3. Транзисторные усилители

3.1. Общая характеристика усилителей

Усилитель — один из основных узлов различной аппаратуры в устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники. Классифицировать усилители целесообразно по роду используемых в них элементов: гидравлические, пневматические, магнитные, электромашинные, диэлектрические, на электронных лампах, на оптронах и т. п. В информационных системах наиболее распространены электронные усилители электрических сигналов на полупроводниковых приборах.

Электронные усилители удобно классифицировать по диапазону частот усиливаемых электрических сигналов.

1. Усилители низкой частоты (УНЧ). Частотный спектр сигналов лежит в пределах от десятков Гц до десятков кГц. Отношение верхней частоты к нижней f_в/f_н — от нескольких десятков до нескольких тысяч.

2. Усилители постоянного тока (УПТ), точнее, усилители медленно меняющихся сигналов. Диапазон частот от f_н=0 до f_в, нередко достигающей десятков и даже сотен кГц. Этот вид усилителей особенно широко используется в вычислительной и информационной технике.

3. Избирательные усилители. Они усиливают сигналы в очень узкой полосе частот (f_в/f_н< 1,1). Их нагрузкой служат резонансные колебательные контуры, поэтому их называют также резонансными (полосовыми) и широко используют в радиоприемной аппаратуре при передаче информации.

4. Широкополосные (импульсные) усилители. Их частотный спектр распространяется от нескольких кГц (и ниже) до нескольких МГц (и выше). Они широко применяются в устройствах связи, радиолокации, телевидения и вычислительной техники (в частности, при выводе информации на дисплеи), где усиленный сигнал воспроизводится визуально на электроннолучевых трубках, поэтому их называют также видеоусилителями.

В зависимости от характера нагрузки и назначения различают также усилители: напряжения, тока и мощности, хотя такое деление условно, так как в любом случае по существу усиливается мощность.

Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителей.

Коэффициент усиления. Коэффициент усиления по напряжению k_U=U_вых/U_вх различных усилителей достигает десятков тысяч. Часто для достижения необходимого k_U используют многокаскадные усилители, в которых U_вых предыдущего каскада является U_вх для следующего и общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каскадов:

Рис. 18. Усилитель как четырехполюсник

Коэффициент усиления — величина безразмерная. В ряде случаев принято усилительные свойства выражать в логарифмических единицах — децибелах:

Обратный переход осуществляют по формуле Для многокаскадного усилителя:

Используют также коэффициенты усиления по току k_I и мощности k_P, которые также можно выражать в децибелах:

потому что мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока (P=U²/R=I²R).

Входное и выходное сопротивление. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого присоединен источник усиливаемого сигнала с ЭДС Е_вх и внутренним сопротивлением R_вт, а к выходным — сопротивление нагрузки R_н. Для выходной цепи усилитель представляет источник ЭДС Е_вых с внутренним сопротивлением R_вых (рис. 18).

Для усиливаемого сигнала усилитель характеризуется входным сопротивлением R_вх=U_вх/I_вх. Сопротивление R_вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке.

Протекающий от источника сигнала в усилитель ток и входное напряжение определяют формулами

Выходная мощность. При чисто активной нагрузке и синусоидальном напряжении

где U_вых и U_выхm — действующее и амплитудное значения выходного напряжения; I_выхm — амплитуда тока в нагрузке.

Рабочий диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания). Это такая область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо для того или иного вида усилителей (например, в УНЧ изменение k не должно превышать 3 дБ). Расширение полосы частот связано с усложнением схемы усилителя, поэтому обычно частотный диапазон сужают до минимальных пределов, в которых еще возможна качественная работа усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика. Это зависимость коэффициента усиления (по напряжению) от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид ее для УНЧ показан на рис. 19, а.

Фазочастотная характеристика. Она представляет зависимость угла сдвига фаз  между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты сигнала и имеет вид, приведенный на рис. 19, б.

Нелинейные искажения. Они представляют собой изменения формы кривой усиливаемого сигнала. Основная причина их возникновения — нелинейность характеристик усилительных элементов. На рис. 19, в в качестве примера приведена входная характеристика транзистора с ОЭ и показано, как искажается форма тока I_Б (t), т. е. входного тока усилителя, по сравнению с синусоидальной формой входного напряжения U_вх(t).

Рис. 19. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики усилителя и возникновение нелинейных искажений сигнала (в)

В результате нелинейных искажений выходное напряжение усилителя содержит кроме основной (первой) еще и высшие гармонические составляющие. Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений, представляющим квадратный корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:

или близким к нему коэффициентом гармоник

где U₁, U₂,...,U_n — действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т. д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе.