Тема 2.5. Электронные усилители

Общие сведения

       Электронные усилители – это устройства, которые служат для усиления тока, напряжения или мощности слабых электрических сигналов.

       Усилители могут быть классифицированы по ряду признаков:

       - по роду усиливаемой величины (усилители тока, напряжения, мощности);

       - по диапазону усиливаемых частот (усилители низкой частоты, усилители постоянного тока, усилители высокой частоты);

       - по числу каскадов или ступеней усиления (одно-, двух- и многокаскадные).

Наиболее распространенные в промышленной электронике усилители характеризуются следующими основными параметрами:

       - коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности

(для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления – это произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов);

       - логарифмический коэффициент усиления мощности в децибелах

(для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов);

       - диапазон усиливаемых частот (область частот, в которой изменение коэффициента усиления не превосходит допустимых значений);

       - номинальная выходная мощность усилителя (наибольшая мощность, развиваемая в нагрузке, при которой искажения не превосходят допустимых значений);

       - коэффициент полезного действия (отношение полезной выходной мощности к мощности, потребляемой всеми источниками питания)

       В реальных усилителях сигнал, проходя через усилитель, искажается. Различают три вида искажений:

       - частотные искажения - это искажения формы электрического сигнала, обусловленные различной степенью усиления на разных частотах из-за присутствия в схемах усилителей реактивных элементов (индуктивных катушек и конденсаторов);

       - фазовые искажения - это искажения, вызванные нелинейной зависимостью сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты, обусловленные наличием в схемах реактивных элементов;

       - нелинейные искажения – это искажения формы усиливаемого сигнала, возникающие из-за нелинейности вольт-амперных характеристик усилительных элементов (транзисторов).

       Обратной связью в усилителе называется связь между выходом и входом усилителя, при которой часть энергии полезного усиленного сигнала с выхода подается на вход.  Различают положительную и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь используется в генераторных каскадах. В усилителях положительная обратная связь, как правило, является паразитной. Отрицательная обратная связь улучшает характеристики усилителя и уменьшает частотные и фазовые искажения.

       Обратная связь характеризуется коэффициентом обратной связи:

где U_ос – это напряжение обратной связи, которое составляет часть выходного напряжение, вырабатывается цепью обратной связи и подается на вход усилителя, U_вых – это выходное напряжение усилителя.

Усилители низкой частоты

       Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве (обмотка реле, катушка измерительного прибора и т.д.). Источниками входного сигнала могут быть звукосниматель, фотоэлемент и т.д. Как правило, входной сигнал довольно мал, и его значения недостаточно для нормальной работы усилителя. Поэтому перед усилителем мощности включается один или несколько предварительных усилительных каскадов, выполняющих функции усилителя напряжения.

Схема резистивного усилителя с общим эмиттером представлена на рис.2.5.1.

Входное напряжение подается между базой и эмиттером транзистора через разделительный конденсатор C_р1, что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей. Значение постоянной составляющей определяется напряжением источника E_к и сопротивлением резистора R_б. Изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R_н. Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки усиленное по амплитуде падение напряжения.

Усилители постоянного тока

       Усилители постоянного тока предназначены для усиления медленно меняющегося напряжения постоянного тока. В таких усилителях связь между усилительными каскадами осуществляется только через активное сопротивление. Невозможность использования в усилителях постоянного тока трансформаторов и конденсаторов приводит к тому, что всякое изменение постоянного напряжения на входе одного каскада усиливается всеми последующими каскадами. То есть, любой фактор, вызывающий перераспределение постоянных потенциалов в цепях усилителя, может создать на выходе усилителя эффект, равноценный действию рабочего сигнала. Самопроизвольное отклонение напряжения на выходе усилителя постоянного тока от начального значения называется дрейфом нуля усилителя и ограничивает применение усилителей постоянного тока. Основными причинами, вызывающими дрейф нуля, являются нестабильность источников питания, изменение входных и выходных параметров транзисторов с течением времени. Для снижения дрейфа нуля применяют балансные схемы усилителей постоянного тока.

       Схема параллельно-балансного транзисторного усилителя постоянного тока (рис.2.5.2.) представляет собой мост, двумя плечами которого являются коллекторные сопротивления R_к1 и R_к2, а двумя другими – транзисторы. В диагональ моста включено сопротивление нагрузки R_нагр.. Для стабилизации рабочих режимов транзисторов применяются делители напряжения R₁ и R₂ и эмиттерные сопротивления R_э, обеспечивающие отрицательную обратную связь по току. При подборе одинаковых транзисторов и резисторов можно добиться того, что разность напряжений между коллекторами частично открытых транзисторов при отсутствии сходного сигнала будет равна нулю. При подаче на входы разнополярных сигналов увеличивается коллекторный ток первого и уменьшается коллекторный ток второго транзисторов. При этом потенциал коллектора первого транзистора будет выше потенциала коллектора второго транзистора, в результате чего на нагрузке образуется выходное напряжение, равное разности потенциалов между точками К1 и К2.