• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тема. Призначення та класифікація підсилювачів. Основні показники роботи підсилювача

Лекція №10

ДЕКАН ФАКУЛЬТЕТА, ДОЦЕНТ А.В. Сугак

План

1 Призначення підсилювачів

2 Класифікація підсилювачів

3 Коефіцієнт підсилення

4 Діапазон підсилюваних частот

5 Вихідна потужність

6 Чутливість

7 Коефіцієнт корисної дії

8 Динамічний діапазон амплітуд і рівень перешкод

9 Коефіцієнти нелінійних і частотних спотворень підсилюваного сигналу

Пристрої, які використовують для підсилення електричних сигналів, називають підсилювачами.

Підсилювальні пристрої застосовують дуже часто. Вони є основними вузлами різноманітної радіотехнічної апаратури, їх широко використовують у пристроях автоматики і телемеханіки, у слідкуючих, керуючих і регулюючих системах, в обчислювальних машинах, у контрольно-вимірювальних приладах і в багатьох інших галузях промисловості, техніки і науки.

Розвитку і вдосконаленню підсилювальної техніки значною мірою сприяли праці радянських учених В. І. Коваленкова, М. О. Бонч-Бруєвича, А. І. Берга, С Я. Брауде, О. Б. Лур'є, Г. С Цикіна, А. А. Ризкіна та багатьох інших.

Класифікувати підсилювачі можна за кількома ознаками. Основною з них є діапазон частот електричних коливань, у межах якого підсилювач може задовільно працювати.

За цією ознакою підсилювачі поділяють на такі типи:

1. Підсилювачі низької частоти (ПНЧ), призначені для підсилення електричних сигналів, частотний спектр яких обмежується діапазоном звукових частот.

Звуковими коливаннями, або коливаннями звукової частоти, називають коливання з частотами від 20 гц до 16 —20 кгц, які здатне сприймати вухо людини. До електричних коливань звукової частоти належать змінні напруги або струми, величини яких періодично змінюються з такими самими частотами. Найчастіше електричні коливання звукової частоти виникають внаслідок перетворення звукових сигналів і після підсилення мають відтворитись у вигляді звуків. Тому ПНЧ широко використовують в апаратурі радіомовлення, радіозв'язку, запису і відтворення звуку, а також в інших пристроях, де треба підсилити електричні сигнали звукової частоти.

Характерною ознакою ПНЧ є те, що відношення верхньої підсилювальної частоти ƒ_в до нижньої ƒ_н У підсилювачів цього типу має досить велике значення і звичайно становить кілька десятків, доходячи інколи до десятків тисяч.

2. До підсилювачів високої частоти (ПВЧ) належать підсилювальні каскади, які застосовуються в радіоприймачах і радіопередавачах для підсилення модульованих коливань з частотами що досягають сотень кілогерц і вище.

Для ПВЧ характерна незначна величина відношення верхньої частоти донижньої (близько 1,1) при смузі пропускання, що становить десятки кілогерц. Вузька смуга частотного діапазону дає змогу використовувати в ПВЧ у ролі навантаження електронної лампи або транзистора систему з одного або кількох резонансних контурів. Тому такі підсилювачі часто називають резонансними або селективними.

3. Широкосмугові підсилювачі призначені для підсилення дуже широкої смуги частот (від кількох герц до кількох мегагерц) і їх застосовують у радіолокації, телебаченні, різноманітних імпульсних схемах. Часто підсилені сигнали відтворюються на екрані електроннопроменевої трубки і спостерігаються візуально. Такі широкосмугові підсилювачі називають відеопідсилювачами.

4. Підсилювачі постійного струму (або напруги) призначені для підсилення електричних сигналів у діапазоні частот від нуля (ƒ_н = 0) до верхньої робочої частоти ƒ_в, що становить кілька кілогерц і вище. Ці підсилювачі застосовують у вимірювальній апаратурі, автоматичних пристроях, обчислювальних машинах і т. ін.

Залежно від типу застосованих підсилювальних елементів підсилювачі поділяють на лампові, напівпровідникові, магнітні, діелектричні, електромашинні тощо.

Лампові й напівпровідникові підсилювачі звичайно називають електронними підсилювачами, оскільки принцип їх роботи грунтується на електронних процесах у вакуумі або напівпровіднику. Цей тип підсилювачів найбільш поширений у сучасній електронній апаратурі.

За призначенням підсилювачі напруги і потужності розрізняють залежно від того, яка з цих величин на виході (на навантаженні) має бути значно більшою, ніж на вході.

Підсилювачі також розрізняють за способом увімкнення підсилювального елемента в схему і здійснення міжкаскадних зв'язків.Найважливішими якісними показниками підсилювача є: коефіцієнт підсилення, діапазон підсилюваних частот, вихідна потужність, номінальна вхідна напруга (чутливість), коефіцієнт корисної дії, динамічний діапазон амплітуд і рівень перешкод, а також коефіцієнти нелінійних і частотних спотворень підсилюваного сигналу.

Коефіцієнтом підсилення за напругою(К) називають величину, що показує, у скільки разів напруга на виході підсилювача більше, ніж на його вході

Цей коефіцієнт є одним з основних показників, що характеризують роботу підсилювача напруги. Для підсилювачів потужності більш. важливою величиною є вихідна потужність. Значення коефіцієнта підсилення Кзалежить від типу підсилювального каскаду і може становити кілька десятків або сотень. Але і цієї величини часто не вистачає для того, щоб дістати на виході підсилювача сигнал потрібної амплітуди. У цьому разі доводиться застосовувати багатокаскадні схеми (рис. 197).

Для багатокаскадних підсилювачів загальний коефіцієнт підсилення дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів

Для структурної схеми, наведеної на рис. 197,

або

Легко перевірити, що К₁К₂К₃ =, тобто справедливість формули (16-2) доведено.

Коефіцієнт підсилення, визначений за формулою (16-1), є абстрактним числом, У радіоелектроніці поширений також спосіб оцінки різних рівнів однотипних величин спеціальними логарифмічними одиницями — децибелами (дб). Коефіцієнт підсилення, виражений у децибелах, дорівнює десятковому логарифму відношення вихідної напруги до вхідної, помноженому на двадцять,

Зворотний перехід від децибел до абстрактного числа провадиться з допомогою виразу

Якщо прийняти К_дб = 1, то

Отже, підсилення дорівнює одному децибелу, якщо на пруга на виході підсилювача в 1,12 раза (на 12%) більша, ні} напруга на вході. Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підси лювача, виражений в децибелах, є сумою коефіцієнтів підсилення окремих каскадів підсилювача, виважених у тих самих-одиницях

тобто

Наприклад, трикаскадний підсилювач має коефіцієнт підсилення першого каскаду К₁ = 100, другого — К₂ = 4 і третього - К₃= 32.

Знайдемо загальний коефіцієнт підсилення у відносних одиницях і в децибелах

Перевіряємо правильність відповіді

Крім коефіцієнта підсилення за напругою, іноді користуються коефіцієнтами підсилення за струмом і за потужністю, які також можна виражати в децибелах. Наприклад, якщо потужність сигналу на вході підсилювача має значення Р_вх, а на виході — Р_тх,то коефіцієнт підсилення за потужністю у децибелах можна знайти за формулою

Діапазоном підсилюваних частот, або смугою пропускання підсилювача, називають область частот, в якій коефіцієнт підсилення змінюється не більше, ніж це допустимо за технічними умовами.

Допустимі зміни коефіцієнта підсилення в межах смуги про­пускання залежать від призначення та умов роботи підсилювача. У ПНЧ, наприклад, ці зміни звичайно не перевищують 3 дб. Різні за призначенням підсилювачі характеризуються різними діапазонами частот. Так, підсилювач телефонних сигналів може мати діапазон частот, обмежений граничними значеннями 300 — 2500 гц,тоді як підсилювач телевізійних сигналів (відеопідсилювач) має смугу пропускання від кількох десятків герц до кількох мегагерц. Слід враховувати, що з розширенням смуги пропускання зростає вартість апаратури та ускладнюється її конструкція. Крім того, підвищується вплив на підсилювач різноманітних перешкод. Тому звичайно частотний діапазон підсилювача мінімально обмежують, завдяки чому забезпечується потрібка якість роботи підсилювача. Навіть високоякісні підсилювачі звукової частоти рідко мають смугу пропускання, що виходить за межі 50 гц — 10 кгц.

Одним з основних показників, що характеризують підсилювач потужності, є вихідна потужністьР_вих, тобто та корисна потужність, яку створює підсилювач на опорі навантаження,

де R_Н — активна складова опору навантаження.

Підвищення вихідної потужності підсилювача обмежується пютвореннями, які виникають від нелінійності характеристик .памп або транзисторів при великих амплітудах сигналів. Тому найчастіше підсилювач характеризують максимальною потужністю, яку можна дістати на виході при умові, що спотворення сигналу не перевищують заданої (допустимої) величини. Цю потужність називають номінальною вихідною потужністюпідсилювача. Залежно від типу і призначення підсилювача номінальна потужність може становити величину від десятих часток вата до десятків і навіть сотень кіловат.

Номінальною вхідною напругою(чутливістю) називають напругу, яку треба підвести до входу підсилювача для того, щоб дістати номінальну вихідну потужність. Вхідна напруга залежить від типу джерела підсилюваного сигналу. Наприклад, динамічний мікрофон створює на вхідному опорі підсилювача напругу 0,5 — 2 мв, детектор радіоприймача — 1 — 3 в, п'єзоелектричні та індукційні датчики — приблизно одиниці і навіть десятки вольт і т. д. Подачу на вхід підсилювача напруги, що перевищує номінальну і призводить до значних спотворень сигналу, називають перевантаженням з боку входу.

Якщо підсилювач призначено для роботи від кількох джерел, то його вхід розраховують звичайно на найменшу напругу, яку дає одне з джерел, а інші джерела вмикаються через подільники напруги.

Коефіцієнт корисної діїє важливим показником підсилювача потужності, оскільки дає змогу оцінити його економічність. Для електронних підсилювачів к. к. д. є відношенням номінальної потужності на виході Р_вих до потужності, що споживається підсилювачем від усіх джерел живлення, Р_3аг

Знайдений за формулою (16-8) к. к. д. називають повним, або промисловим к. к. д. підсилювача.

Для лампових підсилювачів більш поширеним параметром є електричний к. к. д., що визначається з формули

де Р_о— потужність, яка споживається підсилювачем від джерел анодного живлення.

Електричний к. к. д. враховує втрати тільки в анодних колах підсилювальних каскадів — переважно потужність, що розсіюється анодами електронних ламп. Залежно від схеми і режиму роботи підсилювача потужності к. к. д. анодного кола досягає ЗО—60%. Електричний к. к. д. підсилювача завжди менший від промислового.

У процесі роботи підсилювача на його вхід можуть надходити коливання із змінною амплітудою. При цьому амплітуда напруги на виході підсилювача також змінюватиметься пропорційно амплітуді вхідної напруги. Відношення амплітуд найсильнішого і найслабшого сигналів на виході підсилювача називають динамічним, діапазоном амплітуд D. Динамічний діапазон амплітуд звичайно виражають в децибелах

Рівень найслабішого сигналу обмежується в підсилювачі його власними шумами. Величина максимальної підсилюваної напруги обмежується спотвореннями, що виникають у підсилювачі від нелінійності характеристик підсилювальних елементів. Для підвищення динамічного діапазону підсилювача треба зменшувати його власні перешкоди.

Причини виникнення перешкод на виході підсилювача різні.Їх можна поділити на три основні групи: 1) теплові шуми; 2)шуми підсилювальних елементів; 3)перешкоди, що виникають внаслідок пульсацій напруг живлення і наведення з боку зовнішніх електричних і магнітних полів.

Розглянемо вплив цих перешкод на роботу підсилювача. Відомо, що в провідниках і напівпровідниках при нормальній температурі (близько 20° С) електрони рухаються хаотично, причому; в кожний даний момент кількість електронів, що рухаються в якому-небудь одному напрямі, перевищує кількість електронів, що рухаються в інших напрямах. Переважний рух електронів у будь-якому напрямі є електричним струмом, і, отже, при цьому на провіднику або напівпровіднику створюється напруга, що змінюється хаотично. Оскільки вперше з цією напругою зустрілися при створенні радіомовних приймачів, в яких вона після підсилення надходила до гучномовця і створювала шум, її назвали напругою шумів.

Шумові напруги, внаслідок своєї випадковості, мають різноманітні частоти і фази, і тому практично охоплюють усю смугу частот підсилювача. Отже, з розширенням смуги частот підсилювача рівень шумів зростає. Крім того, шум є тим більшим, чим більша температура і чим більша величина опору кола, що створює напругу шумів. З достатньою для практики точністю напругу теплових шумів при температурі 20 — 25° С можна знайти за формулою

де U_т.ш — напруга теплових шумів, мкв;

f_ві ƒ_н — вища і нижча частоти, що пропускаються колом, кгц;

R— активна складова опору кола в смузі частот від f_Ндо ƒ_в, ком.

Усі кола підсилювача створюють напругу теплових шумів, проте особливо великий вплив чинять власні шуми перших підсилювальних каскадів, бо ці шуми в дальшому підсилюються всіма наступними каскадами. Якщо, наприклад, вища і нижча робочі частоти підсилювача дорівнюють 10000 і 100 гц, а активний опір вхідного кола становить 100 ком, то напруга теплових шумів

Ці обчислення показують, що величина напруги теплових шумів дуже мала. Тому перешкоди від теплових шумів у підсилювачах виявляються тільки при великих значеннях коефіцієнта підсилення.

Напруга шумів може виникнути також внаслідок нерівномірності руху носіїв електричних зарядів через підсилювальний елемент.

Дуже впливають на загальний рівень перешкод підсилювачі пульсації напруг джерел живлення, а також наведення з боку зовнішніх електричних і магнітних полів. Зменшення цих перешкод досягають завдяки застосуванню додаткових згладжуючи фільтрів на виході джерел живлення, стабілізації випрямлених напруг живлення, а також ретельному екрануванню найвідповідальніших кіл підсилювача (переважно вхідних).

Величина загальних перешкод на виході підсилювача має бути значно меншою від напруги підсилюваного сигналу; інакше з напруги, що змінюється хаотично, буде важко виділити корисний сигнал. Звичайно вважають, що корисний сигнал має перевищувати рівень перешкод не менш ніж у 2—3 рази (на 6—10 дб).

При підсиленні електричних сигналів найбільш істотними є нелінійні й частотні спотворення. Нелінійні спотворення— це зміна форми підсилюваних сигналів, яка зумовлена нелінійними властивостями кола, через яке ці сигнали проходять. Основною причиною виникнення нелінійних спотворень у підсилювачі є нелінійність характеристик електронних ламп, транзисторів і намагнічування трансформаторів або дроселів, що мають осердя з магнітних матеріалів. Чим більша нелінійність підсилювача, тим більше спотворюється ним підсилюваний сигнал. Якщо, наприклад, подати на вхід підсилювача синусоїдну напругу, то на виході напруга стає несинусоїдною. З математики (теорема Фур'є) відомо, що будь-яку несинусоїдну періодичну криву можна розкласти на ряд синусоїд: основної частоти і вищих гармонік. Отже, внаслідок нелінійних спотворень на виході підсилювача, крім корисного сигналу (основна гармоніка), з'являються вищі гармоніки, тобто нові сигнали, яких не було на вході. Ступінь нелінійних спотворень підсилювача звичайно оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік)

де Р₂ + Р₃ + … + Р_п — сума електричних потужностей, що виділяються на навантаженні гармоніками, які виникають внаслідок нелінійного підсилення;

Р₁—електрична потужність першої гармоніки.

Якщо опір навантаження має незмінну величину для всіх гармонічних складових, можна записати вираз для К_г так:

де І₁, І₂, І₃ і т. д. — діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої і т.д. гармонік струму на виході;

U₁ U₂, U₃і т.д. —діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої і т. д. гармонік вихідної напруги. Коефіцієнт нелінійних спотворень звичайно виражають у процентах, тому знайдені за формулами (16-12) і (16-13) значення K_r слід помножити на 100. Загальну величину коефіцієнта нелінійних спотворень підсилювача визначають за формулою

де K_r1, К_r2, …, K_rn— нелінійні спотворення, внесені кожним каскадом підсилювача.

Допустима величина коефіцієнта нелінійних спотворень зале­жить від призначення підсилювача. Наприклад, у підсилювачах контрольно-вимірювальної апаратури допустиме значення К_rстановить десяті частки процента, в підсилювачах для високоякісного відтворення мови і музики допускають К_гприблизно 3—5%, а в підсилювачах середньої якості — 6—8%.

Частотниминазивають спотворення, зумовлені змінами величини коефіцієнта підсилення на різних частотах. Причиною частотних спотворень є наявність у схемі підсилювача реактивних елементів — конденсаторів, котушок індуктивності, міжелектродних мностей ламп і транзисторів, ємності монтажу і т. ін. Залежність величини реактивного опору від частоти не дає змоги дістати сталий коефіцієнт підсилення в широкій смузі частот.

Частотні спотворення можна оцінити за частотною характеристикою підсилювача, що являє собою графічну залежність коефіцієнта підсилення від частоти підсилюваного сигналу. Залежно під типу і призначення підсилювача форми частотних характе­ристик бувають різними.

Для прикладу на рис. 198 показано типову частотну характеристику ПНЧ. При побудові частотної характеристики частоту по осі абсцис зручніше відкладати не в лінійному, а в логарифмічному масштабі (для кожної частоти фактично по осі відкладається величина lgf, а підписується значення частоти. Якщо частоту відкладати в лінійному масштабі, то така характеристика буде незручною для користування, оскільки всі нижні частоти дуже стискатимуться біля самого початку координат, а область верхніх частот виявиться дуже розтягнутою.

Ступінь спотворень на окремих частотах виражається коефіцієнтом частотних спотворень М,що дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті R_cр до коефіцієнта підсилення на даній частоті K_f,

Звичайно найбільші частотні спотворення виникають на межах: діапазону частот ƒ_н і ƒ_в.Коефіцієнт частотних спотворень для цих частот

де К_н і К_в— відповідно коефіцієнти підсилення на нижніх і верхніх частотах діапазону.

З визначення коефіцієнта частотних спотворень випливає, що при М> 1 частотна характеристика в області цієї частоти западає, а при М< 1 має підйом. Для підсилювача низької частоти ідеальною частотною характеристикою є горизонтальна пряма (лінія аб на рис. 198). Коефіцієнт частотних спотворень багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів частотних спотворень окремих каскадів

Отже, частотні спотворення, що виникають в одному каскаді підсилювача, можна компенсувати в іншому каскаді, щоб загальний коефіцієнт частотних спотворень не перевищував допустиме значення. Коефіцієнт частотних спотворень, так само як і коефіцієнт підсилення, зручно виражати в децибелах

Для багатокаскадного підсилювача

Допустима величина частотних спотворень залежить від призначення підсилювача.

Читайте також:

1. II. Вимоги безпеки перед початком роботи
2. II. Вимоги безпеки праці перед початком роботи
3. II. Класифікація видатків та кредитування бюджету.
4. II. Основні закономірності ходу і розгалуження судин великого і малого кіл кровообігу
5. III. Вимоги безпеки під час виконання роботи
6. III. Вимоги безпеки під час виконання роботи
7. Internet. - це мережа з комутацією пакетів, і її можна порівняти з організацією роботи звичайної пошти.
8. IV група- показники надійності підприємства
9. IV. Вимоги безпеки під час роботи на навчально-дослідній ділянці
10. V. Класифікація і внесення поправок
11. V. Класифікація рахунків
12. VII. Прибирання робочих місць учнями (по завершенню роботи) і приміщення майстерні черговими.

Переглядів: 11988