Электронные выпрямители их виды и характеристика

Обратная связь  может возникать в схеме через  паразитные цепи, такая обратная связь называется паразитной. Так как паразитные связи, как правило, нельзя рассчитать, а они могут существенно ухудшить работу усилителя, поэтому паразитные связи усилителя ослабляют, чтобы они практически не сказывались на его свойствах. Обратная связь возникает также благодаря конструктивным особенностям и физическим свойствам усилительных элементов. Такую обратную связь называют внутренней, ее усчитывают при моделировании усилительных элементов. Внешняя обратная связь, искусственно введенная и правильно построенная, вводится для изменения свойств усилителя в желаемом направлении, придания ему определенных функциональных особенностей и для улучшения основных показателей его работы. Далее, по умолчанию, речь будет идти о внешней обратной связи.    

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. 

Модель усилительного каскада.

 

   Усилительный 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 - эмиттер создается источником с ЭДС Е_c и внутренним сопротивлением R_c источника. В цепи базы установлены резисторы R₁ и R₂. Коллектор транзистора соединен с отрицательным зажимом источника E_к через резисторы R_к и Rф. Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С₂ 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. 

Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

 

    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.

    

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 (рис. справа), 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 постоянного тока в интегральном исполнении.

 

    Операционный 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 дрейфу нуля 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. 

Усилители мощности.

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный  усилитель мощности, в котором трансформатор 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  усилитель мощности на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. 

Схема комплементарного эмиттерного  повторителя - усилителя с дополнительной симметрией приведена на рисунке. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. 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. Для рассматриваемого усилителя максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Uм равна Е. Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением   Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением 

Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя мощности: n_max =  _{P н.max /  P потр.max} = 0,78.