Главная страница
Навигация по странице:

  • 1 Теоретическая часть 1.1 Работа усилителя в ключевом режиме

  • 1.2 Режим покоя и режим при наличии входного сигнала каскада с ОЭ

  • 1.3 Стабильность рабочей точки усилительного каскада

  • Электроника курсовая автоматизация. Хатамова 37-61 курсовая электроника. Усилителями называют устройства, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности)


    Скачать 1.67 Mb.
    НазваниеУсилителями называют устройства, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности)
    АнкорЭлектроника курсовая автоматизация
    Дата08.07.2020
    Размер1.67 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаХатамова 37-61 курсовая электроника.docx
    ТипДокументы
    #134010
    страница1 из 4

    Подборка по базе: Скоростью химической реакции называют изменение количества реаги
      1   2   3   4









    Введение

    Усилителями называют устройства, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подаётся в нагрузку. [5]

    В усилителях сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов - усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом. Число каскадов в многокаскадных усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяются на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока и мощности сигнала в нагрузке.

    Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

    Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах. Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а также небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    4

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем. [2]

    Операционный усилитель — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы. ОУ предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    5

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    1 Теоретическая часть

    1.1 Работа усилителя в ключевом режиме

    Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки RH. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.[6]

    Режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на характеристике прямой передачи по току усилительного прибора, такого как биполярный или полевой транзистор, электронная лампа. Достаточно часто режим работы усилителя называется классом работы. Выбор рабочей точки может значительно влиять на основные характеристики усилителя, такие как коэффициент усиления, нелинейные искажения и к.п.д.

    Работа усилителя в ключевом режиме значительно отличается при усилении низкочастотного сигнала и высокочастотного узкополосного сигнала. В отечественной литературе эти режимы не различаются. Просто в литературе, ориентированной на низкочастотную усилительную технику и в литературе, ориентированной на радиочастотное применение ключевой режим описывается по разному. В зарубежных изданиях в зависимости от частоты усиливаемого сигнала различают следующие виды ключевых режимов:
    1. класс D — транзистор работает в ключевом режиме:

    • звуковые усилители класса D — для сохранения формы звукового сигнала используется ШИМ или ΣΔ-модуляция; [3]

    • высокочастотные усилители мощности класса D — дополнительная модуляция не требуется, она уже присутствует в усиливаемом сигнале. При этом амплитуда неизменна, информация содержится в частоте и фазе сигнала;

    2. усилитель класса E — это узкополосный усилитель, в котором при помощи согласующих цепей добиваются, чтобы ток через усилительный
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    6

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    прибор протекал при нулевом напряжении. Переключение осуществляет высокочастотная несущая. Применим только для угловых видов модуляции.

    3. усилитель класса F — это узкополосный усилитель в котором рабочая точка выбирается в начале линейного участка, как для класса B, а в качестве нагрузки используется многоконтурный фильтр, формирующий прямоугольное напряжение на коллекторе.
    В качестве примера рассмотрим усилитель класса Е. Усилитель класса E представляет собой усилитель, работающий в ключевом режиме. На вход транзистора, работающего в ключевом режиме, подается высокочастотный сигнал, полезная информация в котором содержится в его частоте и фазе. Амплитудная модуляция в нем отсутствует, поэтому усилители класса E в основном подходят только усиления сигналов с угловой модуляцией. [7]

    Основным недостатком усилителя класса D, работающего на высоких частотах является снижение к.п.д. из-за влияния выходной емкости транзистора и паразитных емкостей печатной платы. В усилителях класса E эти емкости включаются в состав схемы усилителя. Упрощенная схема усилительного каскада, работающего по данному принципу, приведена на рисунке 1.

    Рисунок 1 – Усилитель класса Е
    В данной схеме транзистор VT1 работает в качестве электронного ключа, конденсатор C0 предотвращает протекание постоянного тока по сопротивлению нагрузки R. При замыкании ключа S ток, протекающий по
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    7

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    индуктивности L, начинает возрастать по экспоненциальному закону. Так как сопротивление открытого ключа равно нулю, то и напряжение на нем в этот момент равно нулю. При размыкании ключа S ток индуктивности I0 начинает заряжать конденсатор C в состав которого входят и все паразитные емкости схемы. Ток через ключ в это время равен нулю. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме, приведенной на рисунке 1, показаны на рисунке 2.

    Рисунок 2 – Временные диаграммы напряжения и тока в идеализированном

    усилителе класса Е
    Как видно из этих временных диаграмм, если напряжение на конденсаторе в момент времени T будет равно нулю, то к.п.д. усилителя можно получить равным 100%. К сожалению, напряжение и ток на выходе усилителя, изображенного на рисунке 2 существенно отличаются от синусоидальных. Такой сигнал подавать в антенну нельзя. Поэтому для того, чтобы пропустить на выход схемы только сигнал основной частоты, между сопротивлением нагрузки и выходом усилителя ставят LC контур. [4]
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    8

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    Для понимания принципов работы удобнее пользоваться упрощенной схемой, поэтому составим функциональную схему усилителя класса Е. Она приведена на рисунке 3.


    Рисунок 3 – Функциональная схема идеализированного усилителя класса Е

    Собственно усилитель образуется электронным ключом S, индуктивностью L и конденсатором CP. При этом элементы L0 и C0 образуют колебательный контур, который настроен на первую гармонику полезного сигнала. Он пропускает на выход синусоидальный ток, который протекает по сопротивлению нагрузки RL.

    1.2 Режим покоя и режим при наличии входного сигнала каскада с ОЭ
    Выделение режима покоя при анализе электронных схем является одним из типовых приемов схемотехнической электроники. [1]

    Режим покоя – режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но напряжение на входе равно 0.

    Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладая лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК, чаще используется в усилителях напряжения каскад с общим эмиттером (ОЭ), который представлен на рисунке 4.
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    9

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата








    Рисунок 4 – Принципиальная схема усилительного каскада с ОЭ

    Источник усиливаемого сигнала представляет собой источник с внутренним сопротивлением Rвт и ЭДС Eвх. Конденсаторы большой емкости C1 (часто называемый входным) и C2 (называемый разделительным) отделяют цепь постоянного тока (цепь питания) от цепи источника входного сигнала и цепи приемника с сопротивлением нагрузки Rн. Конденсатор C2, как конденсатор междукаскадной связи, на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей усиленного сигнала. [12]

    Базовый делитель (резисторы R1 и R2) обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т. е. отсутствия входного сигнала. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока IБп. Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает исходное напряжение на базе UБп относительно зажима « + » источника питания.

    Резистор RЭ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор CЭ шунтирует резистор RЭ по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора CЭ привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

    Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя IКп от температуры. При отсутствии
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    10

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    мер по стабилизации тока IКп его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести к искажению формы кривой выходного сигнала.

    Принцип действия каскада с ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход усилительного каскада переменного напряжения Uвх приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе Rк создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор C2 передается на выход каскада – в цепь нагрузки.

    Ток базы будет меняться в соответствии с входной характеристикой и будет иметь кроме постоянной составляющей IБп еще и переменную iб. Одновременно будут меняться токи iк и iб. Зная изменение тока iк, можно проследить за изменением коллекторного напряжения и падением напряжения на резисторе Rк. Переменная составляющая коллекторного напряжения – это и есть выходное напряжение усилительного каскада, которое численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе Rк, так как усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на 180о.

    Ток коллектора iк значительно больше тока базы iб, а Rк > Rвх, следовательно, выходное напряжение Uвых значительно больше входного напряжения Uвх. Чтобы увеличить коэффициент усиления каскада, величину резистора RК выбирают в 3–5 раз больше величины резистора RН. Небольшое значение входного сопротивления является главным недостатком усилительного каскада с ОЭ. Это увеличивает ток источника сигнала и мощность потерь в его внутреннем сопротивлении. [9]

    Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажений, используется амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    11

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    амплитудного значения входного напряжения при постоянной частоте питающего тока (рис. 5).


    Рисунок 5 – Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики

    Участок 1–3 соответствует пропорциональной зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала. По этому участку можно определить коэффициент усиления по напряжению. Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. По величине Umin оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (чувствительность) усилителя.

    При достижении некоторого значения входного сигнала, соответствующего точке 3, пропорциональность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается. Если изменение входного напряжения тока базы и тока коллектора укладываются в линейный участок характеристики, то форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения (например, на входе – синусоида и на выходе – синусоида). [11]

    Граничной точкой является точка 4, в которой выходное напряжение достигает своего максимального значения, а его форма не искажается по сравнению с входным напряжением (режим насыщения).

    Для оценки свойств многокаскадного усилителя с конденсаторной связью на разных частотах пользуются амплитудно- частотной характеристикой, т. е. зависимостью коэффициента усиления
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    12

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата





    усилителя от частоты питающего тока при постоянном значении входного сигнала.

    По амплитудно-частотной характеристике можно определить тот диапазон частот, на котором можно работать с постоянным коэффициентом усиления без частотных искажений. Этот диапазон частот (f1, f2) называется полосой пропускания частот усилителя.
    1.3 Стабильность рабочей точки усилительного каскада

    В процессе работы положение рабочей точки усилительного элемента изменяется. Это происходит вследствие действия дестабилизирующих факторов, основные из которых:

    а) температура;

    б) изменение параметров транзистора (старение, замена транзистора при ремонте и др. [16]

    Основные способы стабилизации рабочей точки:

    1. Термокомпенсация

    2. Термостабилизация

    Термокомпенсация (параметрическая стабилизация)

    Рабочая точка задана методом фиксированного напряжения. В качестве резистора R2 делителя применяется терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), то есть сопротивление данного резистора уменьшается с ростом температуры.

    На рисунке 6 представлена принципиальная схема усилительного каскада с термокомпенсацией.

    Рисунок 6 – Усилительный каскад ОЭ с термокомпенсацией
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    13

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата




    Ток делителя: IделЕк >>Iб

    R1 +R2

    Напряжение покоя базы: U =U = Eк·R2 =I *R

    бэ R2 R1+R2 дел 2

    Механизм компенсации в данном методе заключается в том, что с ростом температуры возрастает ток покоя коллектора Iк. Но с ростом температуры снижается сопротивление резистора R2. [13]

    Термостабилизация (применение отрицательной обратной связи)

    Коллекторное напряжение (выходной сигнал) через резистор Rб подаётся на базу, причём коллекторное напряжение противофазно входному сигналу, т.е. в данном случае используется отрицательная обратная связь. На рисунке 7 представлена принципиальная схема каскада с коллекторной стабилизацией.

    Рисунок 7 – Усилительный каскад по схеме ОЭ с коллекторной стабилизацией

    Основные соотношения:

    Ек=U0Rк+U

    I0Rк=I+IR=U−U

    I

    В схеме действует отрицательная обратная связь, которая не даёт измениться положению рабочей точки в той степени, которая была бы при отсутствии ООС. Причём изменение положения рабочей точки тем меньше, чем сильнее действие ООС.
















    КР 15.03,04 37-61(19)

    Лист
















    14

    Изм.

    Лист

    докум.

    Подпись

    Дата
      1   2   3   4


    написать администратору сайта