Назначение, классификация и основные параметры усилителей.

Усилители служат для преобразования электрических сигналов по величине. Они являются наиболее универсальными электронными устройствами и в той или иной форме используются практически в любых электронных системах (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 – Общее функциональное обозначение усилителя

Классификация усилителей электрических сигналов проводится по:

· виду используемых активных элементов: усилители электронные, магнитные, оптико-электронные и т.п.;

· виду основного усиленного сигнала: усилители напряжения, тока или мощности;

· связи между каскадами: усилители с непосредственными связями, реостатные или резистивные, резистивно-емкостные ( – усилители), трансформаторные, резистивно-трансформаторные;

· способу усиления: усилители непосредственного (прямого) усиления и усилители с преобразованием спектра усиливаемого сигнала (усилители типа МДМ, модемы);

· характеру зависимости между входным и выходным сигналами: усилители линейные и нелинейные (с отсечкой, логарифмические и. т. п);

· полосе пропускания: усилители широкополосные или видеоусилители, звуковые, узкополосные, усилители постоянного тока.

Усилитель может быть представлен в виде четырехполюсника (рисунок 8.2), на вход которого подан сигнал от внешнего источника с и внутренним сопротивлением , а к выходу подключена внешняя нагрузка .

Рисунок 8.2 – Схема замещения усилителя четырехполюсником

Входными параметрами усилителя являются напряжение , ток , сопротивление и мощность , а выходными параметрами – напряжение , ток , сопротивление и мощность .

Проходные параметры усилителя – коэффициенты усиления по напряжению , по току , по мощности .

В общем случае параметры усилителя – величины комплексные. При работе усилителя с характерными для измерительных устройств сигналами средних частот 1…3 кГц влияние реактивных элементов пренебрежительно мало и параметры можно считать действительными.

Частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты (рисунок 8.3). Идеальная характеристика – горизонтальная в диапазоне частот , называемом полосой пропускания усилителя. Завалы на реальной характеристике вызываются влиянием реактивных элементов в цепях межкаскадной связи.

Рисунок 8.3 – Частотная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика – зависимость между выходным и входным напряжениями (рисунок 8.4) идеальная характеристика линейного усилителя – прямолинейная. Реальная характеристика при больших сигналах – нелинейная.

Рисунок 8.4 – Амплитудная характеристика: 1 – идеальная; 2 – реальная

Фазовая характеристика – зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты . На средних частотах фазовый сдвиг отсутствует. Влияние реактивных элементов искажает фазовую характеристику (рисунок 8.5).

Рисунок 8.5 – Фазовая характеристика

2. Обратная связь в усилителях.

В усилителях на вход подают исходный сигнал от внешнего источника, а на выходе получают усиленный выходной сигнал. Как правило, часть этого сигнала через специальную цепь подают также на вход усилителя. Такую передачу сигнала называют обратной связью (ОС). В результате на входе усилителя с ОС действуют два сигнала: исходный сигнал и сигнал ОС – . Обратные связи влияют на параметры и характеристики усилителя.

Классификация обратных связей проводится:

• по способу образования – принудительные (полезные), специально созданные связи и паразитные, возникающие, например, из-за монтажных емкостей;

• характеру совместного действия двух сигналов на входе усилителя – обратные связи положительные (ПОС) и отрицательные (ООС). При ПОС исходный входной сигнал и сигнал ОС совпадают по знаку или фазе, суммируются и увеличивают результирующий сигнал на выходе усилителя. ПОС применяют в генераторах гармонических и импульсных колебаний. В усилителях ПОС используют сравнительно редко. Для усилителей характерна отрицательная обратная связь, при которой сигнал ОС противоположен по знаку или фазе входному сигналу, вычитается из него и уменьшает результирующий сигнал на выходе усилителя;

• способу образования сигнала ОС на выходе усилителя – обратная связь по напряжению и току. Включение или исключение элементов цепи ОС не должно влиять на выходную цепь (рисунок 8.6).

а б

Рисунок 8.6 – Обратная связь: а – по току; б – по напряжению

Условие, исключающее влияние цепи ОС на выходную цепь усилителя, в случае ОС по току, следующее: , где – образцовое сопротивление цепи ОС.

Условие, исключающее влияние цепи ОС по напряжению на выходную цепь усилителя, следующее: , где , – резистивный делитель цепи ОС;

• способу подачи сигнала ОС на вход усилителя – последовательная и параллельная ОС. При последовательной связи на входе усилителя суммируются напряжения и , при параллельной связи – токи и (рисунок 8.7).

а б

Рисунок 8.7 – Обратная связь в усилителях: а – последовательная;

б – параллельная обратная связь: внешний и внутренний входы

совпадают,

Цепи ОС являются частотно-независимыми при использовании в них только активных элементов и частотно-зависимыми – при использовании активных и реактивных элементов. Коэффициент обратной связи в общем случае – величина комплексная, но в области средних частот и при соответствующем выборе реактивных элементов их влиянием можно пренебречь и считать коэффициент обратной связи чисто активной величиной . Этот коэффициент показывает, какая часть выходного напряжения подается на вход в виде сигнала обратной связи.

Отрицательная обратная связь (ООС) влияет на параметры усилителя: в первую очередь на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления усилителя. В усилителе с последовательной ООС (рисунок 8.7 а) есть два входа: внешний «аа», на который подают сигнал , и внутренний «бб», где действует напряжение . усиливается усилителем без обратной связи.

Величину называют внутренним коэффициентом усиления. Это коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Величину называют коэффициентом усиления усилителя с обратной связью. При ООС , или .

По определению ; , или .

Тогда .

Разделим почленно: .

Тогда .

Следовательно, , т.е. ООС уменьшает усиление и повышает стабильность усилителя.

При действии дестабилизирующих факторов: изменение температуры, напряжение питания, параметры элементов, – коэффициенты усиления изменяются, что оценивают относительным изменением коэффициентов:

– в усилителе без ОС; – в усилителе с ОС, где и – абсолютные изменения коэффициентов усиления при действии дестабилизирующих факторов.

Поскольку , то , или, переходя к конечным приращениям,

.

Следовательно,при ООС относительная нестабильность усилителя уменьшается в раз.

При последовательной ООС

.

Таким образом, параллельная ООС также уменьшает коэффициент усиления и повышает его стабильность.

В усилителе с параллельной ООС входы «аа» и «бб» совпадают:

, или ,

где – входной ток усилителя без ОС; – ток, создаваемый цепью ОС.

Так как ; , то

.

Откуда

; ,

где || – знак параллельного соединения сопротивлений; – выходное сопротивление цепи ОС.

Следовательно, при параллельной ООС входное сопротивление усилителя уменьшается.

Выходное сопротивление устройств определяют следующим образом:

; ,

где – напряжение холостого хода на выходе в отсутствие нагрузки; – ток короткого замыкания выхода.

В усилителе при обратной связи по напряжению .

Ток короткого замыкания , так как в этом случае вход цепи ОС замкнут накоротко и ОС отсутствует. Тогда .

Следовательно, ООС по напряжению уменьшает выходное сопро­тивление усилителя.

При обратной связи по току напряжение холостого хода , так как в этом случае выходная цепь разорвана и ОС отсутствует. Ток короткого замыкания , .

Следовательно, ООС по току увеличивает выходное сопротивление усилителя.

ООС уменьшает частотные искажения и расширяет полосу пропускания усилителя, поскольку уменьшение выходного сигнала на краях полосы пропускания приводит к уменьшению напряжения обратной связи, следовательно, сигнал на входе усилителя остается почти неизменным в довольно широких пределах изменения частоты. Аналогичным образом ООС компенсирует нелинейные искажения выходного сигнала.