Principi pojačanja naizmeničnih signala

Принцип појачања наизменичног напона помоћу електронских цеви

Појачавач са отпорном спрегом

Најпростији појачавач наизменичног напона је појачавач са отпорном спрегом-RC појачавач(слика 1).Тачке а и б преко којих се доводи појачани напон називају се улазом појачавача;тачке ц и д са којих се скида појачани напон називају се излазом појачавача.

Слика 1

Појачавач приказан на слици 1 има једну електронску цев и назива се једностепеним.Појачавач може имати и неколико цеви.Свака цев заједно са елементима који улазе у њена кола зове се степен(каскада)Са излаза првог степена се напон води на улаз другог степена,са излаза другог степена на улаз трећег итд. Такав се појачавач назива вишестепеним.Принцип рада свих степена је једнак,па је овде размотрен само једностепени појачавач.Елементи појачавача су:електронска цев,анодни отпорник Ra и R-C коло за спрегу.За напајање шеме се користи анодни извор са напоном Еа.У коло решетке је укључен извор једносмерног напона Еg тзв. преднапон.Преднапон одређује почетни режим цеви, тј.почетни положај радне тачке на карактеристици у одсуству наизменичног напона на улазу појачавача.Почетни положај радне тачке се још назива тачком мировања.Величина преднапона Еg на решетки цеви појачавача са отпорном спрегом треба да буде већа или једнака амплитуди наизменичног напона Uul на улазу појачавача.При томе потенцијал решетк у односу на катоду све време остаје негативан.Обзиром на то ,електрони не падају на решетку и не постоји решеткина струја.Појаве које се дешавају у степену појачавача приказане су на слици 2.

Слика 2

Кад нема наизменичног напона на улазу појачавача(у режиму мировања),напон на решетки је једнак преднапону Еg.При томе кроз анодно коло тече једносмерна струја Iao,која се још назива струјом мировања.Величина ове струје се одређује ид динамичке карактеристике.Струја Iao ствара на анодном отпорнику пад напона Urao.Као резултата тога,напон на аноди цеви у режиму мировања Uao је мањи од напона Еа анодног извора:

Uao=Ea-Urao-Ea-Iao*Ra

У режиму мировања,напон на решетки,анодна струја и напон на аноди цеви остају константни.Пошто се једанпут напуни,кондензатор С остаје напуњен до напона Uao.Због тога у режиму мировања струја кроз отпорник R кола за спрегу не тече и нема напона на излазу појачавача.На слици 2а је приказан наизменични напон који делује на улаз појачавача.При овом напону је разлика потенцијала између решетке и катоде Ug једнака збиру једносмерног напона Еg и наизменичног напона који се појачава Uul.За време позитивне полупериоде се преднапон Еg и улазни напон одузимају.На решетки се добија негативан напон мањи од Еg.За време негативне полупериоде се преднапон Еg и улазни напон сабирају.Добијен негативни напон на решетки цеви је већи од преднапона Еg.Остајући све време негативан,напон на решетки мења своју величину (пулзира),пратећи промене улазног напона.Напон Ug који делује између решетке и катоде је приказан на слици 2.би ф.За време позитивне полупериоде напона на улазу,анодна струја је већа од струје мировања Iao,,а при негативној полупериоди је мања.Према томе,анодна струја електронске цеви пулзира,слика 2ц.Величина негативног преднапона Eg на решетки се бира тако да радни део динамичке карактеристике,тј. део у чијим се границама врши промена напона на решетки и промена анодне струје,буде праволинијски и да се налази у области негативних напона на решетки.Тада нема решеткине струје,а промене анодне струје су пропорционалне променама напона на улазу,тј. анодна струја се мења пратећи промене улазног напона.Појачавач не изобличава облик појачаног напона.Повећањем анодне струје се повећава пад напона на отпорнику Rа,док се напон на аноди(између аноде и катоде)смањује(слика 2 ц и д).Смањењем анодне струје,пад напона на отпорнику Ra се смањује,док напон на аноди цеви расте.У сваком тренутку је збир напона на отпорнику Ra и напон на цеви једнак напону анодног извора Еа.(слика 2д).Напон на отпорнику Ra и напон између аноде и катоде постаје пулзирајући.Сваки пулзирајући напон се може представити као збир једносмерне и наизменичних компоненети.Једносмерне компоненте напона на отпорнику Ra и на делу анода-катода у општем случају нису једнаке.Наизменична компонента та два различита пулзирајућа напона је заједничка.Једносмерна компонента напона на отпорнику Ra једнака је напону Urao,који се добије у режиму мировања.Једносмерна компонента напона на цеви једнака је напону Uao,тј. напону на цеви у режиму мировања.Заједничка наизменична компонента ова два напона Uma представља излазни напон појачавача.Излазни напон појачавача се може скидати како са анодног оптерећења Ra,тако и са дела анода катода цеви.У пракси се излазни напон скида увек између аноде и катоде.На појачавачу (слика 1) излазни напон се користи са дела анода –катода преко R-C кола за спрегу које служи за одвајање једносмерне компоненте анодног напона.Капацитивност кондензатора С и отпорност отпорника R треба тако изабрати да буду довољно велике.При томе је капацитивна отпорност врло мала у односу на величину отпорности отпорника R.То значи да је амплитуда наизменичног напона на отпорнику практично једнака амплитуди наизменичне компоненте анодног напона Uma.Једносмерна компонента анодног напона се издваја на кондензатору С.Кондензатор је напуњен до напона Uao.Порастом напона на аноди,кондензатор се допуњава преко отпорника R.Међутим,услед великих вредности С и R,напон на кондензатору се не повећава приметно за време трајања четвртине периоде,док напон на аноди у то време расте.Услед тога се скоро цео пораст напона добија на отпорнику R,док се напон на кондензатору практично не мења.Смањењем напона на аноди,кондензатор се празни кроз цев и отпорнок R.Међутим услед великих вредности С и R,напон на кондензатору се не смањује приметно за време трајања четвртине периоде.Због тога укупно смањење напона добија се на отпорнику R,а напон на кондензатору остаје практично непромењен и једнак Uao.Струја пуњења и и струја пражњења кондензатора С имају различите смерове,тако да је и пад напона на отпорнику R наизменичан(слика 2 е).Напон који се добија на отпорнику R представља излазни напон појачавача.Наизменична компонента анодне струје се поклапа по по фази са напоном на улазу(слика 2 а и ц).Наизменична компонента анодног напона је у противфази са наизменичном компонентом анодне струје.То се објашњава тиме што пораст анодне струје изазива смањење напона на аноди,а смањење анодне струје доводи до повећања анодног напона.Према томе, и излазни напон појачавача је у против фази са напоном на улазу.Због тога један степен појачавача са отпорном спрегом мења фазу појачаног напона за 180º

Еквивалентно коло појачавачког степена

Анализа и прорачун појачавача се практично врши коришћењем еквивалентних кола.У појачавачу са отпорном спрегом се наизменични напон на оптерећењу,па према томе и на цеви добија због наизменичне компоненте струје у анодном колу.Да би се одредио однос између амплитуде наизменичне компоненте анодне струје Ima и наизменичних напона који делују на цев,треба размотрити два кола приказана на слици 3.

Слика 3

Наизменична компонента струје у анодном колу цеви се може добити на два начина:-довођењем наизменичног напона на решетку цеви(слика 3а)-или довођењем наизменичног напона на аноду(слика 3б).У оба случаја се у анодном колу налази извор једносмерног напона Еа.Стрмина карактеристике је :

S=ΔIa/ΔUg при Ua=const,

А одатле је :

ΔIa=S* ΔUg при Ua=const

Промена анодне струје према слици 3а је пропорционална промени решеткиног напона,јер је стрмина S у границама праволинијског дела карактеристике константна.Свакој промени решеткиног напона одговара одређена промена анодне струје.Ако се решеткин напон мења за величину Umg,анодна струја се мења за величину:

Ima=S*Umg. (22)

Према томе,амплитуда наизменичне компоненте анодне струје при сталном напону на аноди зависи од амплитуде наизменичног напона на решетки.Унутрашња отпорност електронске цеви је једнака:

Ri=Uma/Ima при Ug=const,

А одатле је:

Ima=Uma/Ri (23)

Према томе,амплитуда наизменичне компоненте анодне струје при сталном напону на решетки зависи од амплитуде наизменичне компоненте анодног напона.Ако су амплитуде наизменичне компоненте анодне струје једнаке у оба кола(слика 3а и 3б),могу се применити једначине (22) и (23):

Uma/Ri=S*Umg

Или:

Uma=S*Ri*Umg.

Како је S*Ri=µ, то се добије следеће:

Uma=µ*Umg (24).

Једначина (24) показује да наизменични напон Umg на решетки цеви ствара исту такву наизменичну компоненту анодне струје,као и µ пута већи наизменични напон у анодном колу.Стога је наизменични напон Umg на решетки,према свом утицају на анодну струју,једнак µ пута већем наизменичном напону Uma на аноди цеви.Обзиром на то,електронска цев на чију је решетку доведен наизменичан напон са амплитудом Umg представља извор наизменичне струје и може се заменити генератором са електромоторном силом Uma=µ*Umg и унутрашњом отпорношћу једнаком Ri (слика 4)

Слика 4

У појачавачу су ,на путу наизменичне струје Ima коју ствара цев,укључени анодни отпорник Ra, и извор анодног напајања који има незнатну унутрашњу отпорност,а поред тога га блокира кондензатор Cbl велике капацитивности (слика 1).Због свега тога наизменична компонента анодне струје не ствара наизменични напон на изводима извора анодног напајања и он се не мора приказати на еквивалентном колу појачавачког степена.На слици 5. је приказано еквивалентно коло за наизменичну струју појачавачког степена без кола за спрегу.

Слика 5

Еквивалентно коло се састоји из генератора еквивалентног цеви,унутрашње отпорности Ri и електромоторне силе µ*Umg ,као и отпорности оптерећења Ra.Утицај отпорности R кола за спрегу није овде узет у обзир ради упрошћености.

Појачање појачавачког степена

Број који показује за колико пута је напон на излазу појачавача већи од напона на улазу назива се појачање:

A=Uizl/Uul (25)

До зависности појачања појачавачког степена од његових параметара се може доћи анализом еквивалентног кола степена(слика5).На основу Омовог закона,амплитуда струје је једнака:

Ima=(µ*Umg)/(Ra+Ri).

Напон који се ствара на отпорнику оптерећења или на изводима генератора једнак је :

Uma=Ima*Ra=[(µ*umg)/Ra+Ri]*Ra.

Наизменичан напон на решетки је улазни напон појачавача:

Umg=Umul.

Наизменични напон Uma на делу анода-катода цеви представља излазни напон појачавача.те је појачање степена А једнако:

A=Umizl/Umul=Uma/Umg.

Пошто се уврсти вредност за Uma,добије се :

A=Uma/Umg=µ*[Ra/(Ri+Ra)].

Из обрасца (26) се види да је појачање појачавачког степена са отпорном спрегом мање од коефицијента појачања µ електронске цеви,а зависи од односа отпорности оптерећења Ra и унутрашње отпорности цеви Ri.Зависност појачања од односа Ra и Ri приказана је на слици 6.Када је отпорност оптерећења једнака унутрашњој отпорности цеви Ri,појачање степена је једнако половини коефицијента појачања цеви.На први поглед изгледа да је корисно анодну отпорност Ra изабрати што је могуће већу.Међутим,повећањем отпорности Ra ,стрмина динамичке карактеристике се смањује.То значи да се амплитуда наизменичне анодне струје смањује при истој амплитуди улазног напона.Повећањем отпорности Ra,појачање не расте пропорционално са њеном величином.Почев од неке вредности Ra,пораст појачања је веома мали.Због тога се не узима доста велики однос Ra/ Ri.У стварним колима је анодна отпорност једнака:

Ra=(3-4)* Ri

Док појачање степена износи 0,7-0,8µ

Слика 6

Ако је вредност Ra велика,динамичко засићење настаје чак и при малим амплитудама улазног наизменичног сигнала(за време позитивне полупериоде улазног напона).То доводи до изобличења облика појачаваног напона.При већим вредностима Ra ,добија се мала једносмерна компонента анодног напона Uao.Да се тада обезбеди нормалан рад појачавача,био би потребан високи напон анодног напајања Еа.

Графичка анализа појачавачког степена

Графичка анализа појачавачког степена омогућава да се одреде амплитуде наизменичне компоненте анодне струје и анодног напона,једносмерне компоненте анодне струје и напона,као и анодна дисипација.Графичком анализом се може прорачунати и појачавачки степен.Основу графичке анализе представља конструисање радне праве у фамилији анодних карактеристика (слика 7).Ако је величина негативног преднапона позната(нпр Еg=-6V),онда пресек статичке карактеристике са радном правом одређује радну тачку О.Дијаграм наизменичног напона доведеног на решетку црта се у размери-на оси која представља продужетак статичке карактеристике за задати преднапон решетке.Пројекцијом тачке О на ординату,одређује се величина једносмерне компоненте анодне струје Iao,а на апцисну осу-једносмерна компонента напона на аноди Uao.Oве вредности дозвољавају да се израчуна дисипација снаге :

Pa=Uao*Iao

За нормалан рад цеви ова снага треба да буде мања од Pamax.То значи да радна права не треба да пресеца криву максималне дисипације снаге на аноди,већ треба да пролази испод ове криве.На слици 7 је дат пример када је амплитуда наизменичног напона на улазу степена једнака 4V, а константана преднапон на решетки Еg=-6V. Напон на решетки мења се у границама од -2 до -10 V.Радни део праве представља одсечак аб.пројекцојом тачака а и б на ординатну осу,могу се одредити границе промене анодне струје и амплитуда наизменичне компоненте анодне струје Ima,а такође и границе промене напона на аноди и амплитудама Uma наизменичне компоненте анодног напона.

Слика 7

На слици 7 је графички приказана промена анодне струје и промена анодног напона за случај када је Ra=50 kΩ. При већим вредностима Ra,радна права има блажи нагиб.При томе се вредности Iao,Ima,Uao смањују.Анодна дисипација се смањује,док се амплитуда наизменичне компоненте Uma при повећању Ra повећава.