Усилители. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ

Усилители
Усилитель – устройство, предназначенное для усиления тока, напряжения или мощности
Усилитель характеризуют коэффициентами усиления по напряжению, току, мощности, амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), фазо-частотной характеристикой (ФЧХ), амплитудной характеристикой
При каскадном соединении усилителей, общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов.

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ
Принцип действия усилителя.
Пусть источник питания Eк включен так, чтобы переход база-коллектор был закрыт.
Чтобы усилитель усиливал переменное входное напряжение, необходимо обеспечить режим работы по постоянному току (нужно создать такие значения постоянных Iб, Iк, Uбэ, Uкэ, чтобы рабочая точка находилась на линейном участке входной и выходной характеристик). Для обеспечения режима по постоянному току необходимо установить Rб (Rб определяет Uбэ) такое, чтобы Uкэ находилась в середине линии нагрузки (Uкэ ≈ Eк / 2)

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ
Выбор режима по постоянному току. Коллекторный контур, построение линии нагрузки.
Линия нагрузки

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ
По характеристикам транзистора подбираем значения токов и напряжений точки покоя

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ
По уравнению состояния цепи базы определяем сопротивление Rб, обеспечивающее нужный режим по постоянному току
Чтобы при подключении источника входного переменного напряжения ток базы покоя не тек через малое сопротивление источника Rг, и не нарушался бы режим покоя, источник и транзистор разделяют конденсатором С1.

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ
Подадим на вход переменное напряжение uвх такое, чтобы в любой момент времени значения токов и напряжений лежали в пределах линейного диапазона входной и выходной характеристик транзистора.
Переменное входное напряжение вызовет переменный ток базы

4.1. Усилительный каскад на БПТ с ОЭ
Транзистор усиливает переменную составляющую тока базы в h21 раз
Для преобразования тока коллектора в напряжение служит резистор Rк:
Чтобы отделить на нагрузочном резисторе постоянную и переменную составляющую, используют разделительный конденсатор C2.

4.2. Анализ работы усилителя на БПТ с ОЭ
Есть два метода анализа работы усилителя:
Графо-аналитический (наглядный, долгий, не точный);
Аналитический (только для расчета на переменном токе, только для линейного режима)

4.2. Анализ работы усилителя на БПТ с ОЭ

4.2. Анализ работы усилителя на БПТ с ОЭ

4.2. Анализ работы усилителя на БПТ с ОЭ
Аналитический способ расчета
Эквивалентная схема замещения усилителя на переменном токе

4.2. Анализ работы усилителя на БПТ с ОЭ
Схема замещения усилителя в области средних частот

4.2. Анализ работы усилителя на БПТ с ОЭ

4.3. Характеристики усилителя
1. Коэффициент усиления в области средних частот
2. Амплитудно-частотная характеристика

4.3. Характеристики усилителя
3. Амплитудная характеристика
Наклон амплитудной характеристики на линейном участке зависит от коэффициента усиления.
линейный диапазон определяется напряжением питания коллектора (при правильном выборе режима по постоянному току)

4.3. Характеристики усилителя
4. Входное и выходное сопротивления

4.4. Усилители постоянного тока (УПТ)

4.4. Усилители постоянного тока
УПТ – усилитель, имеющий равномерную АЧХ до самых низких частот
Требования к УПТ:
При Uвх = 0, Uвых = 0.
При изменении знака входного напряжения изменяется знак выходного напряжения.
3. Выходное напряжение пропорционально входному напряжению.

4.4. Усилители постоянного тока
Особенности многокаскадных УПТ на базе усилителя на БПТ:
Для связи каскадов нельзя использовать емкостные элементы.
Необходимо разделять постоянное напряжение, требуемое для обеспечения работы усилительного каскада в линейном режиме, и усиленное входное постоянное напряжение.

4.4. Усилители постоянного тока
3. Дрейф (тепловой) выходного напряжения первых каскадов проявляется как изменение выходного напряжения усилителя.
Из-за большого температурного дрейфа каскады с непосредственной связью не применяются
Для минимизации температурного дрейфа применяют дифференциальные усилители постоянного тока

4.4. Усилители постоянного тока
Электрический мост
Если мост сбалансирован, т.е.
выходное напряжение равно нулю выходное напряжение не зависит от напряжения источника питания
выходное напряжение не зависит от значений сопротивлений плеч моста

4.4. Усилители постоянного тока
Дифференциальный УПТ

4.4. Усилители постоянного тока
Свойства дифференциального УПТ:
малый дрейф нуля;
высокий уровень подавления синфазных помех
Недостаток дифференциального УПТ: требует двуполярного источника питания, необходим подбор элементов

4.5. Обратные связи в усилителях
Обратной связью в усилителях называют передачу части (или всего) выходного напряжения усилителя на его вход.

4.5. Обратные связи в усилителях
Если при включении обратной связи выходное напряжение усилителя при неизменном входном напряжении увеличивается, обратную связь считают положительной, если уменьшается – отрицательной.
Обратные связи делят на обратные связи по току и по напряжению:
обратная связь по напряжению:
обратная связь по току:
β – коэффициент обратной связи, Rос – взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи.

4.5. Обратные связи в усилителях
Пусть коэффициент усиления усилителя без обратной связи равен K, а коэффициент усиления звена обратной связи равен β. Определим коэффициент усиления с отрицательной обратной связью
Коэффициент усиления с учетом обратной связи:

4.5. Обратные связи в усилителях
Для положительной обратной связи
Введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления, введение положительной обратной связи - увеличивает

4.5. Обратные связи в усилителях
Влияние ОС на стабильность усилителей.
Пусть коэффициент усиления усилителя K нестабилен:
K = K ± ΔK
Нестабильность усилителя с обратной связью:
Для отрицательной обратной связи

4.5. Обратные связи в усилителях
Относительная нестабильность коэффициента усиления:
Отрицательная обратная связь снижает относительную нестабильность коэффициента усиления!

4.5. Обратные связи в усилителях
Для положительной обратной связи:
Положительная обратная связь повышает относительную нестабильность коэффициента усиления!

4.5. Обратные связи в усилителях
Отрицательная обратная связь в усилителях позволяет:
Повысить стабильность коэффициента усиления
Снизить входное и повысить выходное сопротивления
Снизить нелинейные искажения
Расширить полосу пропускания

4.5. Обратные связи в усилителях
В усилителях применяют только отрицательную обратную связь.
Чем больше коэффициент обратной связи β, тем стабильнее коэффициент усиления.
При использовании глубокой обратной связи
(K ⋅ β >> 1) коэффициент усиления не зависит от K
Добиться глубокой обратной связи можно, используя очень большие значения K.

4.6. Операционные усилители
Операционный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для работы с отрицательной обратной связью.
Типичное значение коэффициента усиления: 10000 - 10000000

4.6. Операционные усилители
ОУ имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий.
ОУ усиливает разность входных напряжений

4.6. Операционные усилители
ОУ характеризуется:
Амплитудной (передаточной) характеристикой,
Коэффициентом усиления по напряжению,
Входным сопротивлением
Выходным сопротивлением
Входным напряжением смещения нуля Uсм
Частота единичного усиления
Скорость нарастания выходного напряжения
Время установления выходного напряжения

4.6. Операционные усилители
Идеальный ОУ:
Реальный ОУ:

4.7. Устройства на ОУ
1. Инвертирующий усилитель

4.7. Устройства на ОУ
Примем ОУ идеальным (входные токи ОУ равны нулю)

4.7. Устройства на ОУ
Коэффициент усиления инвертирующего усилителя не зависит от коэффициента усиления ОУ, а определяется только сопротивлениями резисторов в цепи обратной связи

4.7. Устройства на ОУ
2. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель

3. Сумматор

4. Интегрирующее устройство

5. Дифференцирующее устройство

6. Избирательный усилитель

7. Логарифмирующий и антилогарифмирующий усилители
I0 – обратный ток диода

8. Компаратор
Компаратор – устройство для сравнения двух напряжений