положительную обратную связь - ПОС ), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике E к с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь - ООС ) можно дополнительно включить RC -фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.
Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.
В этой схеме резистор Rк , включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.
Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, так как емкость Сэ значительна.
При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1 , C2 на разных частотах различно.
Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).
Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.
Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.
В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.
Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2) .
Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока Iк , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление Rэ . Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.
Усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.
Операционный усилитель (ОУ) - унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:
· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;
· входное сопротивление стремится к бесконечности;
· выходное сопротивление стремится к нулю;
· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;
· бесконечная полоса усиливаемых частот.
ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.
На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:
Для инвертирующего Киоу = Rос / R1
Для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1
Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.
К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему и по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя . Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ (генератор стабильного тока), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку (в этом случае Jвхоу стремится к нулю).
Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой
в виде, изображённой на рис.3. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).
История операционного усилителя связана с тем, что усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.
Что же представляет из себя усилитель мощности – далее, для краткости будем называть его УМ? Исходя из вышеизложенного, структурную схему усилителя можно условно разделить на три части:
Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением - динамическую головку или наушники.
Бывают трансформаторные и бестрансформаторные схемы УМ.
1. Трансформаторные усилители мощности.
Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ , в котором транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).
Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.
Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.
2. Бестрансформаторные усилители мощности.
Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:
Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.
Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя
- усилителя с дополнительной симметрией - приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n-p
-типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.
Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1 , работает в режиме усиления, а транзистор Т2 - в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напряжению Uвх . Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных характеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.
Для рассматриваемого усилителя максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E . Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением
Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением
Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффициент полезного действия УМ : n max = P н.max / P потр.max = 0,78.
Особенностью электронных усилителей является их высокая чувствительность: они способны усиливать сигналы весьма малой мощности. Поэтому применение электронных усилителей особенно целесообразно в тех случаях, когда мощность на выходе чувствительных элементов или датчиков чрезвычайно мала (порядка нескольких микроватт).
В системах автоматического регулирования находят применение электронные усилители постоянного и переменного тока, однокаскадные и многокаскадные. Схема простого электронного усилителя постоянного тока приведена в табл. V.1 (схема 1). Определим коэффициент его усиления, имея в виду, что напряжение на аноде
Если - анодный ток, а напряжение равно напряжению на сетке то коэффициент усиления по напряжению в рассматриваемом случае будет
где - динамическая крутизна характеристики лампы.
Введем понятие статической крутизны тогда формулу (V. 1) можно переписать в виде
где - внутреннее сопротивление лампы.
(кликните для просмотра скана)
Из формулы (V.2) видно, что коэффициент усиления по напряжению тем больше, чем больше крутизна характеристики 50 и чем больше сопротивление . Итак, коэффициент усиления однокаскадного усилителя зависит от типа лампы и может изменяться в пределах от 10 до 80.
Другие схемы однокаскадных усилителей постоянного тока приведены в табл. V.1 под номерами 2, 3. Усилители этого типа отличаются высоким быстродействием и практически считаются безынерционными.
Принципиальные схемы наиболее распространенных усилителей переменного тока также приведены в табл. V.1 (схемы 4, 5). В системах автоматического регулирования используют в основном усилители переменного тока, так как они не имеют дрейфа нуля и обеспечивают создание простых схем во всех тех случаях, когда требуется иметь фазочувствительный усилитель.
Электронные усилители можно соединять последовательно. Коэффициент усиления такого многокаскадного усилителя определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов.
Электронные усилители обладают большой чувствительностью, которую принято характеризовать коэффициентом чувствительности. Коэффициент чувствительности представляет собой отношение мощности в милливаттах, отдаваемой лампой в нагрузку, к квадрату напряжения на входе в вольтах. Эта величина для обычных усилительных ламп колеблется от 2 до 5.
Недостатком электронных усилителей является их малая выходная мощность, невысокая надежность, чувствительность к вибрациям и относительно большая мощность потребления.
Тиратронные усилители (схема 6 в табл. V. 1). В электронных усилителях максимальная выходная мощность не превышает 100 Вт, поэтому для получения значительных выходных мощностей применяют тиратронные усилители.
Тиратронами принято называть трехэлектродные газонаполненные электронные лампы. Колбы этих ламп заполняются инертным газом (неоном, аргоном), либо парами ртути. Вследствие этого процессы, происходящие в тиратроне, существенно отличаются от процессов, происходящих в обычных электронных лампах. Здесь за счет ионизации молекул газа, происходящей в результате их столкновения с быстро движущимися под действием потенциала анода электронами, ток тиратрона может достигать нескольких ампер. Это позволяет использовать тиратроны для управления мощными процессами. Коэффициент усиления по мощности тиратрона составляет величину порядка , т. е. при входной мощности около выходная мощность тиратрона может быть порядка 2-3 кВт и более.
Процесс ионизации газа требует определенного времени, поэтому тиратроны являются инерционными приборами. Время зажигания тиратрона составляет 10-в с, а время гашения с. Практически инерционность тиратронов проявляется при работе на высоких частотах. При питании тиратронов токами обычной частоты их можно рассматривать как безынерционные приборы.
Выходной ток тиратронов можно регулировать в больших пределах путем изменения амплитуды, фазы или смещения сеточного напряжения. Кроме того, тиратрон одновременно является и выпрямителем переменного тока в постоянный, а его выходная мощность достигает и более, что в несколько раз превышает выходную мощность электронных приборов вакуумного типа. Все эти преимущества тиратронов обусловили их широкое применение в устройствах автоматического управления электроприводами, а также в системах автоматического регулирования.
Полупроводниковые усилители. Малые габаритные размеры полупроводниковых усилителей, незначительная мощность потребления и высокая надежность привели к замене ламповых усилителей полупроводниковыми. В системах автоматического регулирования используют полупроводниковые усилители, работающие на постоянном и переменном токе. Усилитель напряжения с общим эмиттером показан в табл. V.1 (схема 7). Эта схема
характеризуется высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом усиления по мощности.
Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы определяется по формуле
где - сопротивление нагрузки; - сопротивление генератора; - входное сопротивление усилителя.
На схеме 8 табл. V.1 показан двухтактный транзисторный усилитель мощности, обеспечивающий хорошее согласование и большой коэффициент усиления.
Для согласования полупроводниковых усилителей с низкоомной нагрузкой применяют схемы с общим коллектором (эмиттерные повторители). Схема эмиттерного повторителя приведена в табл. V.1 (схема 9). Эта схема характеризуется повышенным значением входного сопротивления, пониженным значением выходного сопротивления и совпадением фаз входного и выходного сигналов.
Коэффициент усиления эмиттерного повторителя с нагрузкой может быть найден по формуле
Как видно из формулы (V.4), коэффициент близок к единице. Схема эмиттерного повторителя применяется в корректирующих устройствах и выполняет в них роль разделительного усилителя.
В тех случаях, когда в системе автоматического регулирования требуется двухкаскадный усилитель, можно воспользоваться схемой 10 из табл. V.I. Для этой схемы нетрудно определить значение входных сопротивлений первого и второго каскадов:
При где имеем
Так как в рассматриваемой схеме то
На практике для схемы 10 можно получать значения изменяющиеся в пределах от 20 до 300 при дрейфе выходного напряжения, меньшем 0,2 В. При большом числе каскадов предусматривают специальные меры для снижения дрейфа усилителя и ликвидации температурной нестабильности транзисторов.
В последнее время широкое применение нашли усилители переменного тока на транзисторах. В качестве каскадов предварительного усиления применяют схемы 12-14. Схема 12 имеет делитель напряжения в цепи базы при одном источнике питания. Однако требования к стабильности источника питания в этой схеме достаточно высокие. Схему 13 используют при пониженных требованиях к стабильности источника питания. Работа этой схемы обеспечивается за счет введения в усилительный каскад отрицательной обратной связи. Схему 14 применяют при наличии двух источников питания и нежелательности включения конденсаторов в цепи эмиттеров. Оконечные каскады усиления обычно выполняют по двухтактной схеме (схема 9 в табл. V.1). Транзисторы работают в режимах классов А и Схема фазо-чувствитрльного каскада на транзисторе показана в табл. V.1 (схема 11).
Термин усилитель весьма многозначен. Это может быть гидроусилитель, хорошо известный автомобилистам, магнитный усилитель, применявшийся когда-то в системах автоматики. Также известны электромеханические и релейные усилители.
Принцип работы всех усилителей одинаков: под воздействием слабого управляющего сигнала на выходе усилителя появляется мощный выходной сигнал. Естественно, что для получения выходного сигнала большой мощности требуется внешний источник энергии.
Например, на управление катушкой реле требуется мощность в доли ватта, в то время, как контакты могут коммутировать нагрузку в несколько киловатт. Что называется, налицо усиление по мощности. Но в этой статье будут вкратце рассмотрены только электронные усилители.
Именно они являются наиболее распространенным узлом различных приборов и устройств. В зависимости от выполняемой функции, от природы входного сигнала, усилители разделяются на несколько типов. В одном случае это, например, а в другом музыка, речь или сигнал телевизионной антенны, работающей в дециметровом диапазоне волн.
Но все электронные усилители объединяет то, что они используют явление электропроводимости в различных средах. Прежде всего это вакуум (электронные лампы) и полупроводники ( и микросхемы).
Большая часть электронных усилителей в настоящее время выполнена на полупроводниках, конструкции на лампах используются любителями очень качественного звука, меломанами, и еще там, где без ламп обойтись невозможно.
Усилители конструктивно могут быть как отдельным устройством, так и составной частью какого-либо прибора, например измерительного.
Усилители постоянного тока (УПТ)
Эти усилители работают в диапазоне частот от нуля до некоторой верхней частоты. Другими словами они способны усиливать постоянное напряжение. При этом, конечно же, усиливается и переменная составляющая сигнала. Схема, если не всего, то какой-то части УПТ показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема усилителя постоянного тока
Для того, чтобы иметь возможность усиливать «постоянку», связь между каскадами выполняется с помощью резисторов, диодов, стабилитронов или вовсе непосредственно. Именно этот вариант и показан на рисунке 1. Наиболее широкое применение УПТ находят в , преобразователях неэлектрических величин, в измерительных приборах, в усилителях сигналов разных датчиков.
УПТ являются также основой для создания операционных усилителей (ОУ), которые широко применяются в различных приборах. Собственно, все УПТ в настоящее время строятся на основе ОУ, достоинства которых широко известны и не подлежат никакому сомнению.
На рисунке 2 показана схема УПТ на базе операционного усилителя. Как видно, она намного проще предыдущей, хотя параметры ее намного лучше.
Рисунок 2. УПТ на основе ОУ
Усилители переменного тока
Усилители переменного тока отличаются от УПТ тем, что усиливают лишь переменную составляющую входного сигнала. В качестве примера на рисунке 3 показан микрофонный усилитель для динамического микрофона типа МД-52 или ему подобным, которым комплектовались отечественные магнитофоны.
Рисунок 3. Микрофонный усилитель
На входе и выходе усилителя, выполненного на микросхеме, установлены разделительные конденсаторы, что позволяет пропустить через усилитель только переменную составляющую сигнала.
Такая схема называется также микрофонным усилителем. Будучи подключенной к звуковой карте компьютера упомянутый микрофон позволяет получить прекрасный звук, гораздо лучший, нежели при помощи китайского компьютерного микрофона.
Усилитель прекрасно работает даже от +5В, поэтому запитать его можно от разъема USB, или вывести 12 вольт из компьютера. Налаживания устройство не требует, начинает работать сразу. Малое количество деталей позволяет собрать эту схему навесным монтажом, используя выводы деталей. При этом следует стремиться, чтобы соединения были как можно короче. Это спасет от наводок и помех.
Усилители высокой частоты
Применяются в основном в радиоприемниках и телевизорах. Их назначение несколько усилить входной сигнал, например, от антенны. Далее происходит супергетеродинное преобразование, и дальнейшее основное усиление происходит на промежуточной частоте. Спецификой таких усилителей является применение ВЧ транзисторов, а также особенности монтажа устройства. Подобный монтаж можно увидеть, если открыть радиочастотный блок любого современного телевизора.
Полосовые усилители
Полосовые усилители предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот. В качестве примера можно привести усилители промежуточной частоты (УПЧ). Полоса частот в таких усилителях обеспечивается за счет колебательных контуров и фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) или пьезокерамических фильтров (ПКФ). Ведь усилить сигнал в узкой полосе частот намного проще, чем создавать очень широкополосный усилитель.
Кроме уже упомянутых усилителей существует весьма большое количество из разновидностей, вот еще некоторые из них.
Предварительные усилители
Их назначение усилить сигнал от слабого источника до уровня, приемлемого для дальнейших каскадов. Например, поднять уровень магнитофонной приставки до входного уровня оконечного усилителя звуковой частоты. Предварительный усилитель также может включать в себя регуляторы тембра и громкости.
Для воспроизведения грамзаписи с виниловых дисков применяются специальные предварительные усилители-корректоры, формирующие частотную характеристику для работы с головкой звукоснимателя. Когда музыку записывали и слушали на магнитофонах, в ходу были усилители записи и воспроизведения. Назначение таких усилителей состояло в формировании требуемой частотной характеристики канала запись - воспроизведение.
Измерительные усилители
Чаще всего применяются в измерительных приборах, средствах автоматики, контроллерах управления промышленным оборудованием. Эти усилители также называют инструментальными. Они обладают очень малым собственным шумом, очень большим коэффициентом усиления (при разорванной цепи ОС) и очень большим коэффициентом подавления синфазных помех. Такие очень высокие характеристики достигаются применением определенного соединения нескольких ОУ. Вот, как много всяких «очень» у измерительных усилителей. На рисунке 4 показана классическая схема инструментального усилителя.
Рисунок 4.
Наряду с этой схемой широкое применения находят также схемы на одном ОУ или двух. Встречаются и более сложные конструкции. В последнее время измерительные усилители выпускаются в интегральном варианте,- все что показано на рисунке 4 умещается в одном корпусе, при этом количество подстроечных элементов минимально, как правило, один внешний резистор. На рисунке 4 это R1, а на рисунке 5 резистор RG (GAIN).
Внутреннее устройство интегрального измерительного усилителя типа AD623, естественно, упрощенная схема показано на рисунке 5 . Отличительная особенность этого усилителя малая цена и способность работать с однополярным питанием.
Рисунок 5. Схема интегрального измерительного усилителя типа AD623
Более подробно про электронные усилители вы можете узнать .
