ЛЕКЦИЯ 5. Усилители электрических сигналов

Электронным усилителем называют аппарат, на вход которого подают сигнал малой мощности, а на выходе, за счет потребления энергии от электропитающего устройства, получают точно такой же сигнал, но большей мощности. Наименьшую функционально законченную цепь, которая может усиливать сигнал, называют усилительным каскадом.

Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и техники, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т. д.

Классификация усилителей может быть произведена по нескольким признакам: по характеру усиливаемых сигналов (усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д.), по роду усительных элементов (транзисторные, ламповые), по назначению, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать.

По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

1. Усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты (f_В) к нижней (f_Н) у усилителей данного типа велико и обычно составляет не менее нескольких десятков, доходя в отдельных случаях до десятков тысяч.

2. Усилители высокой частоты (УВЧ) – от 100 кГц до 100 МГц.

3. Усилители постоянного тока (УПТ) (точнее, усилители медленно меняющихся напряжений и токов), усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля (f_Н = 0) до высшей рабочей частоты f_В, составляющей нередко десятки и сотни килогерц. Эти усилители широко применяются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. 

4. Избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно f_В/ f_Н < 1,1). Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить (или подавить) заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей одного или нескольких колебательных (резонансных) контуров. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными, или полосовыми.

5. Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот (от нескольких килогерц и ниже до нескольких мегагерц и выше). Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Во многих случаях усиленные сигналы воспроизводятся на экране электронно-лучевой трубки и регистрируются визуально. Поэтому часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители с успехом используются также в устройствах автоматики и вычислительной техники.

                                               

 Основные технические показатели усилителей /

       К важнейшим параметрам усилителей относят коэффициент усиления, полосу пропускания, входное и выходное сопротивления, выходную мощность, коэффициент нелинейных искажений, КПД, уровень собственных шумов и другое.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

,                                           (14.1)

где ,  – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Со­ответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэф­фициенты усиления напряжения и тока

; .                                 (14.2)

Очевидно, что .

Если при фиксированной амплитуде входного сигнала изменять частоту сигнала, подаваемого на вход УНЧ, то можно заметить, что на определенных очень высоких и очень низких частотах коэффициенты усиления аппарата по напряжению понижаются. А в диапазоне между этими частотами коэффициент усиления практически неизменен. Полоса пропускания усилителя – это такой диапазон усиливаемых частот, в котором выходное напряжение, которое подводят к нагрузке, падает менее чем на 0,707 от наибольшего значения.

Для нормальной работы усилителя его входное сопротивление должно быть много выше выходного сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление усилителя должно быть много меньше, чем сопротивление нагрузки.

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выход­ного  сопротивлений и сопротивлений источника сигнала  и на­грузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотно­шения ,  дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Если имеет место прямо противоположное – входное сопротивление меньше, чем выходное сопротивление источника сигнала, или выходное сопротивление усилителя меньше сопротивления нагрузки, то их необходимо согласовать. Согласование – это осуществление операций, направленных на обеспечение возможности передачи наибольшей энергии от ее источника к потребителю с минимумом потерь и искажений. Типовой прием согласования входа транзисторного усилителя с низким сопротивлением и выхода источника сигнала с высоким сопротивлением состоит в установке между ними транзисторного каскада на биполярном или полевом транзисторах, которые включены по схемам с общим коллектором или общим стоком. Известно, что такие каскады обладают высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Нелинейные искажения – это искажения, в результате которых на выходе возникают новые гармоники, которые отсутствовали в исходном сигнале.

Количественно эти искажения представляют в виде выраженного в процентах коэффициента гармоник, или коэффициента нелинейных искажений, который находят по следующей формуле:

Kни = 100% · √(U22 + U32 + U42 + … + Un2) / U1,

где U1 – амплитуда напряжения первой гармоники, В;

U2 – амплитуда напряжения второй гармоники, В;

U3 – амплитуда напряжения третьей гармоники, В;

U4 – амплитуда напряжения четвѐртой гармоники, В;

Un – амплитуда напряжения n-ной гармоники, В.

КПД усилителя, выражаемый в процентах, допустимо вычислить согласно выражению:

η = (Pвых / Pп) · 100, %,

где Pвых – выходная мощность усилителя, Вт; а Pп – мощность, которую потребляет усилитель от источника питания, Вт.

Номинальным входным напряжением(чувствительностью) называют напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность и зависит от типа источника усиливаемых колебаний.

При усилении электрических сигналов могут возникать нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят.

Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.

Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике, представляющей собой график зависимости угла сдвига фазы φ между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты.

Возникающие в выходном сигнале усилителя шумы выделяют в три группы:

шумы компонентов, усиливающих сигнал, тепловые шумы, связанные с повышением температуры резисторов, стабилитронов и других деталей, шумы, обусловленные пульсациями в питающем напряжении.

К основным характеристикам усилителей причисляют амплитудную, амплитудно-частотную (АЧХ) и фазовую характеристики.

Амплитудной характеристикой называют зависимость амплитуды переменного напряжения, снятого с выхода устройства, от амплитуды напряжения, поданного на его вход. Вместо амплитудных напряжений можно оперировать среднеквадратическими напряжениями. Амплитудная характеристика усилителя показана на рис. 1.

Рис. 1. Амплитудная характеристика.

 

Зная амплитудную характеристику, можно найти динамический диапазон усилителя. Он равен двадцати логарифмам отношения максимального входного напряжения к минимальному входному напряжению, при условии, что эти напряжения соответствуют линейному участку амплитудной характеристики:

D = 20 lg (Uвх.макс / Uвх.мин), (дБ).

 

Амплитудно-частотной характеристикой, которую получают при фиксированном входном напряжении, именуют зависимость напряжения, снимаемого с выхода аппарата, от частоты сигнала, что отражено на рис.2.

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика.

 

Располагая амплитудно-частотной характеристикой, можно установить полосу пропускания усилителя. Бывает, что удобно использовать зависимость коэффициента усиления устройства от частоты сигнала, получаемую при неизменном входном напряжении. Часто для удобства график АЧХ строят в логарифмическом масштабе.

Рис. 3. Фазовая характеристика.

Фазовой характеристикой называют зависимость от частоты фазового сдвига, возникающего между сигналом, поступающим на вход, и сигналом, получаемым на выходе. Фазовая характеристика усилителя для области низких частот дана на рис. 3.

Обладая фазовой характеристикой, можно установить, возникнет или нет на определенной частоте самовозбуждение в усилителе.