1. ТеоретическИе сведения

Усилителями называют электронные устройства, управляющие потоком энергии, поступающей от источника электропитания в нагрузку. При этом мощность, требующаяся для управления потоком энергии, как правило, меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

К основным параметрам усилителей относятся:

Коэффициенты усиления по напряжению К_u, току К_i и мощности К_Р:

К_u = U_вых/U_вх; К_i = I_вых/I_вх; К_P = P_вых/P_вх,

где U_вых, U_вх, I_вых, I_вх, P_вых, P_вх – соответствующие амплитудные (действующие) значения напряжений и токов и мощность сигнала на входе и выходе усилителя.

Как правило в усилителях содержатся и реактивные элементы, в том числе и “паразитные”, а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

К_u = К_ue^j,

­­_­­­где К_u = U_вых/U_вх – модуль коэффициента усиления по напряжению;  - фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_вх и U_вых.

Входное R_вх и выходное R_вых сопротивление усилителя: R_вх = U_вх/I_вх; R_вых = U_вых/I_вых,

где U_вх и I_вх - амплитудные (действующие) значения напряжения и тока на входе усилителя, а U_вых и I_вых приращения амплитудных (действующих) значений напряжения и тока на выходе усилителя.

К основным характеристикам усилителя относятся амплитудная, амплитудно-частотная (АЧХ), фазо-частотная (ФЧХ) и переходная характеристики.

Амплитудная характеристика (рис. 1) представляет собой зависимость амплитуды (действующего значения) выходного напряжения (тока) усилителя от амплитуды (действующего значения) входного напряжения (тока). Идеализированная амплитудная характеристика усилителя представляет собой прямую линию, реальная характеристика усилителя является нелинейной.

Н а реальной характеристике точка “1” соответствует напряжению шумов, измеренному при U_вх = 0, точка “2” – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок “2”-“3” является рабочим участком, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки “3” наблюдаются нелинейные искажения выходного сигнала, т.е. выходной сигнал отличается по форме от входного.

Степень нелинейных искажений сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник К_г):

К_г = _­,

где U_1m­, U_2m­, U_3m­, … ,U_nm­ – амплитуды 1- й (основной), 2-й, 3-ей и n-й гармоник выходного напряжения, соответственно.

Величина D = U_вх,max/U_вх.min – называется динамическим диапазоном усилителя.

Нелинейные искажения в усилителях возникают за счет нелинейности ВАХ активных элементов усилителя (транзисторов), и являются причиной снижения качества работы усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика АЧХ - это зависимость модуля коэффициента усиления К усилителя от частоты сигнала (рис. 2).

З десь частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, f₀ – средней частотой, а разность f = (f_в – f_н) – полосой пропускания усилителя.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, что в результате приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений М:

М = К_о/К_f,

где К₀ и К_f – модули коэффициентов усиления на средней и заданной частоте, соответственно.

Д ля нижней и верхней граничных частот полосы пропускания усилителя коэффициенты частотных искажения можно записать в виде:

М_н = К_о/К_н = М_в = К_о/К_в = .

Фазо-частоная характеристика ФЧХ – зависимость фазового сдвига между входным и выходным напряжением от частоты сигнала.

Переходная характеристика – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном изменении входного воздействия.

Обратная связь в усилителях. Под обратной связью ОС понимают влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет значение этой величины).

В усилителях как правило используется отрицательная обратная связь ООС, при этом различают 4 вида обратных связей:

 последовательная ООС по напряжению;

 параллельная ООС по напряжению;

 последовательная ООС по току;

 параллельная ООС по току.

Для определения типа обратной связи необходимо мысленно замкнуть между собой выводы резистора нагрузки. Если при этом сигнал ООС обращается в нуль, то это ООС по напряжению если сигнал ООС не обращается в нуль, то это ООС по току.

При последовательной ООС (со сложением напряжений) сигнал обратной связи включатся последовательно с входным сигналом и вычитается из него. При параллельной ООС (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока входного сигнала.

Коэффициент усиления К_u.ос усилителя, охваченного ООС представляется выражением:

К_u.ос = К_u/(1 + К_u).

Величину (1 + К_u) называют глубиной обратной связи или коэффициентом глубины обратной связи, а величину К_u – петлевым усилением.

При большой глубине обратной связи К_u>>1 коэффициент усиления усилителя будет равен К_u.ос = 1/.

Таким образом, обратная связь уменьшает нестабильность и нелинейность коэффициента усиления усилителя.

Если известны частотные характеристики для К_u и , то частотные характеристики для К_u.ос являются однозначно определенными выражением:

К_uос = К_u/(1 + К_u).

Отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление R_вх усилителя по модулю, а также уменьшает по модулю выходное сопротивление усилителяR_вых:

R_вх.ос = R_вх(1 + R_вх); R_вых.ос = R_вых/(1 + R_вх),

что является положительным свойством для согласования выхода одного каскада усиления со входом другого.

Усилители на биполярных транзисторах.

Для использования транзистора в усилителе прежде всего необходимо обеспечить начальный режим работы транзистора, который равноценен термину “начальный режим работы усилителя”, характеризуемый положением рабочей точки “рт”.

Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения выбранной “рт”, что может происходить при работе усилителя в результате изменении температуры р-n переходов транзистора.

В зависимости от способа обеспечения начального режима для схемы включения транзистора с общим эмиттером различают три схемы усилителей:

 с фиксированным током базы;

 с коллекторной стабилизацией;

 с эмиттерной стабилизацией.

Первая схема используется очень редко, поскольку при изменении температуры за счет изменения _ст и I_кo транзистора изменяется положение “рт”, а также для каждого значения _ст необходимо индивидуально подбирать сопротивление резистора R_б, определяющего ток базы.

В схемах с коллекторной и эмиттерной стабилизацией при изменении температуры автоматически изменяется ток базы, что компенсирует возможное изменение положения “рт”, которая практически не изменяет своего положения.

В усилителях различают пять режимов работы транзисторов: А, АВ, В, С и D, которые называют классами работы.

В режиме класса А ток коллектора всегда больше нуля, и он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного усиливаемого сигнала. В режиме класса В начальный ток коллектора выбирается равным нулю, и ток коллектора может только увеличиваться. При усилении сигнала в режиме класса В используют одновременно два транзистора, каждый из которых усиливает только одну полуволну сигнала. Режим класса “АВ” является промежуточным между режимами классов “А” и “В”. В режиме класса “С” на вход транзистора подается запирающее напряжение, в результате чего в каждый период входного сигнала ток коллектора протекает в течение времени, меньшего, чем половина периода сигнала. Режимом класса “D” называют ключевой режим работы транзистора (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

Усилитель с эмиттерной стабилизацией. Схема усилителя сигнала на биполярном транзисторе VT₁ структуры n-р-n (например, типа КТ503Б, КТ315Б) с эмиттерной стабилизацией и резистивной нагрузкой (RC – усилитель) приведена на рис. 3. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Конденсаторы С₁ и С₂ называются разде-лительными (они обеспечивают разде-ление по постоянному току цепей входа и выхода транзистора). При этом переменные составляющие усиливаемых сигналов проходят через конденсаторы.

Конденсатор С_э называется блокировочным, поскольку он замыкает по переменному току (блокирует) резистор R_э. В результате этого в усилителе не действует обратная связь по переменному току, по постоянному же току усилитель охвачен отицательногй обратной связью, что обеспечивает стабильную его работу.

На вход транзистора подается усиливаемый сигнал с генератора u_вх. Усиленный сигнал из цепи коллектора подается на сопротивление нагрузки R_н. С помощью резис-тора R₁ в усилителе задается базовый ток транзистора, резистор R₂ c резистором R₁ образуют делитель напряжения, обеспечивающий с резистором R_э режим эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора.

Ч тобы провести расчет усилителя при условии, что заданы Е_к и R_к, необходимо сначала на выходной ВАХ транзистора выбрать положение “рт”, для которой определяем напряжение u_кэ.рт и ток i_к.рт, и по входной ВАХ – напряжение u_бэ.рт, ток i_бэ.рт и входное сопротивление транзистора для переменного тока R_вх.оэ = u_бэ.рт/i_бэ.рт. По значениям i_к.рт и i_бэ.рт находим значение _ст, значение  для переменного тока определяем по выходной ВАХ в выбранной “рт” (i_{к.рт рт}/i_бэ.рт).

Затем выбираем падение напряжения на эмиттерном резисторе R_э, что можно сделать из условия:

u_Rэ = (0,1  0,3) Е_к.

Далее определяем сопротивление резистора R_э:

R_э = .

По току базы выбираем ток делителя i_д напряжения, протекающий через резисторы R₁ и R₂ при отключенной базе транзистора, используя выражение:

i_д = (8  10) i_б.

Затем находим сумму сопротивлений резисторов R₁ + R₂:

R₁ + R₂ = .

Определяем падение напряжения на резисторе R₂:

u_R2 = u_Rэ + u_бэ.рт,

после чего определяем сопротивление резистора R₂:

R₂ = .

И окончательно по сумме сопротивлений (R₁ + R₂) и сопротивлению R₂ определяем сопротивление резистора R₁.

Емкости разделительных конденсаторов С₁ и С₂ и блокировочного конденсатора С_э при расчете усилителя определяют из допустимых частотных искажений М_н усилителя на низких частотах.

Коэффициенты усиления усилителя (рис. 3) по напряжению К_u, току К_i и мощности К_Р для средних частот сигнала можно определить из выражений:

К_u = ; К_i = , К_Р = К_uК_i , (1)

где R_вх.оэ – входное сопротивление транзистора для схемы с общим эмиттером;  - динамический коэффициент передачи тока (для переменного тока) в схеме с общим эмиттером.

Если отключить блокировочный конденсатор С_э, то в усилителе будет действовать ООС по переменному току (по классификации - последовательная обратная связь по току). В этом случае коэффициент усиления усилителя по напряжению уменьшится и приближенно будет равен:

К_u.ос = . (2)

При расчете и анализе схем с использованием эквивалентной схемы транзистора, с учетом того, что в цепи действуют одновременно постоянные и переменные напряжения, необходимо провести сначала анализ электрической цепи по постоянному току, а затем по переменному.

Для этого на основе схемы (рис. 3) составляют две эквивалентные схемы, в которых транзисторы заменяют их простыми моделями. При этом в эквивалентной схеме для переменного тока считают, что в области средних частот переменные составляющие падений напряжений на конденсаторах С₁, С₂ и С₃ пренебрежимо малы. По полученным эквивалентным схемам электрической цепи известными методами анализа электрических цепей проводят расчет требуемых параметров.

R C-усилитель на полевом транзисторе (с управляющим р-n переходом и каналом p – типа, например, типа КП103И), включенном по схеме с общим истоком можно построить по схеме (рис. 4).

В усилителе между затвором и истоком необходимо задать начальное смещение, которое для данного транзистора должно быть положительным (запирающим для р-n перехода).

С целью получения этого напряжения в цепь истока включен резистор R_и, падение напряжения на котором u_Rи от протекающего тока истока i_и приложено к цепи между затвором и истоком, т.е. u_зи = u_Rи (т.к. падение напряжения на резисторе R_з практически равно нулю).

Такая схема называется схемой с автоматическим смещением (в ней нет дополнительного источника напряжения смещения).

При расчете настоящей схемы сначала необходимо выбрать положение рабочей точки “рт” (i_с.рт, u_си.рт, u_зи.рт), что можно сделать по заданному значению сопротивления R_c и напряжения Е_с, используя выходные ВАХ транзистора.

В лабораторной работе необходимо выбрать значения: i_с.рт = 0,5I_с.н, u_си.рт = 0,5Е_с, u_зи.рт = 0,2U_зи.отс, где U_зи.отс – напряжение отсечки; I_с.н - начальный ток стока транзистора, Е_с – ЭДС источника питания.

Затем по выбранному току стока (i_с.рт = i_и.рт) и напряжению u_зи.рт необходимо определить сопротивление резистора R_и:

R_и = .

Сопротивление резистора R_з обычно выбирают равным 1 МОм и более.

Модуль коэффициента усиления по напряжению для данной схемы (рис. 4) в области средних частот можно определить из выражения:

К_u = S , (3)

где S – крутизна характеристики полевого транзистора.

Назначение конденсаторов С₁  С₃ в усилителе (рис. 4) аналогично соответствующим конденсаторам RC – усилителя на биполярном транзисторе (рис. 3).

Если отключить блокировочный конденсатор С_и, то в усилителе будет действовать ООС по переменному току. В этом случае коэффициент усиления усилителя по напряжению приближенно можно рассчитать, используя выражение (4):

К_u.ос = , (4)

Усилители постоянного тока УПТ предназначены для усиления постоянных и медленно изменяющихся сигналов. Эти усилители могут использоваться и для усиления переменных сигналов.

Особенностью усилителей постоянного тока является необходимость использования гальванической связи (без разделительных конденсаторов) между источником сигнала и входом усилителя, а также выходом усилителя и нагрузкой, что определяет специфику построения УПТ.

Для получения высокой стабильности УПТ их выполняют в виде дифференциальных усилителей, использующих одновременно включенные два транзистора с эмиттерной связью.

Линейные схемы на основе операционных усилителей.

В настоящее время для построения различных электронных изделий используются операционные усилители ОУ – высококачественные усилители, предназначенные для усиления как постоянных так и переменных сигналов. Операционные усилители как правило выпускаются в виде линейных интегральных схем.

Н а операционных усилителях можно построить разнообразные варианты электронных изделий: инвертирующий и неинвертирующий усилители; повторитель напряжения; сумматор напряжений, вычитающий усилитель; и др., при этом расчет основных параметров таких усилителей является достаточно простым.

В качестве примера в лабораторной работе рассматривается усилитель сигнала (инвертирующий масштабный усилитель) на основе интегрального операционного усилителя (рис. 5) (например, типа К140УД6 или 154УД1). Для электропитания микросхемы – операционного усилителя DA₁ используются два источника напряжения Е₁ и Е₂, которые подключены к соответствующим выводам 4 и 7 микросхемы.

Операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока, имеющий инвертирующий (2) и неинвертирующий (3) входы. В усилителе действует параллельная обратная связь по току. Коэффициент усиления усилителя по напряжению определяется выражением:

К_u = . (5)

Усилителями мощности называют усилители, предназначенные для обеспечения заданной выходной мощности на сопротивлении нагрузки.

Усилители мощности могут выполняться в виде разных вариантов схем, среди которых можно выделить однотактные и двухтактные трансформаторные усилители мощности, а также безтрансформаторные усилители мощности.

Одним из важных параметров усилителей мощности является коэффициент полезного действия . Реальный коэффициент полезного действия трансформаторного однотактного усилителя мощности составляет 0,3  0,35, трансформаторного двухтактного и безтрансформаторного усилителей мощности – 0,6  0,7.

В трансформаторном однотактном усилителе мощности используется режим работы класса А, в трансформаторных двухтактных усилителях и безтрансформаторных усилителях мощности – режимы работы класса В и АВ. Режим класса АВ обеспечивает по сравнению с режимом класса В минимальные нелинейные искажения сигнала.

Вариант однотактного трансформаторного усилителя мощности на биполярном транзисторе VT₁ приведен на рис. 6.

Усилитель выполнен на основе усилителя с эмиттерной стабилизацией (рис. 3).

Отличие настоящего усилителя сводится к включению вместо резистора R_к в цепь коллектора транзистора VT₁ первичной обмотки I выходного трансформатора Т₁, к вторичной обмотке II которого подключено сопротивление нагрузки R_н.

Использование трансформатора позволяет согласовать относительно большое выходное сопротивление усилителя с небольшим сопротивлением нагрузки (например, с динамиком, сопротивление которого равно 8 Ом). В результате этого в нагрузку передается максимальное значение мощности усилителя, что обеспечивает достижение максимального коэффициента полезного действия.

Расчет однотактного усилителя мощности проводится аналогично расчету усилителя (рис. 3) с той лишь разницей, что при расчете принимается для постоянного тока значение u_Rк = 0 (т.к. обмотки трансформатора имеют малое сопротивление для постоянного тока).

Коэффициенты усиления однотактного усилителя мощности по напряжению К_u, току К_i и мощности К_Р для средних частот сигнала можно определить из выражений (6):

К_u = ; К_i = ; К_Р = К_uК_i , (6)

где n – коэффициент трансформации трансформатора.

Если отключить блокировочный конденсатор С_э, то в усилителе будет действовать ООС по переменному току. В этом случае коэффициент усиления однотактного усилителя мощности по напряжению уменьшится и приближенно будет равен:

К_u = . (7)

Вариант безтрансформаторного усилителя мощности постоянного тока с использованием масштабного усилителя на операционном усилителе приведен на рис. 7.

С о бственно усилитель мощности выполнен на двух биполярных транзисторах VT₁ и VT₂ включенных по схеме с общим коллектором, (структуры n-р-n и р-n-р) и работает в режиме класса В (транзисторы VT₁ и VT₂ при отсутствии сигнала – закрыты).

На микросхеме DA₁ выполнен масштабный усилитель напряжения. При этом обратная связь в масштабном усилителе заводится с выхода усилителя мощности. Это обеспечивает получение коэффициента усиления по напряжению, равного коэффициенту усиления масштабного усилителя, и усиление сигнала с минимальными нелинейными искажениями (за счет глубокой отрицательной ОС). Каждый из транзисторов открывается только в один полупериод сигнала, в результате чего усилитель является двухтактным.

Коэффициент усиления усилителя мощности по напряжению равен коэффициенту усиления масштабного усилителя (5).