Электронные усилители.

Усилитель – это устройство, преобразующее маломощный входной сигнал в подобный, но более мощный выходной.

Учитывая закон сохранения энергии, усилитель рассматривают как многополюсник, в котором помимо входной и выходной цепей есть цепь для поступления энергии от источника питания (рис.2.34).

Рис. 2.34. Структурная схема усилителя: 1 – входная цепь; 2 – предварительный усилитель; 3 – промежуточные каскады; 4 – оконечный каскад; 5 – источник питания.

Входная цепь предназначена для согласования с источником сигнала, как по амплитуде, так и по сопротивлению. Как правило, требуется обеспечение большого входного сопротивления, что обеспечивается предварительным усилительным каскадом. Для получения требуемого коэффициента усиления может потребоваться многокаскадный усилитель. Основное усиление сигнала обеспечивается в промежуточных каскадах. Оконечный каскад – усилитель мощности. Он обеспечивает согласование усилителя с нагрузкой. Для обеспечения максимальной выходной мощности требуется выполнение равенства Rвых=Rнагр (режим согласования).

Электронные усилители классифицируются:

1). По роду усиливаемых сигналов:

- усилители гармонических сигналов;

- усилители импульсных сигналов.

2). По частотному диапазону усиливаемых сигналов:

-УНЧ (усилители низких частот), усиление в полюсе частот от десятков герц до десятков килогерц;

-УПТ (усилители постоянного тока), усиление сигналов от постоянных до единиц мегагерц;

-ШУ (широкополюсные усилители), усиление от десятков герц до десятков мегагерц;

-УВЧ (усилители высокой частоты), усиление сигналов в узком диапазоне высоких частот.

3). По характеру нагрузки:

-апериодические (резистивные нагрузки);

-резонансные (частотно – избирательная нагрузка).

Основные параметры и характеристики усилителей.

Несмотря на разнообразие усилителей, они имеют ряд общих показателей, позволяющих их сравнивать между собой. Основными из них являются:

1). Коэффициент усиления:

K=Uвых/Uвх [раз] =>20IqK [дБ].

Измеряется в разах или в децибелах на частоте максимального усиления. Иногда характеризуются коэффициентом усиления по мощности, тогда обозначают:

Kр=Pвых/Pвх=>10IqKp [дБ].

2). Коэффициент полезного действия = Pвых/Pо – это отношение полезной выходной мощности к мощности, потребляемой от источника питания. Используется для характеристики мощных усилителей.

3). Коэффициент линейных искажений (гармоник) Kни (Kг).

Нелинейные искажения связаны с искажением формы усиливаемого сигнала в усилителе из–за наличия нелинейных элементов. Определяется отношением мощности дополнительных (высших) гармоник в сигнале на выходе усилителя к мощности основной (первой) гармоники при подаче на вход чисто гармонического сигнала:

Kг= (2.35)

Измеряют в процентах и для высококачественных усилителей Kг не должен превышать 0.1%.

4). Входное сопротивление усилителя Rвх=Uвх/Iвх влияет на выбор сопротивления источника сигнала, так как Rвх >> Rг.

5). Выходное сопротивление усилителя Rвых= Uвых/Iвых определяет сопротивление нагрузки, так как Rвых=Rн.

Так как коэффициент усиления усилителя величина, в общем случае, постоянная и зависящая от частоты входного сигнала, то есть

K (jw) = K (w) (2.36)

то используют графическое изображение зависимостей коэффициента усиления от частоты – амплитудно – частотную характеристику (АЧХ) и величина фазового сдвига от частоты – ФЧХ (фазочастотная характеристика) ФЧХ используется редко.

Графики АЧХ и ФЧХ представлены на рис.2.35.

а) б)

Рис.2.35. Графики характеристик усилителя: а-АЧХ; б – ФЧХ.

По АЧХ вводится ряд параметров:

fн - нижняя граничная частота; fв - верхняя граничная частота.

Эти частоты определяются как частоты, на которых K(f) уменьшается в раза по отношению к Kо.

П= fв – fн - полоса усиления, fо – частота квазирезонанса.

Всю область частот можно разбить на три диапазона:

l – область низких частот, где K(f) растет от 0 до Kо с ростом частоты от 0 до fн; ll - область средних частот, где K(f) сonst; lll - область высоких частот, где K(f) уменьшается от Kо до 0 с ростом f.

Для сравнения усилителей по величине частотных искажений используется:

Коэффициент частотных искажений - М(f).

М(f)= K(f)/ Kо – характеризует отношение коэффициента усиления на частоте f от величины Kо.

Другой важной характеристикой усилителя является амплитудная характеристика (рис.2.36) – зависимость амплитуды выходного гармонического сигнала от амплитуды сигнала на входе усилителя - Uвых=F(Uвх). Амплитудную характеристику снимают на частоте Fо и для идеального усилителя она должна быть линейной. Для реального усилителя она отличается от линейной и имеет значение Uвых min, обусловленное шумами усилителя, а Uвых max ограничивается величиной питающих напряжений.

Рис. 2.36. Амплитудная характеристика усилителя.

Величина tg= Kо.

По этой характеристике может быть определен параметр усилителя – динамический диапазон – D.

D= [дБ]. (2.37)

-характеризует диапазон изменения входного сигнала, при котором уровень нелинейных искажений не превышает значение- K1.

Резистивно-емкостной усилительный каскад.

Усилительные каскады этого типа (рис.2.37) получили наибольшее распространение, так как имеют простую схемную реализацию при малых габаритах элементов и обладают хорошими характеристиками.

Рис. 2.37. Резистивно-емкостной усилительный каскад.

Назначение элементов схемы.

Разделительный конденсатор на входе – Ср1 предназначен для разделения усилительного каскада с источником сигнала по постоянному току, а полученный переменный сигнал он легко пропускает.

Аналогичную роль играет разделительный конденсатор–С р2 на выходе – он разделяет каскад и нагрузку по постоянному току. Величина этих конденсаторов влияет на величину fн усилителя, так как с понижением их сопротивление сигналу растет, и они хуже его передают по цепи усиления. Для понижения fн нужно увеличивать Ср.

Rн – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи. Оно задает положение (вместе с Rэ) нагрузочной прямой (зависимость Iк от Uкэ при наличии Rн в цепи коллекторного тока) на семействе выходных характеристик.

Величина Rк влияет как на коллекторный, так и на величину коэффициента усиления каскада – К0.

К0= (рис.2.38)

С увеличением Rк растет коэффициент усиления. Однако, на величину Rк накладывают ограничения по величине коллекторного тока в рабочей точке, так как Iк0= и по величине верхней граничной частоты каскада:

в (рис.2.39)

Rэ – сопротивление в цепи эмиттера, образует отрицательную обратную связь по току. Так как оно зашунтировано большим по величине Сэ, то Rэ влияет только на постоянном и медленно меняющихся токах и служит для температурной стабилизации режима работы транзистора.

Обычно Rэ выбирают из условия:

Rэ(0,1…0,3) Eпит/Iко (рис.2.40)

Резисторы R1 и R2 образуют базовый усилитель напряжения питания. Они делят Eпит до величины UR2=Iдел* R2, которое обеспечивает необходимое напряжение смещения Eсм=Uбэо= UR2 -URэ