Глава 5. Усилители энергии сигналов

5.1 Принципы усиления энергии сигналов

Усиление энергии электрических сигналов – фундаментальное, исключительно важное свойство аппаратурных средств обра­ботки сигналов, которое очень широко используется для совер­шенствования технических показателей различных радиотехниче­ских устройств. В первую очередь это относится к РПрУ, на вход которых поступает сигнал очень малой мощности, а оконечные устройства требуют мощности сигнала на несколько порядков большей. Увеличение мощности (энергии) сигнала при сравнительно точном сохранении его формы называют усилением, а устройство, с помощью которого этот эффект достигается, – усилительным. Принцип усиления электрических сигналов поясняется функциональной схемой усилительного уст­ройства (УУ) – рис. 5.1.

Рис. 5.1 – Функциональная схема усилительного уст­ройства

Усилитель совместно с источником пи­тания (ИП) образует усилительное устройство – рис. 5.1. Усилитель имеет входную цепь (клеммы 1—1) и выходную цепь (клеммы 2—2). К входным клеммам 1—1 (во входную цепь) подключается ис­точник электрического сигнала (ИЭС) малой энергии. Это может быть детектор сигналов амплитудной или частотной модуляции, выход предыдущего усилительного каскада, антенна и т.д.

К выходным клеммам 2—2 (в выходную цепь) подключается нагруз­ка. Нагруз­кой может быть: вход последующего усилительного каскада, головные телефоны, громкоговоритель, линия связи и т. д.

В связи с воз­можностью работы от самых разнообразных источников сигналов, при различных видах сигналов и на разную нагрузку усилители электрических сигналов получили очень широкое распространение и в составе радиотехнических систем и устройств, и как самостоя­тельные устройства.

Усиление электрических сигналов – частный вид уп­равления электрической энергией и характеризуется тремя особенностями:

1. При усилении аналоговых электрических сигналов управле­ние энергией может осуществляться как плавно, постепенно, так и скачкообразно. Как правило, управление производится плавно.

2. Усиление электрического сигнала по мощности имеет место в том случае, если усилительное устройство имеет источник энер­гии, за счет которого и увеличивается мощность сигнала на выхо­де. Обычно в качестве источника энергии используют источник постоянного тока, от которого усилитель отбирает постоянную мощность Р₀ (см. рис. 5.1). Эту мощность усилитель преобразует в мощность полезного электрического сигнала Р_~ = Р_ВЫХ, которая вы­деляется в нагрузке. В качестве элемента или прибора, который преобразует мощность источника питания Р₀ в мощность выходного сигна­ла Р_ВЫХ, используются электронные при­боры – усилительные элементы (УЭ): транзисторы (БТ, ПТ), составные транзисторы, интегральные микросхемы (ИМС), электронные лампы (ЭЛ) и др. При этом УУ называют электронным. В качестве пре­образовательных элементов в усилителях используют и другие электронные приборы. Например, в параметрических усилителях используют полупроводниковые диоды – варикапы. Мощность источника питания в таких усилителях формируется как мощность переменно­го тока. Такой источник питания обычно называют генератором накачки.

3. Для управления процессом преобразования энергии на вход усилителя подают малую мощность Р_ВХ. Эта мощность создается источником сигнала. Очень часто это независимый ис­точник. Чем больше Р_ВЫХ по сравнению с Р_ВХ, тем лучше эффект усиления.

Сам усилитель является управляемым источником сигнала ­– его называют также неавтономным или за­висимым источником. Итак, при усилении источник сигнала малой мощности Р_ВХ управляет работой УЭ по преобра­зованию большой мощности источника питания Р₀ в мощность выходного сигнала Р_ВЫХ. Очевидно, Р_ВЫХ < Р₀. В оконечных каскадах уси­лителя эти мощности близки по величине, и отношение Р_ВЫХ / Р₀ определяет коэффициент полезного действия усилителя.

Для анализа технических показателей и характеристик УУ не­зависимые источники сигнала представляют в виде эквивалент­ной электрической схемы генератора ЭДС _Г с внутренним сопро­тивлением Z_Г или генератора тока _Г с выходной проводимостью Y_Г, причем _Г = _Г Z_Г; Z_Г = 1 / Y_Г;_Г = _Г Y_Г.

При анализе и проектировании УУ используют электрические модели УЭ в виде их эквивалентных электри­ческих схем.