Параметры и характеристики аналоговых устройств Коэффициентом усиления



Скачать 462,31 Kb.
страница1/3
Дата17.10.2016
Размер462,31 Kb.
  1   2   3
2.1.1. Параметры и характеристики аналоговых устройств Коэффициентом  усиления называется  отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к  входной. В качестве таких величин могут быть использованы  напряжение, сила тока и мощность (U, I, P). Им соответствуют коэффициенты: Ku Ki Kp/ Из-за наличия в схемах усилителя реактивных элементов (индуктивности L и емкости C) коэффициенты усиления по току и напряжению (KI , KU) являются  комплексными и зависят от частоты f. Коэффициент  усиления  по мощности Kр показывает, во сколько раз активная мощность Ракт. вых, отдаваемая усилителем в нагрузку, больше активной мощности Ракт.вх., подводимой по входным  зажимам. Коэффициент демпфирования — величина, определяющая способность усилителя мощности управлять движением громкоговорителя. Зависит от отношения сопротивления громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя. Коэффициент демпфирования (от 5 до 5000)  — Демпфирование — это подавление паразитных колебаний динамической системы громкоговорителя. Коэффициент демпфирования (Damping Factor) — отношение сопротивления акустики к выходному сопротивлению усилителя. Чем выше этот показатель, тем более качественно можно воспроизвести звук. Низкое выходное сопротивление усилителя позволяет бороться с паразитными напряжениями, которые возникают в динамических головках при движении катушки в магнитном поле. Минимальным значением коэффициента демпфирования можно считать 20, хорошим — 200-400. Современные усилители высокого класса имеют значение этого параметра в 200 и выше. Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ) — величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонентов выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов входного сигнала, иногда используется нестандартизованный синоним — клирфактор (заимств. с нем.). КНИ — безразмерная величина, выражается обычно в процентах. Кроме КНИ уровень нелинейных искажений можно выразить с помощью коэффициента гармонических искажений. Номинальная выходная мощность (Pвыхном) — мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е.максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений. Коэффициент гармонических искажений — величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала. Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазо-частотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. Поскольку линейные искажения обычно вызывают нарушения амплитудно-частотной характеристики — как правило, их величина определяется именно способом исследования этой характеристики усилителя.  Амплитудно-частотная   характеристика  (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи. Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса. Амплитудно-фазовая   характеристика  (АФХ) — зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе  амплитудно-частотную  и фазочастотную  характеристики  усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи.

2.1.2. Обеспечение режима работы усилительных элементов по постоянному току Режимы работы усилительных каскадов зависят от способа включения и параметров усилительных элементов, а также от построения питающих цепей и расположении точки покоя на нагрузочной линии. В электронных усилителях, в том числе и в усилителях звуковой частоты, обозначения "класс А", "АВ", "В" и т. д. относятся к режиму работы усилительных приборов — транзисторов или ламп — в каскадах усилителя.  В звукоусилительной технике принята следующая основная классификация режимов работы усилителя:Режим класса А, соответствующий колебаниям тока анода лампы (тока коллектора в случае биполярного транзистора, тока стока — в случае полевого) без отсечки, то есть без прекращения протекания тока в продолжение всего периода входного сигнала. Ток покоя, то есть постоянный ток при отсутствии входного сигнала, должен быть при этом не меньше максимальной амплитуды переменной составляющей тока.Режим класса В, когда ток через усилительный элемент идет в течение половины периода входного сигнала. В течение второй половины периода усилительный элемент полностью закрыт и ток через него не идет. Ток покоя равен нулю.Режим класса АВ, который является промежуточным между двумя предыдущими режимами: время протекания тока больше, чем полпериода, но меньше, чем полный период входного сигнала. Ток покоя, соответственно, меньше максимальной амплитуды переменной составляющей тока. Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Перед тем как приступать к проверке, необходимо зарисовать схему всех имеющихся на трансформаторе внешних соединений и перемычек, а затем удалить их. (Использование цифрового фотоаппарата для этих целей оказывается весьма плодотворным.) Несомненно, первичная обмотка должна иметь отвод от средней точки, чтобы обеспечить возможность использования трансформатора в двухтактной схеме, также на этой обмотке могут быть дополнительные отводы для обеспечения ультралинейного  режима  работы. Как правило, сопротивление обмотки на постоянном токе, замеряемое омметром между крайними точками обмотки, будет составлять максимальное значение сопротивления среди всех полученных значений и может колебаться от 100 до 300 Ом. Если обнаружена обмотка с подобным значением сопротивления, то, практически во всех случаях, можно считать, что идентифицированы клеммы трансформатора А1 и А2 соответствующие крайним точкам первичной обмотки. У трансформаторов высокого качества первичная обмотка наматывается симметрично, то есть сопротивления между крайними выводами А1 и А2 и средней точкой высоковольтной обмотки всегда равны, поэтому следующим шагом является  определение  вывода, для которого сопротивление между ним и выводами А1 и А2 было бы равным половине сопротивления между крайними точками первичной обмотки. Однако более дешевые модели трансформаторов могут оказаться изготовленными не столь тщательно, поэтому сопротивления между двумя половинами обмотки могут не оказаться абсолютно равными между собой.

2.1.3. Обратная связь и ее влияние на показатели и характеристики усилительных устройств Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов,   в   усилительных  элементах которого используется явление электрической проводимости в газахвакууме иполупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное  устройство , так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры —радиоприёмникамагнитофонаизмерительного прибора . 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. Обратной связью называют процесс передачи сигнала из последующих цепей усилителя в предыдущие. а практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют  многокаскадные   усилители , собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме (рис. 1) в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.В качестве нагрузки можно подключать в выходную цепь каскада УМ комплексные активно-реактивные нагрузки (R, RL, RС, РСL), например обмотку громкоговорителя, фидерную или абонентскую сеть, самописец, обмотку электромагнитного реле, или шагового (искателя) двигателя, или электроконтактора, обмотку возбуждения электродвигателя, различные контрольно-измерительные приборы, блоки развертки луча осциллографа или телевизора, световые индикаторы и т. д. В блок-схеме  многокаскадного   усилителя  первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению. 

В усилительных каскадах расширение полосы пропускания связано с потерей части выходной мощности в резисторах  корректирующих   цепей  (КЦ) либо  цепей  обратной связи. От выходных каскадов усилителей  требуется, как правило, получение максимально возможной выходной мощности в заданной полосе частот. Из теории усилителей известно, что для выполнения указанного требования необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого можно достигнуть, включив выходную емкость транзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ.

2.1.4. Каскады предварительного усиления Основным  требованием , предъявляемым   к   каскадампредварительного   усиления , обычно является наибольший коэффициент усиления при заданной частотной, фазовой или переходной характеристике. Исходя из этого, в  каскадах   предварительного   усиления используют маломощные усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления и так выбирают режим их работы, способ включения и детали схемы, чтобы получить возможно большее усиление сигнала при малом расходе питающей энергии. Усилительные каскады с общим эмиттером При положении рабочей точки в середине входных величин на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет одно центральное устойчивое состояние, отклонения от центрального состояния и крайние состояния — неустойчивы, каскад при этом является усилителем гармонических сигналов. При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет два устойчивых крайних состояния и неустойчивое центральное состояние, каскад при этом является переключательным, работает в ключевом режиме, как реле (закрыт, открыт) и применяется как инвертор в логических элементах. Как и контактные группы реле, переключательные каскады могут быть нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки на проходной характеристике.

Истоковый и эмиттерный повторители Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало. В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель,а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности. В истоковом повторителе все выходное напряжение прикладывается к входу с противоположным знаком. Следовательно, в этом случае образуется стопроцентная отрицательная обратная связь по напряжению. По переменному току сток соединен с общей шиной и является общим для входных и выходных сигналов.



2.1.5. Оконечные каскады В оконечных каскадах, начиная с первого серийного типа усилителей, используется только двухтактная схема включения ламп. В отношении типов ламп, используемых в оконечных каскадах, можно наблюдать, как успехи в развитии советской вакуумной техники непосредственно определяли выбор ламп. Однотактные усилители в ламповых приемниках применяются при выходной мощности не более 4...5 Вт. При больших выходных мощностях, как правило, используются двухтактные усилители. Наиболее простая схема оконечного каскада - схема с непосредственным включением нагрузки. В большинстве широко распространенных бестрансформаторных усилителей мощности звуковой частоты выход предварительного  каскада , работающего в режиме класса А , не симметричен по отношению к входу  оконечного   двухтактного   каскада , симметричного по своей природе. Это обстоятельство не позволяет обеспечить оптимальное согласование  каскадов  усилителя, что приводит к возникновению дополнительных нелинейных искажений.В предлагаемом усилителе мощности колебаний звуковой частоты, схема которого показана на рис. 1, предварительный  каскад , как и  оконечный , выполнен  двухтактным . Использование единой принципиальной основы для построения всех  каскадов  усилителя создает условия для оптимального согласования  каскадов  и, как следствие этого, для снижения нелинейных искажений усилителя. Кроме того, общеизвестно, что  двухтактные   каскады  обладают такими немаловажными преимуществами, как пониженная чувствительность к пульсациям питающего напряжения и меньший уровень четных гармоник. Симметричность всех каскадов усилителя позволила без принятия специальных мер устранить щелчки, которые слышны в динамических головках громкоговорителя при включении и отключении питания. Двухтактный каскад усиления мощности. Свойства двухтактного каскада. Данный тип каскадов является основным для каскадов усиления мощности. Разновидности двухтактного каскада – трансформаторный и безтрансформаторный. Особенности: 1) Каскад состоит из двух симметричных плеч;2) Оба плеча возбуждаются противофазно. вухтактные   каскады  обладают следующими свойствами:1) В  двухтактном   каскаде  отсутствует постоянный ток подмагничивания трансформатора, поэтому магнитная проницаемость каскады мощного усиления сердечника трансформатора возрастает, поэтому при заданной идуктивности первичной обмотки можно уменьшить габариты трансформатора.2) В безтрансформаторной схеме через сопротивление нагрузки не протекает постоянный ток, нагрузку можно подключать через разделительный конденсатор.3) В разностном токе отсутствуют четные гармоники. хемы  трансформаторных   двухтактных   каскадов. Используются в основном схемы с общим эмиттером и общей базой. 1) Классическая схема с общим эмиттером 2) Схема с дифференциальным каскадом. Вместо сопротивления Rэ можно включить генератор стабильного тока. Транзисторы  двухтактного  каскада  включены по схеме с общим эмиттером. Данная схема обладает минимальной мощностью возбуждения (повышенным коэффициентом усиления), но также бльшими нелинейными искажениями по сравнению со схемой, где транзисторы включены с общей базой. 3) Схема с общей базой. Сопротивления R1, R2- делитель цепи смещения. Схема с общей базой требует на входе дополнительной мощности для возбуждения, поэтому предоконечный каскад должен также быть усилителем мощности. На выходе каскада получаем большую мощность по сравнению со схемой с общим эмиттером при меньших нелинейных искажениях, так как во входной цепи присутствует последовательная отрицательная обратная связь по току. Схемы с общим коллектором в трансформаторном варианте не рассматриваются. Безтрансформаторные каскады обладают меньшими массогабаритными параметрами, в них отсутствуют линейные и нелинейные искажения за счет трансформатора.

2.1.6. Усилители постоянного тока Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, терминУПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.

Причины возникновения дрейфа:1) Температурный дрейф, вызванный температурной нестабильностью режима покоя в каскадах. Наиболее существенный вклад в дрейф усилителя вносят первые каскады, так как их дрейф усиливается последующими каскадами.
2) Старение элементов схемы. С течением времени изменяются как параметры самих транзисторов, так и остальных элементов каскада.
3) Нестабильность источников питания. Колебания напряжения источника питания приводит к колебаниям напряжения покоя и положения рабочей точки.При возникновении дрейфа нуля происходит смещение амплитудной характеристики усилителя. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ДРЕЙФА НУЛЯ 1) Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура. 2) Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима. 3) Использование ООС. 4) Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из основных каскадов операционного усилителя. Дифференциальный каскад (ДК) представляет собой мостовую схему, в плечах которой включены идентичные элементы. В аналоговых интегральных микросхемах вследствие того, что все элементы создаются в едином технологическом процессе, практически обеспечивается идентичность резисторов и транзисторов. ДК питается от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, что позволяет подавать сигналы непосредственно на базы транзисторов. Если входы транзисторов заземлены, то токи транзисторов одинаковы, и вследствие идентичности резисторов Rk1 и Rk2 напряжение  на дифференциальном выходе Uвых.д меду колекторами будет равно нулю.

2.1.7. Операционные усилители и их применение Операционным (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления с двумя высокоомными входами и одним низкоомным выходом, предназначенный для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Первые ОУ появились до разработки  интегральных  микросхем. Они были выполнены на электронных лампах и впервые использовались в узлах аналоговых ЭВМ, реализующих различные математические операции: суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время на основе ОУ выполняют более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры. Для  ОУ   общего   применения    В ряде случаев к параметрам  ОУ  не предъявляется особых требований. Тогда на первое место выходят экономические соображения. Как известно, цены на микросхемы в значительной степени зависят от массовости их выпуска. Применяя стандартные микросхемы, можно быть уверенным в их дешевизне и доступности.   Мы рекомендуем следующие типы  ОУ   общего  назначения: одиночные - uA741, сдвоенные - LM358 и счетверенные - LM324. Эти усилители обладают сбалансированными параметрами и чрезвычайной распространенностью. В каждом из вышерассмотренных классов ОУ  тоже есть определенные <лидеры> с экономической точки зрения. Так, в классе прецизионных  ОУ , самым доступным является OP07; среди  ОУ  с высоким входным сопротивлением - серия TL071/2/4 - TL081/2/4; из микромощных можно рекомендовать TL061/2/4; из аудио - NE5532/34; недорогими быстродействующими (до определенной степени) можно считать OP27/37 или LF357. Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладаютстабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ. Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ. Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах. Инвертирующий усилитель Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу).  Третий резистор с сопротивлением, равным  (сопротивление параллельно соединенных резисторов Rf и Rin), устанавливаемый (при необходимости) между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещенияЕсли Rin = 0, то схема реализует собой линейный преобразователь ток-напряжение. Неинвертирующий усилитель Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы)  Третий резистор с сопротивлением, равным  (сопротивление параллельно соединенных резисторов R1 и R2), устанавливаемый (при необходимости) между точкой подачи входного сигнала v_\mathrm{in} и неинвертирующим входом, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения. RC-фильтры В выпрямителях малой мощности в некоторых случаях применяют фильтры,состоящие из активного сопротивления и ёмкости.В таком фильтре относительно велико падение напряжения и потери энергии на резисторе R, но габариты и стоимость такого фильтра меньше,чем индуктивно-емкостного. Значение сопротивления фильтра R определяется исходя из оптимальной величины его коэффициента полезного действия.Оптимальное значение КПД лежит в пределах от 0.6 до 0.8. Расчёт П-образного активно-емкостного фильтра производится так,как и в случае П-образного LC - фильтра ,путём разделения этого фильтра на емкостной и Г-образный RC-фильтры.

Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница