Тема 2. Усилители переменного и постоянного тока
Лекция 5. Общие сведения об электронных усилителях
1. Структура электронного усилителя.
2. Классификация усилителей.
3. Основные показатели и характеристики усилителей.
Литература: 1. Опадчий Ю.Ф.и др. Аналоговая и цифровая электроника
(Полный курс): Учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П.
Глудкин, А. И. Гуров; Под ред. О. П. Глудкина. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2002.
2. Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника: Учеб. пособие.
4-е изд. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004.
3. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –
4-е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004.
1 Структура электронного усилителя
Э
лектронным
усилителем
называется устройство, преобразующее
маломощный входной электрический сигнал
в сигнал гораздо большей мощности,
поступающий в нагрузку с минимальными
искажениями его формы.
Усиление
мощности сигнала в усилителе осуществляется
за счет потребления усилителем энергии
от дополнительного
источника,
называемого источником
питания.
Следовательно, усилитель
представляет собой устройство,
входной сигнал которого управляет
преобразованием энергии источника
питания в энергию выходного сигнала.
Обобщенная схема включения усилителя приведена на рисунке 1.
Рисунок 1
Источниками входных сигналов могут быть различные преобразователи как электрических, так и неэлектрических величин в электрические: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых-сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.
Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой. В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в неэлектрическую. Например, телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах; например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.
Электронный усилитель может быть однокаскадным, двухкаскадным или многокаскадным. В общем случае усилитель состоит из нескольких каскадов, к первому из которых подключают источник сигнала, а к выходу последнего – нагрузку. Необходимость в использовании нескольких каскадов обусловлена, в первую очередь, тем, что сигнал, передаваемый от источника к нагрузке предварительно необходимо усилить в тысячи – десятки тысяч и более раз. При использовании в усилителе в качестве активного элемента, например, биполярного транзистора с коэффициентом передачи тока базы 50 … 100, задача может быть решена только в том случае, если последовательно включить несколько каскадов усиления. Кроме этого часто возникает необходимость согласовывать выходное сопротивление источника сигнала со входным сопротивлением усилителя либо выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки.
Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.
В состав усилителя входят следующие элементы:
оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для выделения полезной мощности в цепи нагрузки (Н);
предоконечный каскад (ПОК), предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным и в его плечах находятся транзисторы одинакового типа проводимости, предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;
Р
исунок
2
каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;
выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечных транзисторов, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;
входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;
цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или частъ каскадов предварительного усиления;
устройство безынерционной защиты от перегрузки усилителя по выходу (УБЗ);
источник питания и фильтры ФП в цепях питания каскадов предварительного усиления.
Однако в каждом частном случае структурная схема усилителя может содержать не все элементы, показанные на рисунке 2. Так, в случае использования однотактного оконечного каскада небольшой мощности предоконечный каскад ПОК не отличается от обычного каскада предварительного усиления и потому не должен рассматриваться как особый элемент структурной схемы. Кроме того, могут отсутствовать устройства безынерционной защиты или другие элементы, показанные на рисунке 2.