1. Классификация, основные параметры и характеристики усилителей
На практике в устройствах промышленной электроники в большинстве случаев для получения необходимой полезной выходной мощности в нагрузке одного каскада недостаточно. Поэтому применяют многокаскадные усилители, собираемые из нескольких последовательно соединенных одиночных усилительных каскадов. В блок-схеме (рис. 1) в качестве датчиков, преобразующих почти любой неэлектрический сигнал во входной электрический сигнал могут использоваться различные источники ЭДС, например микрофон, антенна, фотоэлемент, фотодиод, фоторезистор, фотоэлектронный умножитель, терморезистор, тензорезистор, тахогенератор, пьезоэлектрический преобразователь, считывающая головка с магнитофонной, перфорированной или фотографической ленты, биотоки, индуктивные или емкостные датчики давления, перемещения, плотности уровня и т. д.
В блок-схеме многокаскадного усилителя первый входной каскад t предназначен для согласования сопротивления датчика входного сигнала со входным сопротивлением усилителя при одновременном усилении входного сигнала по току или напряжению.
Рис. 1. Блок-схема многокаскадного усилителя
Последний - оконечный, или выходной, каскад является каскадом усиления мощности, передаваемой в полезную нагрузку.
Все остальные промежуточные каскады, включая предоконечный каскад, обеспечивают усиление полезного сигнала по напряжению или току до величины, необходимой для оптимальной работы выходного каскада, при которой отбирается в нагрузку максимально возможная полезная мощность каскада при допустимой величине нелинейных искажений.
На блок-схеме пунктиром показаны цепи отрицательной обратной связи b1 и b2, которые, уменьшая коэффициент усиления, улучшают другие более важные качественные показатели усилительного устройства.
Многокаскадные усилители характеризуются следующими признаками, параметрами и характеристиками. По разным признакам различают:
1) усилители на электронных усилительных лампах, на транзисторах, на тиристорах, на туннельных диодах, на микросхемах и т. п.;
2) по количеству усилительных каскадов - двух-, трех- и более каскадные усилители;
3) по частотным свойствам - усилители напряжения или тока низкой частоты (НЧ), высокой частоты (ВЧ), промежуточной частоты (ПЧ), ультразвуковой частоты (УЗКЧ), узкополосные и широкополосные усилители, усилители постоянного тока (УПТ);
И т.д.
Приведем основные характеристики многокаскадных усилителей.
1. Амплитудная характеристика, показывающая зависимость величины выходного напряжения усилителя от величины входного напряжения при постоянной частоте усиливаемого сигнала, то есть Uвых = f(Uвх) при f = = соnst » 400 или 1000 Гц (рис. 2, а). Чтобы нелинейные искажения не превышали допустимой величины, используется только линейный участок амплитудной характеристики.
Наличие внутренних шумовых помех приводит к тому, что при отсутствии входного сигнала (Uвх = 0) на выходе усилителя имеется выходное напряжение Uвых = Uшума.
2. Частотная (или амплитудно-частотная) характеристика, показывающая зависимость величины коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала при неизменной величине входного напряжения, то есть К = Uвых / Uвх = j(f) при Uвх = соnst.
На частотной характеристике, показанной на рис. 2, б, различают три области: а) область низкой частоты; б) область средней частоты; в) область верхней частоты.
Рис. 2. Характеристики усилителей: а - амплитудная; б - частотная
(или амплитудно-частотная); в - фазовая
Эта характеристика показывает, что наибольшее усиление полезного сигнала происходит в области средних частот, а в областях низкой и верхней частот происходит завал характеристики, обусловленный реактивными (емкостными) элементами в схеме усилителя.
На этом графике показана рабочая полоса частот в пределах от верхней граничной частоты до нижней граничной частоты, то есть Df = fв гран - fн гран, где завал частотной характеристики не превышает допустимую величину более чем на 30% от коэффициента максимального усиления. Обычно ось абсцисс частотной характеристики строят в логарифмическом масштабе, чтобы очень сильно не растягивать график.
3. Фазовая характеристика, показывающая величину угла сдвига фазы j между фазой выходного сигнала и фазой входного сигнала в зависимости от частоты сигнала, то есть j = y(f).
На графике (рис. 2, в) видно, что фазовый угол сдвига j между выходным и входным напряжениями в области средних частот примерно равен нулю, а в областях нижней и верхней частот допустимая величина этого угла примерно равна j » p/4 = 45°.
Нужно иметь в виду, что фазовые искажения связаны с наличием реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) в схемах усилительных устройств. Фазовые искажения существенное значение имеют в осциллографической, телевизионной, радиолокационной, импульсной и т. п. технике. В усилителях звуковой частоты они не оказывают заметного влияния на восприятие звукового сигнала человеком.
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада