Глава 5.Підсилювач електричних сигналів
5.1. Загальна структура і типи підсилювачів
Підсилення — це найпростіший і базовий вид будь-яких перетворень електричних сигналів. Навіть у тих випадках, коли для виконання основної функції (наприклад, перетворення спектрів сигналів) досить мати тільки нелінійний елемент, тобто діод, використовують підсилювальні елементи — транзистори, які переводять у нелінійні режими роботи з метою перетворення та підсилення сигналів.
Підсилення — це збільшення амплітуди напруги, струму або потужність електричних сигналів завдяки енергії джерела живлення (як правило, джерела постійного струму). Для виконання цієї операції будують одно- або багатокаскадні підсилювачі, що складаються з підсилювальних елементів, навантаження у вигляді електричного фільтра і допоміжних елементів, які забезпечують установлення та стабілізацію положення РТ для забезпечення заданого режиму роботи підсилювального елемента.
Щоб стабілізувати роботу й одержати бажані характеристики та параметри, підсилювачі охоплюють різними видами ЗЗ для передачі частини підсиленого сигналу з виходу на вхід. Ці зв’язки можуть бути не тільки внутрікаскадними, а й міжкаскадними. На рис. 5.1, а показано узагальнену структурну схему підсилювального каскаду.
Підсилювальними елементами в електронних підсилювачах можуть бути транзистори, інтегральні мікросхеми, електронні лампи. Залежно від вибору положення РТ й амплітуди діючого на вході сигналу підсилювальні елементи можуть використовуватись у лінійному або нелінійному режимі. Відповідно одержують лінійні та нелінійні підсилювачі.
Як відомо, підвищити потужність сигналу можна збільшенням напруги або струму. Відповідно каскади називають підсилювачами напруги або підсилювачами струму. Якщо ж збільшення потужності сигналу досягається одночасним збільшенням напруги і струму, то такий каскад називають підсилювачем потужності. Підсилювачі потужності працюють, як правило, в нелінійному режимі. На основі нелінійних підсилювачів будують також генератори та перетворювачі спектрів електричних сигналів.
Рис. 5.1. Узагальнена структурна схема підсилювального каскаду (а) і класифікації
підсилювачів та їх застосування (б)
Класифікацію підсилювачів і їх застосування ілюструє рис. 5.1,б. Залежно від спектра частот підсилюваних сигналів розробляють: підсилювачі постійного струму (ППС) з нижньою граничною частотою, що прямує до нуля; підсилювачі звукових частот (ПЗЧ) зі смугою частот підсилюваних сигналів 20.. .20 000 Гц; відеопідсилювачі (ВП) зі смугою частот 20 Гц .–. 10 МГц; підсилювачі радіочастот (ПРЧ) з частотами сигналів вище 100 кГц. Частотний діапазон підсилювача залежить в основному від виду навантаження і типу ЗЗ, а на досить високих частотах — також від частотних властивостей підсилювального елемента. Окрему групу підсилювачів становлять операційні підсилювачі (ОП) та підсилювачі зі спеціальними видами АХ.
5.2. Аналіз властивостей аперіодичного підсилювального
каскаду
Для підсилення широкосмугових сигналів найчастіше застосовуються аперіодичні підсилювачі. Вони ж є основою для створення підсилювальних мікросхем і вибірних підсилювачів, побудованих на -елементах. На. рис. 5.2 показано принципові схеми каскадів транзисторних аперіодичних підсилювачів. Основними їхніми складовими є транзистор, навантажувальний резистор та допоміжні елементи, які для уніфікації на обох схемах мають однакові літерно-цифрові позначення.
Транзистор забезпечує перетворення
енергії джерела постійного струму на
енергію підсиленого сигналу, напруга
якого виділяється на навантажувальному
резисторі
.
Роздільні конденсатори
забезпечують відокремлення кіл постійного
струму каскаду від джерела сигналу
(вихідного кола попереднього каскаду)
і зовнішнього навантаження (вхідного
опору наступного каскаду). Конденсатор
усуває негативний ЗЗ за змінним струмом,
що виникає завдяки резистору
.
Вибір номіналів і призначення елементів
,
,
розглянуто в гл. 3.
Повний опір навантаження аперіодичного
підсилювального каскаду з урахуванням
наступного каскаду складається з
власного опору навантаження
,
вхідного опору
і вхідної розподіленої ємності
наступного каскаду, які відносно сигналу
ввімкнені паралельно. Разом із роздільним
конденсатором
вони утворюють аперіодичний фільтр,
елементи якого визначають частотний
діапазон підсилювача.
Рис. 5.2. Принципові схеми каскадів аперіодичних підсилювачів на біполярному (а) і
польовому (б) транзисторах
Аналіз роботи каскаду ведемо за такої
умови: ємність конденсатора
настільки велика, що напругою ЗЗ на
резисторі
можна знехтувати в усьому діапазоні
частот. Напругою сигналу на внутрішньому
опорі джерела живлення теж нехтуємо, а
вхідна напруга
настільки мала, що транзистор можна
вважати лінійним елементом і замінити
лінійним еквівалентним чотириполюсником.
Отже, розглядаємо аперіодичний
підсилювальний каскад як з'єднання
активного (транзистор) та пасивного
(
-фільтр)
чотириполюсників, що відображено на
рис. 5.3.
На середніх частотах ємності і слабко впливають на властивості каскаду, і його коефіцієнт передачі
.
(5.1)
На низьких частотах можна знехтувати лише впливом ємності , а на високих — Отже, якщо аналогічним способом визначити коефіцієнти передачі каскаду для цих двох частин діапазону і звести все до єдиної формули, то дістанемо
,
(5.2)
де
та
— сталі часу каскаду для верхніх і
нижніх частот діапазону
Рис. 5.3. Повна еквівалентна схема підсилювального каскаду
З аналізу еквівалентної схеми маємо
;
,
(5.3)
де
,
,
— високочастотні параметри транзистора.
На підставі (5.2) знаходимо нормовані за напругою амплітудно-частотну та фазочастотну характеристики каскаду:
(5.4)
Як бачимо, частотні властивості
підсилювального каскаду повністю
визначаються параметрами тих аперіодичних
фільтрів, з яких складається його
навантаження. Для рівня частотних
спотворень
маємо
;
.
(5.5)
З рівнянь (5.5) при заданих сталих часу
можна визначити граничні частоти смуги
пропускання каскаду. При послідовному
з'єднанні кількох ідентичних аперіодичних
підсилювальних каскадів смуга пропускання
підсилювача внаслідок множення буде
вужчою за смугу пропускання окремого
каскаду. Можна довести, що граничні
частоти
-каскадного
аперіодичного підсилювача відрізняються
від граничних частот одно каскадного
в
разів.
Спотворення сигналу, які відбуваються
через частотні властивості електричних
кіл підсилювального каскаду, називаються
лінійними. Їх можна зменшити
застосуванням у схемі каскаду
коректувальних елементів. Найпростішим
способом низькочастотної корекції є
вмикання послідовно з навантажувальним
резистором
додаткового резистора
,
який зашунтовано конденсатором
(рис. 5.4, а). В такій схемі зі зниженням
частоти опір навантаження зростає, що
приводить до збільшення підсилення і
розширення смуги пропускання каскаду.
Ємність конденсатора
визначають за формулою
.
(5.6)
Якщо її вибрати меншою, то в низькочастотній частині діапазону спостерігатиметься підняття АЧХ каскаду.
Рис. 5.4. Принципові схеми каскадів аперіодичних підсилювачів з низькочастотною (а)
і високочастотною (б) корекціями АЧХ
Найпростішим способом високочастотної корекції є вмикання послідовно з навантажувальним резистором котушки (рис. 5.4, б), індуктивність якої розраховують за формулою
,
(5.7)
де — коефіцієнт корекції, що дорівнює 0,35 (це відповідає еквівалентній добротності утвореного паралельного контуру, яка дорівнює 0,6, і збільшує верхню граничну частоту каскаду в 1,7 раза).
Рис. 5.5. Вхідна (а) і вихідна (б) ВАХ транзистора та діаграми струмів і напруг на його
електродах при малій (1), середній (2) та великій (3) амплітудах сигналу на вході
аперіодичного підсилювального каскаду
Якщо лінійні спотворення сигналу обмежують частотний діапазон аперіодичного підсилювального каскаду, то нелінійні — його динамічний діапазон. Ці спотворення виникають унаслідок невдалого вибору положення РТ транзистора та збільшення амплітуди вхідного сигналу. На рис. 5.5 показано діаграми гармонічного сигналу на вході й виході аперіодичного підсилювального каскаду, накладені на ВАХ транзистора. Для сигналу 1 каскад є повністю лінійною системою, амплітуда сигналу 2 — граничною, при якій нелінійні спотворення сигналу ще незначні. Для сигналу 3 спостерігаються значні нелінійні спотворення, зумовлені відсіканням колекторного струму транзистора. Ці відсікання можуть бути одно- або двобічними залежно від початкового положення РТ транзистора та його навантаження за змінним струмом. Зменшенню нелінійних спотворень сигналу сприяє застосування негативних ЗЗ в однокаскадних й, особливо багатокаскадних аперіодичних підсилювачах.