3 Общие свойства усилителей электроических сигналов
3.1. Назначение, принцип действия и общая характеристика усилителей
При решении ряда производственных задач с использованием электронных устройств часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов, для чего используются электронные усилители. На основе электронных усилителей строятся схемы генерирования и преобразования аналоговых и цифровых сигналов. В процессе логической обработки цифровых сигналов логический уровень сигналов уменьшается, поэтому необходимо их усиление до требуемого значения. В оперативных запоминающих устройствах каждая запоминающая ячейка – триггер состоит из двух усилителей – ключей. Таким образом, любое электронное цифровое устройство состоит из огромного числа элементарных усилительных элементов.
Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного электрического сигнала Рвх до требуемого значения на выходе Рвых = Uвых * Iвых. Усиление маломощного входного сигнала происходит с помощью активных элементов за счёт использования энергии внешнего источника питания значительно большей мощности. В любом усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку
Принцип действия усилителя можно пояснить с помощью схем простейших усилительных каскадов, приведённых на рис. 3.1. Основой усилителя являются два элемента: сопротивление Rк (или Rc) и активный элемент АЭ (например, биполярный транзистор рис 3.1,а или полевой транзистор рис 3.1,б).
Рис 3.1. Простейший усилитель на транзисторе: а) биполярном, б) полевом.
Под
воздействием входного сигнала uвх
изменяются
входной (Iб)
и выходной (Iк)
токи. Выходной ток (
)
значительно превышает входной
(транзисторный эффект). В результате
в такт с изменением входного сигнала,
изменяется падение напряжения на
сопротивлении Rк,
а следовательно, и выходное напряжение
uвых=
Е –
Iк*Rк.
При правильно спроектированном
усилителе не трудно получить uвых
> uвх.
и Рвых
>Рвх.
При использовании полевого транзистора
с изолированным затвором ток от
источника входного сигнала вообще
не потребляется и поэтому Рвх
=
0. Очевидно, что в обоих схемах
усилителя процесс усиления основан
на преобразовании энергии источника
питания E
в энергию выходного напряжения Рвых
=
Uвых
* Iн.
3.2. Общие свойства, классификация и типы усилителей
Функциональная схема электронного усилителя представлена на рис. 3.2,а и 3.2,б, где усилитель показан в виде активного четырёхполюсника, ко входным зажимам 1 и 2 которого подключается источник входного сигнала в виде источника ЭДС Ес и его внутреннего сопротивления Rc (рис. 3.2,а) или в виде источника тока Ic с внутренним сопротивлением Rc (рис. 3.2,б). Нагрузка Rн подключается к выходным зажимам 3 и 4 четырёхполюсника. Ни источник входного сигнала, ни нагрузка не являются частями усилительного каскада, но, как будет показано ниже, играют значительную роль в его работе.
Усилитель
может быть представлен своими входным
и выходным сопротивлениями и источником
выходного напряжения кuвх
(рис. 3.2,а) или источником выходного
тока Кi
Iвх
(рис. 3.2,б).
Рис.
3.2. Функциональные схемы усилителя:
а) с источниками напряжения; б) с источниками тока.
Входное сопротивление усилителя rвх подключается параллельно источнику входного сигнала. Оно представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя по переменному току. На этом сопротивлении выделяется часть энергии входного сигнала, которая в усилителе управляет энергией источника питания значительно большей мощности. Благодаря применению активного управляющего элемента и мощного источника питания появляется возможность усиливать мощность входного сигнала.
Для входной цепи усилителя с источником напряжения можно записать
(3.1)
При
условии, что
потери на внутреннем сопротивлении
источника входного сигнала будут
незначительными и
В этом случае говорят, что усилитель
имеет «потенциальный
вход»,
т. е. усилитель почти не изменяет
потенциал источника входного сигнала.
Если,
наоборот,
то на небольшом входном сопротивлении
усилителя будет присутствовать лишь
малая доля ЭДС Ес
входного сигнала.
Для входной цепи усилителя с источником тока
(3.2)
При условии, что Rc >> rвх, почти весь ток источника входного сигнала будет ответвляться во входное сопротивление усилителя и Iвх ≈ Ic.
Таким образом, при большом входном сопротивлении усилителя управление его активными элементами целесообразно осуществлять при помощи источника напряжения, а при малом – при помощи источника тока.
Выходную цепь усилителя также можно представить либо в виде источника напряжения кuвх (рис. 3.2,а), либо в виде источника тока кiIвх (рис. 3.2,б), имеющих внутреннее сопротивление ri. Наличие выходных источников напряжения ли тока отражает усилительные свойства усилителей, характеризуемые в первом случае коэффициентом усиления по напряжению к, а во втором – по току кi. При условии, если Rн >> ri, то в схеме усилителя с источником напряжения (рис. 3.2,а) в нагрузку передаётся максимальная часть ЭДС источника кuвх и лишь малая доля падает на его выходном сопротивлении ri.
Если Rн << ri, то в схеме с источником тока (рис. 3.2,б), через сопротивление нагрузки протекает большая часть тока кiIвх и меньшая часть замыкается через его выходное сопротивление ri. Таким образом, при малом выходном сопротивлении усилителя в нагрузку передается максимальное напряжение, а при большом – максимальный ток. При этом в обоих случаях мощность, передаваемая от усилителя в нагрузку, не будет максимальной. Для передачи максимальной мощности от усилителя в нагрузку требуется согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки. Для вывода условия согласования запишем выражение для определения мощности выходного сигнала на нагрузке усилителя по схеме рис 3.2,а:
(3.3)
Продифференцировав
полученное выражение и приравняв
производную к нулю (
),
получаем условие согласования:
(3.4)
Таким
образом, для передачи в нагрузку
максимального значения напряжения,
тока или мощности необходимо обеспечить
выполнение следующих соотношений,
соответственно:
Электронные усилители условно разделяют на усилители напряжения, тока и мощности.
Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузке заданную величину напряжения uвых, что выполняется при соблюдении условий Rc << rвх и Rн >> ri, обеспечивающих относительно большие изменения напряжения на нагрузке при небольших изменениях токов во входной и выходной цепях.
Усилитель тока обеспечивает протекание в выходной цепи заданного тока при малых значениях напряжения, что выполняется при соблюдении условий Rс >> rвх и Rн << ri.
Для усилителя мощности условия согласования сопротивлений входной и выходной цепи с сопротивлением источника входного сигнала и нагрузкой имеют вид: rвх = Rc и ri = Rн).
В зависимости от скорости изменения или диапазона частот входных сигналов применяются различные типы усилителей:
постоянного тока – от 0 до десятков Гц;
низкой частоты – десятки Гц – десятки кГц;
высокой частоты – сотни кГц – сотни МГц;
импульсные или широкополосные – десятки Гц – сотни МГц;
узкополосные или избирательные.
Если один усилительный каскад не обеспечивает заданное значение коэффициента усилеия, то применяют последовательное соединение каскадов. При этом в качестве нагрузки первого усилительного каскада используется входная цепь второго усилительного каскада, выход которого подключается ко входу третьего усилительного каскада и т. д. Такой усилитель, состоящий из нескольких ступеней усиления, называют многокаскадным.
Таким образом, по структуре различают одно- и многокаскадные усилители, а по способу соединения (связи) каскадов — усилители с конденсаторной, трансформаторной, резистивной и непосредственной связями.