1.3Линейные усилители и их классификация

Усиление электрических сигналов небольшой мощности производится в основном усилителями на биполярных и полевых транзисторах. В зависимости от значения нижней граничной частоты усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока. Современные УПТ способны усиливать и переменные сигналы, верхняя частота спектра которых достигает значения 100 МГц. Усилители переменного тока усиливают лишь гармонические составляющие сигнала в определенной полосе частот: от нижней F_Н до верхней F_В. Среди усилителей переменного тока различают усилители низких (звуковых) частот (УНЧ и соответственно УЗЧ), усилители промежуточных частот (УПЧ), усилители высоких частот (УВЧ), усилители сверхвысоких частот (УСВЧ), узкополосные (избирательные) и широкополосные (импульсные) усилители. Усилителям низких частот свойственно усиление сигналов в частотном диапазоне от десятков герц до десятков килогерц. УПЧ применяются в диапазонах от сотен килогерц до десятков мегагерц. УВЧ и УСВЧ усиливают сигналы от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

Избирательные усилители работают в узкой полосе частот — они делятся на резонансные и полосовые усилители. Отношение рабочей полосы частот к несущей частоте (F_В – F_Н)/F₀ составляет в них 0,005...0,1. На выходе резонансных усилителей обычно включены колебательные контуры.

Усилители, ширина полосы рабочих частот которых соизмерима с ее средней частотой, относят к широкополосным. Они усиливают импульсные сигналы.

1.4Апериодический усилитель

Если нагрузкой усилителя является параллельное соединение резистора и конденсатора (имеется ввиду, полная нагрузка, включающая вспомогательные цепи), то его называют апериодическим. Наиболее распространены апериодические УНЧ и УЗЧ, но могут быть также апериодические УПТ и УВЧ. Схема примера апериодического усилителя (АУ) приведена на рисунке 1.8.

Рис. 1.8 Апериодический усилитель

С хема замещения АУ на основе двухполюсной схемы замещения биполярного транзистора приведена на рисунке 1.9.

Рис. 1.9 Схема замещения апериодического усилителя

Резистор представляет собой параллельное соединение резисторов и . Конденсатор – емкость нагрузки. Емкость также входит в состав проводимости , но, в большинстве случаев, она значительно меньше . Емкости уменьшают коэффициент усиления усилителя в области высоких частот. Коэффициент усиления по напряжению согласно схеме замещения определяется следующим выражением:

,

(1.6)

где – действительная часть проводимости (активное внутреннее сопротивление транзистора);

– проводимость нагрузки и коллекторного резистора;

– суммарная емкость нагрузки и транзистора.

После некоторых преобразований выражение для коэффициента передачи приобретает вид:

,

(1.7)

где – максимум коэффициента усиления по напряжению;

– постоянная времени цепи.

По форме выражение совпадает с коэффициентом передачи низкочастотной RC-цепи (Рисунок 1.10), но в силу активности цепи может быть больше единицы. Кроме того, рассмотренный апериодический усилитель инвертирует входной сигнал. Это приводит к отрицательному знаку коэффициента усиления.

Рис. 1.10 Низкочастотная RC-цепь и ее коэффициент усиления

АЧХ апериодического усилителя есть модуль :

,

(1.8)

График АЧХ:

Рис. 1.10 АЧХ апериодического усилителя

ФЧХ апериодического усилителя есть аргумент :

,

(1.9)

График ФЧХ:

Рис. 1.11 ФЧХ апериодического усилителя

Рассмотренный усилитель позволяет получить сравнительно не большое усиление в десятки, реже в сотни раз. Для получения более высоких значений коэффициента усиления используют каскадное соединение усилителей. Каскады не влияют друг на друга, если выходное сопротивление предыдущего усилителя много меньше входного сопротивления следующего за ним усилителя. В этом случае общий коэффициент усиления будет равен произведению частных коэффициентов:

,

(1.10)

Если все коэффициенты одинаковы:

,

(1.11)

Из данной формулы может быть определена частота среза усилителя:

(1.12)

Вывод: с ростом числа каскадов коэффициент усиления возрастает, как степень n, а полоса пропускания усилителя уменьшается. Это означает, что для построения многокаскадного усилителя с заданной полосой пропускания, полосы пропускания каскадов необходимо выбирать большими, чем полоса пропускания всего усилителя. Например, в двухкаскадном усилителе каждый каскад имеет полосу пропускания в раза больше полосы пропускания усилителя.