Презентация по физике по теме "Усилители"

Слайд #1

Усилители

Слайд #2

Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке, при этом мощность, требуемая для управления, как правило, меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.
Источник сигнала
Усилительный элемент
Нагрузка
Источник питания (ИП)
Регулирует подачу энергии от ИП в нагрузку
За счет его энергии происходит усиление

Слайд #3

Классификация усилителей
По частоте усиливаемого сигнала
Усилители низкой частоты (УНЧ)
(десятки Гц…сотни Гц)
Широкополосные усилители (ШПУ)
(единицы Гц - десятки МГц)
Узкополосные усилители (усиливают в узкой полосе частот)
По роду усиливаемого сигнала
Усилители постоянного тока (УПТ)
(от 0 Гц и выше)
Усилители переменного тока
(F ≠ 0)
По функциональному назначению
Усилители
напряжения
Усилители
тока
Усилители
мощности

Слайд #4

Параметры усилителя
Коэффициент усиления по напряжению:
Кu =
Uвых
Uвх
Коэффициент усиления по току:
КI =
Iвых
Iвх
Коэффициент усиления по мощности:
Кр =
Рвых
Рвх
Uвх, Iвх, Uвых, Iвых - действующие значения переменных значений входного и выходного токов и напряжений.
Рвх и Рвых мощности сигналов на входе и выходе усилителя
Входное сопротивление:
Rвх =
Uвх
Iвх
Выходное сопротивление:
Rвых =
ǀΔUвыхǀ
ǀΔIвыхǀǀ
Приращения напряжения тока на выходе

Слайд #5

Усилитель на биполярном транзисторе
Назначение элементов:
Т – регулирует подачу энергии от Ек в нагрузку. Ек – источник энергии.
R1, R2, - базовый делитель – для обеспечения начального режима работы.
Rэ, Сэ – для обеспечения температурной стабилизации.
C1, C2 – разделительные конденсаторы -для развязки по постоянному току.
Rк – сопротивление коллектора, на котором выделяется усиленный сигнал.

UR2
1'
1
T - биполярный транзистор n-p-n типа

Слайд #6

Принцип работы усилителя на биполярном транзисторе
Статический режим:
При включении источника питания протекает ток делителя (+Ек → R1→ R2 → ﬩ → - Eк) . На R2 создается напряжение, которое смещает эмиттерный переход в прямом направлении.
Протекает ток базы Iбн : +Ек → R1→ БЭT→ Rэ → ﬩ → - Eк, который вызывает ток коллектора Iкн : +Ек → Rк→ КЭТ → Rэ → ﬩ → - Eк.
Динамический режим:
При подаче на вход усилителя 1 – 1' напряжения uвх протекает переменный ток базы (1 → C1→ БЭT → Cэ → ﬩ → 1' и в обратном направлении). Это вызывает переменный коллекторный ток (КТ → Rк → Ек → Сэ → ЭТ и в обратном направлении), который создает на Rк усиленный (по I, U и P) сигнал. Этот сигнал через С2 подается на сопротивление нагрузки uвых.

Слайд #7

Режим работы усилителя на биполярном транзисторе
При расчете усилителя ток Iбн выбирается на середине линейного участка вольтамперной характеристики.
Усиливаемый сигнал uвх должен остаться в пределах линейного участка, чтобы формы сигнала на входе и выходе усилителя были одинаковыми.
ГТ122А
UКЭ, В
IК, мА
0
IБ=0 мА
4
8
12
16
20
24
28
32
2
4
6
8
10
12
0,2 мА
0,35 мА
0,5 мА
0,65 мА
0,8 мА
0
IБ
UБЭ
Iбн
Iкн
uвх
uвых
Iк =
Ек
Rэ + Rк
Ек
Iбн =
Ек - Uбн
Rэ + R1
Uбн

Слайд #8

Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с ОК
uвх
uвых
R1
Rн
Rэ
C2
C1
Eк
T
В усилителе на БПТ по схеме с ОК коллектор является общим электродом по переменному току для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей.
В схеме имеет место усиление по току, т.к. iвх=iб << iвых=iэ,
отсутствует усиление по напряжению, т.к
uвх>uвых
Усилитель имеет большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.
+
-

Слайд #9

Дифференциальный усилитель
Усилительное устройство обычно состоит из нескольких усилителей (каскадов), соединенных друг с другом. Межкаскадные связи выполняются в виде непосредственных (прямых, гальванических) или с разделением по постоянному току (с помощью конденсаторов или трансформаторов).
При построении усилителей с непосредственными связями важной проблемой является дрейф, т.е. изменение постоянного напряжения (тока) при отсутствии входного сигнала из-за изменения температуры окружающей среды, напряжения питания и других дестабилизирующих факторов.
Дрейф зависит от коэффициента усиления и приводит к искажениям усиливаемого сигнала.
Одной из мер борьбы с дрейфом является использование дифференциального усилителя (ДУ).
Дифференциальный усилитель представляет собой два идентичных усилителя, к выходам которых подключена нагрузка.

Слайд #10

Eк
T1
uс1
uвых
Rк2
T2
Rк1
+
Rн
+
+
‒
‒
Е1
Е2
uс2
‒
Дифференциальный усилитель (усиление синфазного сигнала)
В схеме ДУ два усилителя (схема с ОЭ):
Т1, Rк1, Ек и Т2, Rк2, Ек, к выходам которых подключена нагрузка Rн.
E1 и E2 – определяют положение рабочей точки при uc1 = uc2 = 0.
Пусть на входы действуют синхронные сигналы uc1 = uc2 (эквивалентно дрейфу нуля).
При идентичных параметрах усилительных каскадов Т1, Rк1, Ек и Т2, Rк2, Ек дрейф напряжения в нагрузке Rн отсутствует, так как напряжения на коллекторах транзисторов Т1 и Т2 равны и их разность равна нулю uвых=0.
Однако незначительные отклонения параметров усилителей приводят к появлению дрейфа нуля.

Слайд #11

Для уменьшения влияния отклонения параметров усилителей на величину дрейфа нуля в эмиттерные цепи транзисторов включают одинаковые по величине сопротивления резисторы Rэ1 и Rэ2.
В этом случае коэффициент передачи (усиления) синфазных сигналов уменьшается в Rк/(Rк + Rэ), уменьшается значения синфазных сигналов на коллекторах транзисторов, а следовательно, и их разность, т.е. величина дрейфа. Так как напряжения на эмиттерах транзисторов одинаковые, то эмиттеры можно соединить и вместо двух резисторов (Rэ1 и Rэ2) использовать один Rэ.
Для повышения степени подавления синхронного сигнала (помехи) требуется Rэ/Rк >> 1.
Eк
T1
uс1
uвых
Rк2
T2
Rк1
+
Rн
+
+
‒
‒
Е1
Е2
uс2
‒
Rэ1
Rэ2
Дифференциальный усилитель (усиление синфазного сигнала)

Слайд #12

При подаче на входы усилителей противофазных сигналов напряжения на коллекторах транзисторов изменяются в противофазе, напряжение на нагрузке будет равно их разности:
uвых = uк1 –uк2 ,
т.е. имеет место усиление разностного сигнала.
Eк
T1
uс1
uвых
Rк2
T2
Rк1
+
Rн
+
+
‒
‒
Е1
Е2
uс2
‒
Rэ
Дифференциальный усилитель (усиление разностного сигнала)
Передаточные (проходные) характеристики ДУ
- это зависимости Iк1, Iк2 транзисторов Т1 и Т2 от разностного (дифференциального) напряжения между их базами uдиф. = uб1-uб1.
Iк1 = 0,5α0I0 [1+th(uдиф/2φт)]
uб1
uб2
Iк2 = 0,5α0I0 [1+th(uдиф/2φт)]
α0 - коэффициент передачи Iэ
I0 = Iэ1 + Iэ2; φт =25 мВ при Т = 300 К
Iэ1
Iэ2.
I0
о
Iк1
Iк2
0
uдиф
Iк
0,5
1

Слайд #13

Eк
T1
uвх
uвых
Rэ
Rк2
T2
Eэ
Rк1
Дифференциальный усилитель
+
‒
+
‒
‒
+
Дифференциальный усилитель построен на основе моста постоянного тока, плечи которого образованы резисторами Rк1=Rк2 и биполярными транзисторами одного типа, включенными по схеме с ОЭ. Параметры транзисторов отличаются на 1÷5%.
Использование двух одинаковых половин делает выходное напряжение (uвых) слабо зависящим от напряжения подаваемого на каждый из входов. Выходное напряжение зависит только от разности напряжений, подаваемых на прямой и инверсный входы.
+ прямой вход
- инверсный вход
В представленной схеме ДУ использовано двухполярное питание.

Слайд #14

Транзисторный ключ
uвх
uвых
Rк
RБ
Eк
T
+
‒
Транзисторный ключ - это усилитель, в котором транзистор работает в импульсном режиме, т.е. когда токи и напряжения характеризуются резкими изменениями.
Транзистор в этом режиме основную часть времени находится в открытом (насыщении) или закрытом ((отсечки) состоянии.
Это позволяет значительно повысит коэффициент полезного действия в устройствах силовой электроники, поскольку в открытом состоянии транзистор находится в режиме насыщения и напряжение на транзисторе мало, а в закрытом состоянии (режим отсеки) ток через транзистор мал, следовательно мощность, идущая на его нагрев мала.

Слайд #15

Транзисторный ключ
uвх
uвых
Rк
RБ
Eк
T
+
‒
uвх
t
uвых
t
t1
t2
Δtз1
Из-за инерционности транзистора включение и выключение ключа не происходит мгновенно: имеет место задержка включения (Δtз1), определяемая временем перезаряда емкостей транзистора, время, в течение которого в базу вводится граничный заряд (Δtсп), время задержки выключения (Δtз2), в течение которого из базы выводится избыточный заряд, время нарастания напряжения (Δtнар), определяемое длительностью вывода из базы граничного заряда и перезарядкой емкостей транзистора.
Для сокращения указанных временных задержек принимаются специальные меры, позволяющие, например, ускорить процесс ввода в базу граничного заряда или не допустить глубокого насыщения транзистора.
Δtсп
Δtнар
Δtз2
0
0

Слайд #16

Си
uвх
uвых
Rс
Rз
Rн
Rи
C2
C1
Eс
T
Усилитель на полевом транзисторе
Назначение элементов:
Т – регулирует подачу энергии от Ес в нагрузку. Ес – источник энергии.
Rи – для создания запирающего напряжения на затворе при протекании начального тока истока Iин. Си –создает цепь переменному току истока.
C1, C2 – разделительные конденсаторы -для развязки по постоянному току.
Rс – сопротивление коллектора, на котором выделяется усиленный сигнал.
Rз – для подачи запирающего напряжения на затвор Т
uзи
uRи
T- полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Слайд #17

Статический режим:
При включении источника питания протекает ток: +Ес → Rс→ И-С Т →Rи → ﬩ → - Eс .
На Rи создается напряжение URи, которое через Rз подается на затвор Т, смещая переход З-И Т в обратном направлении.
Устанавливается определенная ширина канала С-И Т.
Напряжение на нагрузке равно нулю
Динамический режим:
При подаче на вход усилителя 1 – 1' переменного напряжения uвх изменяется ширина канала С-И Т, что ведет к изменению его сопротивления, а, следовательно, и величины тока стока.
Переменный ток стока протекает по цепи: C Т→ Rс→ Ec → ﬩ → Си → И Т и в обратном направлении, создавая на сопротивлении Rс напряжение, которое через С2 предается в нагрузку Rн. При этом uвых >> uвх, т.е. происходит усиление uвх.





Принцип работы усилителя на полевом транзисторе

Слайд #18

Усилители мощности (УМ)
Т1 и Т2 – (биполярные транзисторы с разным типом проводимости - комплементарная пара) регулируют подачу энергии от источников питания Е в нагрузку Rн. В положительный полупериод входного напряжения Т1 в режиме усиления, Т2 – в режиме отсечки. В отрицательный полупериод транзисторы меняются ролями.
Искажения uвых устраняются включением диодов D1 и D2.
+
+
‒
‒
Е
Е
Rн
uвых
uвх
Т1
Т2
Iн
D1
D2
UБЭТ2
0
Iэ1
UБЭТ1
uвх
Iэ2
t
t
Iн
0
+
‒
uвых = IнRн

Слайд #19

Операционный усилитель (ОУ)
ОУ – это высококачественный усилитель для усиления как постоянных, так и переменных сигналов.
Свое название ОУ получили от первоначальной области их преимущественного применения для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т.п.) в аналоговых вычислительных машинах.
В настоящее время ОУ выполняются в виде полупроводниковых интегральных схем, содержат большое число (десятки) элементов ( транзисторов, диодов и т.д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам.
ОУ удобно использовать для решения самых разнообразных задач (генерирования, преобразования маломощных сигналов), что определило их широкое применение на практике

Слайд #20

Условные обозначение операционного усилителя
- U
+U
0U
Инвертирующий вход
Неинвертирующий вход
Выводы для подключения источника питания
Общий вывод
Выход
+U
-U
Упрощенные обозначения ОУ

Слайд #21

21
Параметры операционного усилителя

Слайд #22

Напряжения на входах и выходе ОУ
uдиф
u
+
u
-
uвых
uдиф =
u
+
- u
-
Дифференциальное напряжение
ОУ проектируются так, чтобы uвых как можно больше изменялось при изменении uдиф и как можно меньше изменялось при одинаковом изменении
, т.е. синфазном изменении напряжений на входах ОУ
u
-
и - u
+

Слайд #23

23
Передаточная характеристика ОУ

Слайд #24

Инвертирующий усилитель на ОУ
uдиф
uвх
uвых
R1
R2
i1
i2
i+
i-
i- = 0 (Rвх.оу = ∞), по закону Кирхгофа i1 = i2.

uдиф = 0 (КUоу = ∞), i1 = uвх / R1, i2 = - uвых/R2
uвых = - uвх (R2/R1), Кu = - R2/R1

Слайд #25

Инвертирующий усилитель на ОУ
uвх
uвых
uвых
0
0
0
t
t
uвх
Входное и выходное напряжения находятся в противофазе.

Слайд #26

uдиф
uвх
uвых
R1
R2
i1
i2
i+
i-
uR2
Неинвертирующий усилитель на ОУ
uвх
uвых
uвых
0
0
0
t
t
uвх
Входное и выходное напряжения находятся в фазе.
Кu = 1 + (R2/R1)

Слайд #27

uдиф
uвх
uвых
R1
R2
i1
i2
i+
i-
uR2
Инвертирующий усилитель на ОУ
uвх
uвых
uвых
0
0
0
t
t
uвх
Входное и выходное напряжения находятся в фазе
Кu = 1 + (R2/R1)

Слайд #28

uвх.1
uдиф
uвх.n
uвых
R1
Rос
in
iос
i+
i-
Rn
uR1
uR1
i1
Rэ
Инвертирующий сумматор напряжений на ОУ
uвых = - Rос 𝒋=𝟏 𝒏 𝒖вх𝒋 𝑹𝒋

Слайд #29

Интегрирующий усилитель на ОУ (интегратор)
uдиф
uвх
uвых
R
С
i1
i2
i+
i-
uвых = 𝟎 𝒕 𝒖вх 𝒅𝒕
1
RC
t
0
uвх
uвых

Слайд #30

uдиф
uвх
uвых
R
С
i1
i2
i+
i-
uвых = RC 𝒅𝒖вх 𝒅𝒕
Дифференцирующий усилитель на ОУ
t
0
uвх
uвых
u