Часть 1

Вопросы для самопроверки

1.Расскажите об основных структурных элементах ОУ.

2.Приведите параметры современных ОУ и их ориентировочное численное значение.

3.Что означает термин «динамическая нагрузка»?

4.Расскажите о применении компараторов и приведите типовую схему компаратора на ОУ.

Рекомендуемая литература

1.Электронные приборы / А. Л. Булычев [и др.]. – М. : ЛайтЛтд, 2000. – 416 с. : ил.

2.Гусев, В. Г. Электроника : учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. :

Высш. шк., 1991. – 622 с. : ил.

3.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352c. : ил.

Тема 10. Электронные усилители. Классификация и основные технические показатели усилителей

Термины: усилители, классификация, динамический диапазон,

входное и выходное сопротивление, полоса частот, коэффициент гармоник, ФЧХ, АЧХ, коэффициент частотных искажений, линейные и нелинейные искажения, межкаскадные связи.

10.1.Классификация усилителей

10.2.Основные технические показатели усилителей

10.3.Характеристики усилителей

10.4.Межкаскадные связи в усилителях

10.1. Классификация усилителей

Усилителем электрических сигналов называется устройство, позволяющее при наличии на его входе сигнала с некоторым уровнем мощности получить в нагрузке усилителя тот же сигнал, но с большим уровнем мощности.

191

Увеличение мощности выходного сигнала усилителя обеспечивается источником питания, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности выходного сигнала. Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала при помощи активных элементов (ламп, транзисторов и т.п.). Для связи активных элементов с источником входного сигнала и нагрузкой усилителя, а также для придания усилителю нужных частотных свойств применяют пассивные элементы электрических цепей: резисторы, индуктивности, емкости.

Усилитель имеет два входных и два выходных зажима и представляет собой электрический четырехполюсник.

Основной классификацией усилителей является классификация по диапазону усиливаемых частот:

1.Усилители низкой частоты (УНЧ) – диапазон усиливаемых частот от 10 Гц до 100 кГц (рис. 10.1).

2.Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон усиливаемых частот от 100 кГц до 100 МГц (см. рис. 10.1).

3.Усилители постоянного тока (УПТ). Они могут усиливать постоянный ток. Диапазон усиливаемых частот от 0 Гц до 100 Гц (см. рис. 10.1).

4.Импульсные усилители (ИУ) – широкополосные импульсные и видеоусилители. Частотный диапазон усиливаемых частот от 100 Гц до

100 МГц.

5.Избирательные, или резонансные усилители – это усилители, работающие в узком диапазоне частот.

При проведении классификации будем учитывать:

– характер входного сигнала;

– назначение усилителя;

– вид используемых активных элементов.

По второму признаку усилители можно разделить на усилители непрерывных сигналов и усилители импульсных сигналов (импульсные усилители). К первой (второй) группе относятся устройства для усиления сигналов, изменяющихся настолько медленно (быстро), что с процессом их установления в усилителе можно (нельзя) не считаться.

По третьему признаку усилители можно разделить на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от основной задачи: воспроизведение сигнала на более высоком уровне напряжения, тока или мощности.

192

Рис. 10.1. Полосы рабочих частот усилителей УПТ (а), УНЧ (б), УВЧ (в)

Во всех случаях происходит усиление мощности сигнала, но обычно под усилителями мощности понимают выходные каскады усилителя.

Четвертый признак характеризует усилитель по виду примененных в нем активных усилительных элементов, и в соответствии с этим усилители делятся на ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические и т.д.

Активные элементы усилителей. В практических схемах усилите-

лей наиболее широко используются ламповые и транзисторные усилительные элементы. Благодаря высокому входному сопротивлению участка сетка – катод лампа управляется напряжением источника входного сигнала, практически не забирая от него тока, а, следовательно, и мощности. Поэтому ламповый активный элемент позволяет получить очень большое усиление мощности сигнала. Помимо этого применение ламп обеспечивает усиление сигналов с широким спектром и хорошую линейность таких усилителей.

Недостатки ламповых усилителей: ограниченный срок службы, низкий кпд по анодной цепи, чувствительность к вибрациям, наличие цепи накала. Во многих случаях эти недостатки не играют существенной роли, поэтому усилители на электронных лампах все еще находят применение.

Транзисторы выгодно отличают от ламп малые размеры, превосходные частотные свойства, хорошая виброустойчивость, практически неограниченный срок службы.

Недостатки транзисторных усилителей: сравнительно малое входное сопротивление, температурная нестабильность параметров. Однако эти недостатки успешно преодолеваются промышленностью, поэтому транзисторы во все возрастающем количестве замещают лампы.

193

10.2.Основные технические показатели усилителей

1.Коэффициент усиления.

Kn = Uвых .

Uвх

Если коэффициент усиления недостаточен, применяются многокаскадные усилители (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Структура многокаскадного усилителя

В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада.

Коэффициент усиления измеряется в логарифмических единицах – децибелах:

К(дб) = 20lg К .

Децибелы применяют не только для сравнения двух величин. Они удобны и для оценок конкретных значений мощностей. При этом за условный нулевой уровень электрического сигнала принята мощность Р = 1 мВт, выделяемая на активном сопротивлении R = 600 Ом, в сфере кабельного телевидения и радиовещательных сетях используется абсолютная единица, называемая децибел-милливольт (дБмВ), когда 0 дБмВ соответствует напряжение 1 мВ, действующее на сопротивлении R = 75 Ом.

Широкое применение децибелов, особенно в акустике, объясняется свойством органов слуха (а также зрения) реагировать на раздражение в логарифмической зависимости. Например, если усилитель низких частот (УНЧ) развивает на выходе 10 Вт, то для того чтобы ухо ощутило вдвое большую громкость, понадобится почти десятикратное увеличение выходной мощности усилителя. 1 дБ улавливается ухом как едва заметное изменение громкости. Динамический диапазон человеческой речи составляет приблизительно 25 дБ, т.е. мощность громкого крика в 300 раз больше самого тихого шепота: К(дБ) = 10lg300 = 24,771 дБ.

194

2. Входное и выходное сопротивление. Эквивалентная схема усили-

теля представлена на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Эквивалентная схема усилителя (в том числе многокаскадного)

Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования входное сопротивление усилителя должно быть как можно больше, т.е. значительно больше внутреннего сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление – значительно меньше сопротивления нагрузки. Вопросы согласования возникают и в многокаскадных усилителях. Если два усилительных каскада не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними ставится эмиттерный повторитель, имеющий очень большое входное

ималое выходное сопротивление.

3.Выходная мощность и кпд усилителя. Выходная мощность мо-

жет быть определена по формуле:

Pвых = URвых2 .

н

Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, т.к. при большом выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счет нелинейности характеристик усилительных элементов. Поэтому вводится понятие номинальной выходной мощности. Это наибольшая выходная мощность при заданном коэффициенте искажений; кпд усилителя можно определить по следующей формуле:

h = Pвых. ×100%,

Pист.

где Рист. – мощность, потребляемая от источника питания.

4.Уровень собственных шумов состоит из следующих составляющих:

·Тепловые шумы при нагревании сопротивлений, емкостей.

·Шумы усилительных элементов.

·Шум за счет пульсаций источника питания.

195

5.Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя). Это полоса частот, в которой выходное напряжение (коэффициент усиления) уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной (заданной) величины (3 Дб).

6.Искажения усилителя возникают за счет нелинейности характеристик транзисторов. Искажения происходят за счет появления в спектре сигнала высших гармонических составляющих и характеризуются коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник).

Именно на основании численной величины Кг производится классификация усилителей по качественному критерию. Так, у профессиональных усилителей этот параметр не превышает сотых долей процента, а у низкосортных бытовых – десятки процентов. К сожалению, коэффициент гармоник не является постоянной численной величиной, его приводят в паспортных данных лишь для номинальной мощности, и он имеет тенденцию к увеличению с ростом уровня выходной мощности.

10.3.Характеристики усилителей

1.Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды вы-

ходного сигнала от амплитуды входного сигнала (рис. 10.4): Uвых. = f(Uвх.).

Рис. 10.4. Амплитудная характеристика

2. Динамический диапазон:

Д = 20 × lgUвх.max (дБ) .

Uвх.min

196

3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет со-

бой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала.

Uвых. = f (F) при Uвх = сonst .

Часто АЧХ представляют в виде зависимости Kn = f (F) при Uвх. =сonst

(рис. 10.5).

Рис. 10.5. Амплитудно-частотная характеристка

4. Зависимость коэффициента усиления от частоты характеризу-

ется коэффициентом частотных искажений. Коэффициент частотных искажений для низких частот (рис. 10.6) определяется соотношением:

Коэффициент частотных искажений для высоких частот (см. рис. 10.6) определяется соотношением:

Mвч = K у.ср. . Kу.в

Рис. 10.6. Определение коэффициента частотных искажений по АЧХ

197

5. В радиотехнике часто применяют нормированные АЧХ (рис. 10.7). Нормированная АЧХ представляет собой следующую зависимость:

Рис. 10.7. Нормированная АЧХ

6. Фазовая характеристика – это зависимость разности фаз между входными и выходными сигналами от частоты, ϕ = f(F) (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Фазочастотная характеристика (ФЧХ)

Линейные искажения

Линейные искажения возникают в двух случаях:

1)когда отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково;

2)когда фазовые сдвиги, которые приобретают гармонические составляющие сигнала, пройдя через усилитель, изменяют их взаимный сдвиг во времени.

Чтобы усилитель в полосе рабочих частот не вносил линейных ис- кажений, его АЧХ должна быть прямоугольной, а ФЧХ – линейной (рис. 10.9, а, б).

При наличии линейных искажений форма сигнала на выходе усилителя может отличаться от его формы на входе, но при этом новых частот в спектре выходного сигнала не возникает.

198

На рис. 10.9 цифрой 1 отмечены характеристики усилителя, не вносящего линейных искажений при усилении сигнала, а цифрой 2 – характеристики усилителя, вносящего искажения вследствие действия этих обоих факторов.

Чаще всего фазовые искажения не нормируются и линейные искажения оценивают коэффициентами МВ и МН. Обычно МВ = 0,10...1 и МН = 0,9...1,1.

Рис. 10.9. Идеальные (1) и реальные (2) АЧХ (а) и ФЧХ (б) усилителя

Однако при использовании усилителей для обработки телевизионных сигналов во избежание неправильной передачи яркости и цвета изображения нужно учитывать линейные искажения, возникающие из-за влияния нелинейности ФЧХ усилителей.

Нелинейные искажения

Причиной нелинейных искажений является прохождение сигнала через элементы, имеющие нелинейную вольт-амперную характеристику, например, лампу, транзистор, трансформатор, в результате чего искажается форма колебаний и изменяется их спектральный состав. Расчет величины нелинейных искажений сводится к определению амплитуды основной I1 и высших гармонических составляющих I2, I3 и оценивается коэффициентом гармоник.

Нормы на допустимые величины нелинейных искажений определяются назначением усилителя и имеют порядок 0,5 – 3,0 %. Для многокаскадного усилителя

Kг ≤ Кг1 + Кг2 + ... .

199

10.4.Межкаскадные связи в усилителях

10.4.1.Виды межкаскадных связей. Для увеличения коэффициента усиления могут применяться многокаскадные усилители. В этом случае между каскадами, а также между входом усилителя и источником сигнала или же между выходом усилителя и нагрузкой могут существовать следующие виды межкаскадных связей:

1. Резисторно-емкостная связь (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Схема двухкаскадного усилителя с резисторно-емкостной межкаскадной связью

Резисторно-емкостная связь является наиболее широко распространенной в усилителях переменного напряжения.

2. Трансформаторная связь (рис. 10.11).

Трансформаторная связь позволяет осуществить оптимальное согласование между каскадами путем подбора коэффициента трансформации трансформатора.

Недостатки:

∙Сравнительно большие габариты и вес трансформаторов.

∙Большие частотные искажения, так как сопротивления обмоток трансформатора зависят от частоты (ХL = ωL), поэтому трансформаторная связь применяется на низких частотах и в узком диапазоне.

200