Схемотехника аналоговых электронных устройств (стр. 7 )

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .

Основные параметры дифференциальных усилителей

Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.

Дифференциальные сигналы

называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.

Синфазные сигналы

– это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.

Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов

Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен

а коэффициент усиления дифференциального сигнала

будет равен

Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала

а коэффициент усиления синфазного сигнала

будет равен

Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала

(КОСС)

или же в логарифмической форме

У хороших дифференциальных усилителей КОССФ = 104 …106, что составляет 80…120 дБ.

Обобщенная схема усилителя

Она выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС EИ и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада Rвх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .

Схема дифференциального усилителя

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже

Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

KU — это коэффициент усиления по напряжению

Uвых — напряжение на выходе усилителя, В

Uвх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е. Rвх >>Rи и Rн намного больше, чем Rвых (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где KI — коэффициент усиления по току

Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

Iвх — сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А

Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P — мощность, Вт

I — сила тока, А

U — напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

KP — коэффициент усиления по мощности

Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт

Pвх — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Расчёт дифференциального каскада усиления

Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆UBX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала RГ = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆UBbIX = 5 B.

1. Выберем напряжение питания усилителя Eк, которое должно обеспечить заданную амплитуду выходного сигнала и не вводить транзистор в насыщение
   • — транзистор при максимальной амплитуде не должен входить в насыщение
     где UCEнас – напряжение насыщения транзисторов. Для маломощных UCEнас =1 В, для мощных UCEнас = 2 В.
   • — напряжение питания составит
     Примем Eк = 15 В
2. Выберем тип транзисторов усилительного каскада. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: UCEmax = 30 В, ICmax = 100 mA, ICBO = 1 mkA, fh21e = 250 МГц, h21e = 100, PK max = 150 мВт.
3. Примем коллекторный ток транзисторов VT1 и VT2 IC = 1 мA и рассчитаем резисторы устанавливающие режим работы данных транзисторов:
   • — коллекторные резисторы RC = R3 = R5
     Примем RC = 7,5 кОм
   • — резисторы в цепи базы Rb1=R1=R7, Rb2=R2=R8
     Примем Rb2=R2=R8 = 10 кОм

     Примем Rb1=R1=R7 = 150 кОм

4. Рассчитаем источник стабильного тока согласно данной статье
   Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами Uст.ном. = 3,9 В, Iст.ном. = 5 мА.
5. — сопротивление резистора R6
   Примем R6 = 2,2 кОм
6. — cопротивление резистора R4
   Примем R4 = 1,6 кОм
7. Определим параметры дифференциального каскада. Для этого определим дифференциальное выходное сопротивление источника стабильного тока
   где rCE и rBE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора

   где Uγ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В UТ – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит

   Коэффициент усиления дифференциального сигнала

   где RВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя

   где R11 – эквивалентное входное сопротивление Rb – эквивалентное базовое сопротивление

   тогда

   а коэффициент дифференциального усиления составит

   Коэффициент усиления синфазного сигнала

   Коэффициент ослабления синфазного сигнала

КОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом КОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

где

Pвых — выходная мощность усилителя, Вт

Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

UВых — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

где

Pвых — выходная мощность усилителя, Вт

Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

Uвых — напряжение на нагрузке, В

cosφ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения

Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

В УН KU > 1, KI = 1; в УТ KI > 1, KU = 1; в УМ KU > 1 и KI > 1.

Принцип работы дифференциального усилителя

Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.

В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет

Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.

Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Усилители высокой частоты

Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

Широкополосные усилители

Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.