Предварительное усиление что это
Особенности работы и методика анализа каскадов предварительного усиления
Основы электроники и микроэлектроники
Раздел 4. Основы электронной схемотехники
Тема 4. 4 Каскады предварительного усиления
Основы электронной схемотехники
Каскады предварительного усиления
Особенности работы и методика анализа каскадов предварительного усиления
Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения или тока источника сигнала (источник сигнала может быть генератором напряжения или тока). В результате такого усиления значение напряжения или тока источника сигнала получается достаточным для нормальной работы оконечного (выходного) каскада.
Основные требования к каскадам предварительного усиления:
максимальный коэффициент усиления;
минимальные частотные, фазовые и переходные искажения.
Основные условия работы каскадов предварительного усиления опре-деляются тем, что амплитуды входных сигналов малы. Поэтому каскад предварительного усиления работает в пределах линейного участка входной характеристики и характеристики управления усилительного элемента (режим А).
Из этих условий вытекают следующие особенности работы каскадов предварительного усиления:
1. Коэффициенты усиления напряжения и тока каскадов предварительного усиления можно определять графически и аналитически, используя малосигнальные параметры усилительных элементов, поскольку эти параметры не зависят от значений приложенных напряжений и токов.
2. Ток покоя I0(п) в каскадах предварительного усиления обычно превышает амплитуду усиленного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким (≤ 25%). Но поскольку потребляемая мощность питания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них незначительны.
3. Собственный шум транзистора первого каскада предварительного усиления должен быть минимальным.
Анализ каскадов предварительного усиления можно проводить, используя физические эквивалентные схемы усилительных элементов. Достоинством такой эквивалентной схемы является то, что она наглядно отражает физические свойства усилительного элемента, позволяет проанализировать характеристики и параметры усилительного каскада (частотную характеристику, входное и выходное сопротивление, усиление тока и напряжения).
Схемы каскадов предварительного усиления выполняются как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах. Транзистор в них чаще включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ), так как при этом достигается наибольшее усиление.
В многокаскадных предварительных усилителях также нашли широкое применение каскады с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС), имеющие большое входное и небольшое выходное сопротивления. По этой причине эти каскады используются как согласующие устройства во входной и выходной цепях усилителя или между его каскадами.
Каскады предварительного усиления должны иметь малые габаритные размеры и массу, простую схему, обеспечивать равномерное усиление в широком диапазоне частот при минимальных искажениях. Таким требованиям удовлетворяет резисторный каскад.
Дата добавления: 2015-08-05 ; просмотров: 11 ; Нарушение авторских прав
Требования к предварительным каскадам
Каскады предварительного усиления
Каскады усилителей звуковой частоты
Резистивный каскад усилителя на электронных лампах
Дополнительный материал к лекции 6 для самостоятельной работы
Трансформаторный каскад
Резисторный каскад на полевом транзисторе
Резисторный каскад на биполярном транзисторе
Требования к предварительным каскадам
Каскады предварительного усиления
Каскады усилителей звуковой частоты
План ( логика ) изложения материала
Лекция 6
1 Нарисуйте П- образную физическую эквивалентную схему транзистора
2 Нарисуйте динамическую характеристику в семействе выходных
3 Нарисуйте схему транзистора (а), эквивалентная схему четырёхполюсника
транзистора ( б) и формальную эквивалентную схему транзистора.
4 Напишите ключевые слова к теме лекции 5
После изучения лекции 6 студент должен знать :как работает резисторный каскад на биполярном и полевом транзисторе, как работает трансформаторный каскад.
Уметь: нарисовать схемы резисторных и трансформаторных усилителей
( схема с общим эмиттером)
( схема с общим истоком )
Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и коэффициент гармоник не определяют. А также каскад предварительного усиления работает в пределах линейного участка входной характеристики усилительного элемента.
Ток покоя Iо в каскадах предварительного усиления обычно превышает амплитуду усиленного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким. Но поскольку потребляемая мощность источника электропитания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них незначительны. Поэтому КПД каскадов
предварительного усиления не определяют.
Необходимое предварительное усиление не может быть обеспечено одним каскадом. Для уменьшения числа требуемых каскадов выбираются транзисторы с большим статическим коэффициентом усиления тока. Для первых каскадов
обязательным условием также является малый собственный шум транзистора. Поэтому для первых каскадов выбирают малошумящих транзисторов и снижают по возможности ток покоя Iко и напряжение Uko.
Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяющая получать наибольшее усиление и имеющее достаточно большое входное сопротивление, так что каскады можно соединять без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Предварительное усиление аналогового сигнала MEMS-микрофона
Уровень сигнала на аналоговом выходе MEMS-микрофонов STMicroelectronics довольно низок и требует усиления для последующей обработки. Предлагаются практические схемы предварительного усиления, в том числе – инвертирующая и дифференциальная, с использованием наиболее подходящих для этой цели операционных усилителей ST.
MEMS-микрофоны – приборы для записи звука инновационным способом. Компания STMicroelectronics предлагает широкий выбор MEMS-микрофонов, в том числе изделия из семейства MPxAxx, например MP23ABS1. Такие устройства имеют аналоговый выход, уровень сигнала на котором, как правило, довольно низкий и требует усиления для последующей передачи (от уровня микрофона до уровня на линейном выходе). В статье описано, как реализовать предварительное усиление сигнала.
Настройка амплитуды и усиления сигнала
Аналоговый сигнал на выходе микрофона представляет собой аудиосигнал с определенным уровнем шума. Амплитуда выходного аудиосигнала зависит от акустического давления. Соотношение между чувствительностью So и усилением Gmicro на частоте 1 кГц приведено в технической документации на MP23ABS1 и рассчитывается по формуле 1:
где So измеряется в дБВ/Па, а Gmicro в В/Па.
Для понимания масштаба величин: 20 мкПа – это минимальный слышимый уровень, обычный разговор создает акустическое давление в 20 мПа. Акустическое давление также может быть выражено в дБ уровня звукового давления (SPL): дБ соответствует 20 log (P/20 мкПа). Таким образом, 1 Па эквивалентен 94 дБ.
Акустические и электрические соотношения MP23ABS1 показаны на рисунке 1.
Рис. 1. Акустические и электрические соотношения MP23ABS1
Необходимо помнить, что акустическое давление падает с увеличением расстояния от источника. В свободном поле, если удвоить расстояние от источника, акустическое давление делится на:
Зная акустическое давление, приложенное к микрофону, и желаемую амплитуду конечного сигнала, можно оценить требуемый коэффициент усиления. Максимальный коэффициент усиления (Gmax) вычисляется по формуле 2 с учетом максимальной чувствительности микрофона (Somax), максимальной амплитуды выходного сигнала, необходимой после усиления (Voutrms_max) и максимального акустического давления (Pmax):
Общий шум содержит шум от микрофона и шум, создаваемый усилительным каскадом. Уровень шума (erms) на выходе микрофона вычисляется по формуле 3 с учетом отношения «сигнал/шум» (SNR), как указано в технической документации на MP23ABS1:
где erms выражается в Вrms, а SNR – в дБА.
На рисунке 1 erms показан как минимальный уровень шума. SNR является А-взвешенной величиной, то есть определяется по шкале А, чтобы расценивать шум так же, как воспринимает его человеческое ухо. SNR равен разнице между сигналом в 94 дБ, амплитуда которого So (дБВ/Па) × 1 (Па) = So (дБВ), и уровнем шума в дБВ.
Типичный уровень шума в MP23ABS1 составляет 4 мкВrms. Это эквивалентно источнику белого шума (eo) в полосе пропускания 20 кГц, рассчитанного по формуле 4:
где eo выражается в нВ/√Гц. Для MP23ABS1 eo составляет 28 нВ/√Гц.
Независимые источники шума (измеренные в Вrms) можно объединить, взяв квадратный корень из суммы их квадратов.
Если коэффициент усиления выхода микрофона положительный (как показано на рисунке 2), и уровень шума операционного усилителя составляет только половину шума от микрофона (erms), итоговый общий шум составляет всего 1,5 × erms. Рассмотрим ту же ширину полосы в 20 кГц. При этом использование операционного усилителя с эквивалентной плотностью белого шума 28 нВ/√Гц увеличивает шум на выходе MP23ABS1 на 12%. Чтобы не привести к существенному снижению отношения «сигнал/шум», рекомендуется использовать операционный усилитель с белым шумом менее 20 нВ/√Гц, в идеале – менее 10 нВ/√Гц.
Общий уровень шума на выходе сильно зависит от параметров усилительного каскада (частоты среза и порядка фильтра). Кроме того, при разработке схемы нужно помнить, что резисторы являются источником шума: резистор R [кОм] генерирует белый шум 4√(R) [нВ/√Гц]. Поэтому важно, чтобы сопротивления были относительно низкими.
Искажение сигнала
Искажение сигнала на выходе микрофона зависит от акустического давления, что указывается в технической документации. Для MP23ABS1 искажение сигнала составляет менее 0,2% при 94 дБ (что эквивалентно 1 Па).
При высоком акустическом давлении искажения возрастают. На рисунке 1 показан уровень, при котором искажения достигают 10%. Микрофон можно использовать в диапазоне от минимального уровня шума до уровня, при котором искажения достигают заданной величины – это и будет его динамический диапазон.
Искажение сигнала следует сопоставлять с коэффициентом гармонических искажений (КГИ, или THD), который вносит операционный усилитель. Обычно этот параметр операционных усилителей не ограничивается. Нужно помнить, что при больших выходных сигналах на малых нагрузках КГИ увеличивается с увеличением частоты.
Чистый синусоидальный сигнал на выходе операционного усилителя можно рассчитать по формуле 5:
Максимальный наклон такого сигнала составляет 2πfVp. Следовательно, операционный усилитель должен иметь скорость нарастания более 2πfVp. Для волны с частотой 20 кГц и амплитудой 3 Vpp минимальная скорость нарастания сигнала операционного усилителя должна составлять 0,19 В/мкс. Чтобы обеспечить наименьшее искажение сигнала, нужно иметь как минимум двойной запас по этой скорости.
Выбор операционного усилителя
Напряжение питания микрофона MP23ABS1 составляет от 1,52 В до 3,6 В. При разработке системы с одним источником питания следует использовать низковольтный операционный усилитель с выходом rail-to-rail (особенно при таких малых значениях напряжения, где потеря 1 В уже критична).
Рекомендуемые операционные усилители с учетом уровня шума, скорости нарастания и КГИ приведены в таблице 1.
Таблица 1. Рекомендуемые операционные усилители
| Наименование | Vcc, В | Шум, нВ/√Гц | Скорость нарастания, В/мкс | Выход rail-to-rail | Минимальная нагрузка, Ом |
|---|---|---|---|---|---|
| TS971 | 2,7…10 | 4 | 4 | Да | 2000 |
| TS982 | 2,5…5,5 | 17 | 0,7 | 16 | |
| TS922 | 2,7…12 | 9 | 1,3 | 32 | |
| MC33078 | 5…30 | 4,5 | 7 | Нет | 600 |
Все указанные операционные усилители доступны в исполнении для автомобильной промышленности.
Наилучший выбор – TS971. Для малых нагрузок следует использовать TS922 или TS982. Если для питания усилителя предусмотрен специальный источник высокого напряжения (с одним или двумя выходами) – следует использовать MC33078.
Разработка схемы
Типичная схема предварительного усиления показана на рисунке 2.
Рис. 2. Схема усиления сигнала MEMS-микрофона
R4 и R5 служат для создания опорного напряжения, чтобы сместить входное синфазное напряжение операционного усилителя до Vcc/2. C5 позволяет снизить шум от источника питания (и эквивалентных резисторов R4 и R5), который обычно усиливается операционным усилителем. R6 и C6 образуют фильтр нижних частот, который также уменьшает шум. R1 и C1 обеспечивают передачу микрофонного сигнала по переменному току. Операционный усилитель смещен по постоянному току за счет Vcc/2, а по переменному току, то есть на частоте выше
1/2πR1C1 (16 Гц), на его вход поступает сигнал микрофона.
Если операционный усилитель питается от двух источников питания, для входного синфазного напряжения используется заземление (R1 напрямую подключается к земле).
R2 и C2 усиливают верхние частоты, чтобы избежать увеличения смещения постоянного напряжения операционного усилителя (включая входное напряжение смещения). Частота среза fhp = 1/2πR2C2, что составляет 59 Гц.
R3 и C3 усиливают нижние частоты, чтобы избежать увеличения шума вне полосы пропускания звука. Частота среза flp = 1/2πR3C3, что составляет 10,5 кГц.
Коэффициент усиления усилительного каскада между fhp и flp рассчитывается по формуле 6:
На рисунке 3 показана передаточная функция предлагаемой схемы. Для высоких частот коэффициент усиления равен 1. Для устранения входного шума за пределами звуковой частоты на узле OUT можно использовать дополнительный RC-фильтр нижних частот.
Рис. 3. Зависимость усиления напряжения от частоты
Примечание. Развязывающие конденсаторы C8 и C9 должны быть расположены как можно ближе к операционному усилителю и микрофону.
Инвертирующая схема
Рис. 4. Инвертирующая схема
Чтобы спроектировать схему с дифференциальным выходом, достаточно дублировать усилительный каскад (с R2=R1) на выход первого каскада. Тогда оба выхода будут иметь одинаковую амплитуду, но обратную фазу.
Схема с дифференциальным выходом
В случае, когда необходим дифференциальный выходной сигнал, рекомендуется использовать ОУ TS472, как показано на рисунке 5.
Рис. 5. Схема с дифференциальным выходом
TS472 имеет режим ожидания и встроенный генератор напряжения смещения 2 В, что может быть эффективно использовано для смещения сигнала микрофона.
TS472 доступен в корпусе flip-chip и требует меньшего количества пассивных компонентов обвязки, чем стандартный усилитель, поэтому уменьшается площадь размещения на плате.
Дифференциальный вход TS472 более устойчив к шумам земли, что важно, когда микрофон находится далеко от операционного усилителя.
Коэффициент усиления определяется значением Rgs или устанавливается на величину 20 дБ, если вывод выбора коэффициента усиления подключен к выводу смещения (или постоянному напряжению выше 1 В).
Примечание. Развязывающие конденсаторы C2 и C4 должны быть расположены как можно ближе к операционному усилителю и микрофону.
Заключение
Мы рассмотрели ключевые параметры, связанные с предварительным усилением выходного сигнала аналогового MEMS-микрофона (MP23ABS1). Разработчикам предлагается решение на основе операционного усилителя TS971. Для дифференциального выхода предлагается использование TS472.
Приведенная информация будет полезна при разработке собственных схем. В линейке продукции компании STMicroelectronics можно найти подходящие MEMS-микрофоны и операционные усилители.
Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ
Предварительные усилители и их температурная стабилизация
Для этого применяются электронные усилители, которые обычно состоят из нескольких каскадов усиления.
Первые каскады усилителя называют предварительными усилителями и они усиливают сигнал до такой величины, чтобы обеспечить нормальную работу выходного каскада ( усилителя мощности ). Это входное номинальное напряжение усилителя мощности составляет обычно 0,5. 1,0 вольт.
Так же предварительные усилители служат для согласования выходных сопротивлений источников сигнала с входным усилителей мощности.
Прежде чем подавать на предварительный усилитель сигнал, нужно чтобы каждый каскад любого усилителя был настроен на определенный режим по постоянному току, а именно правильно обеспечить рабочую точку транзисторов в каждом каскаде.
Основными требованиями к любой схеме, обеспечивающей рабочую точку транзистора являются:
— схема должна работать от одного источника питания;
— должно быть обеспечено соответствующее напряжение смещения;
— должна быть обеспечена соответствующая цепь для переменного сигнала, чтобы он мог воздействовать на управляющий эмиттерный переход.
Рассмотрим схемы предварительных усилителей с различными способами подачи напряжения смещения на вход каскада.
Предварительный усилитель с фиксированным напряжением
На рис.4,5 показано как проходят в усилителе входной (от генератора) Г1 и выходной переменные токи (красные линии ).
Значение конденсатора С1 выбирается таким, чтобы для входного сигнала самой низкой частоты емкостное сопротивление Хс1 (Xc=1/2πfC) было значительно меньше сопротивления управляющего перехода Rбэ по переменному току. Так же емкости конденсаторов С2 и С3 должны быть достаточно большими, чтобы иметь минимальное сопротивление для выходного сигнала.
На рисунках видно, что выходной I
=Rк·Rн/Rк+Rн.
А так как усиление каскада тем больше, чем больше его нагрузочное сопротивление по переменной составляющей, то сопротивление следующего каскада не должно быть малым.
К примеру, если Rк = 4 кОм, а Rн = 1 кОм, то R
= 800 Ом. А если Rк = 4 кОм, Rн = 4 кОм, то R
Температурная стабилизация рабочей точки предварительного усилителя
Предварительный усилитель с параллельной отрицательной обратной связью
Предварительный усилитель с последовательной отрицательной обратной связью
Каскады предварительного усиления
ТЭО.18 (21.05.2020)
Преподаватель Жерневская И.Е.
ОП.02 Электротехника и электроника
Тема: Общие сведения об электронных усилителях. Классификация, основные технические показатели, параметры. Модель усилительного каскада. Принцип усиления. Каскады предварительного усиления. Межкаскадные связи. Обратная связь. Ее влияние на качественные показатели работы
Цель занятия: Изучить структурную схему, виды и работу электронных усилителей; рассмотреть принцип усиления, виды межкаскадных связей, обратную связь в усилителях
Задание:
1. Изучить лекционный материал. Краткий опорный конспект лекционного материала оформить в рабочей тетради.
Данилов И. А., Иванов Г. М., Общая электротехника с основами электроники. Стр. 541-551; 551-560
3. Посмотреть обучающее видео по ссылке:
4. Подготовить реферат или презентацию на одну из тем:
«Виды электронных усилителей и их основные характеристики»; «Электронные усилители. Область применения»; «Виды обратных связей в электронных усилителях»; «Влияние обратной связи на качество работы электронного усилителя»
Реферат или презентацию выслать на дистанционную почту (адреса для обратной связи указаны ниже).
Срок выполнения задания — до 25.05.2020!
Обратная связь:
4. Viber (+380713844123)
5. WhatsApp(+380713844123)
Рекомендуемая литература:
1. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники — М.: Мастерство, 2001
Лекция
Тема: Общие сведения об электронных усилителях. Классификация, основные технические показатели, параметры. Модель усилительного каскада. Принцип усиления. Каскады предварительного усиления. Межкаскадные связи. Обратная связь. Ее влияние на качественные показатели работы
План
Общие сведения об электронных усилителях
Классификация,
Основные параметры и характеристики усилителей
Коэффициенты усиления (передачи)
Принцип построения усилительных каскадов
Каскады предварительного усиления
Межкаскадные связи
Обратная связь и её влияние на параметры усилителя
Общие сведения об электронных усилителях
Классификация усилителей
Основные параметры и характеристики усилителей
Коэффициенты усиления (передачи)
Принцип построения усилительных каскадов
Каскады предварительного усиления
Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения или тока источника сигнала (источник сигнала может быть генератором напряжения или тока). В результате такого усиления значение напряжения или тока источника сигнала получается достаточным для нормальной работы оконечного (выходного) каскада.
Основные требования к каскадам предварительного усиления: максимальный коэффициент усиления; минимальные частотные, фазовые и переходные искажения.
Основные условия работы каскадов предварительного усиления опре-деляются тем, что амплитуды входных сигналов малы. Поэтому каскад предварительного усиления работает в пределах линейного участка входной характеристики и характеристики управления усилительного элемента (режим А).
Из этих условий вытекают следующие особенности работы каскадов предварительного усиления:
1) Коэффициенты усиления напряжения и тока каскадов предварительного усиления можно определять графически и аналитически, используя малосигнальные параметры усилительных элементов, поскольку эти параметры не зависят от значений приложенных напряжений и токов.
2) Ток покоя I0(п) в каскадах предварительного усиления обычно превышает амплитуду усиленного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким (≤ 25%). Но поскольку потребляемая мощность питания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них незначительны.
3) Собственный шум транзистора первого каскада предварительного усиления должен быть минимальным.
Анализ каскадов предварительного усиления можно проводить, используя физические эквивалентные схемы усилительных элементов. Достоинством такой эквивалентной схемы является то, что она наглядно отражает физические свойства усилительного элемента, позволяет проанализировать характеристики и параметры усилительного каскада (частотную характеристику, входное и выходное сопротивление, усиление тока и напряжения).
Схемы каскадов предварительного усиления выполняются как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах. Транзистор в них чаще включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ), так как при этом достигается наибольшее усиление.
Однако на боле высоких частотах (в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн) нашли широкое применение, например, каскад с общей базой (ОБ). Это связанно с тем, что при включении транзистора с ОБ его предельная частота усиления в h21 раз больше, чем в схеме с ОЭ(h21-коофициент усиления по току).
В многокаскадных предварительных усилителях также нашли широкое применение каскады с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС), имеющие большое входное и небольшое выходное сопротивления. По этой причине эти каскады используются как согласующие устройства во входной и выходной цепях усилителя или между его каскадами.
Каскады предварительного усиления должны иметь малые габаритные размеры и массу, простую схему, обеспечивать равномерное усиление в широком диапазоне частот при минимальных искажениях. Таким требованиям удовлетворяет резисторный каскад.