5. Основы теории электронных усилителей

5.1. Общие положения

Рис. 5.1. Структурная схема усилительного устройства

В главе 1 был рассмотрен принцип усиления электрических сигналов, как процесс преобразования энергии источника питания в энергию сигнала в нагрузке (выходного сигнала) под воздействием маломощного управляющего (входного) сигнала. Преобразование осуществляется с помощью электрически управляемых (усилительных) элементов. В зависимости от режима работы последних (непрерывный или ключевой) различают линейные и ключевые усилительные устройства. Обобщенно структурная схема усилителя может быть представлена в виде последовательного соединения источника питания усилителя (ИП), управляемого элемента (УЭ) и нагрузки (Н) (см. рис 5.1).

Рис. 5.2. Схема преобразования энергии источника питания в энергию сигнала в нагрузке

Схема “перекачки” энергии от источника питания (Э_и) в нагрузку (Э_н) под воздействием энергии управляющего сигнала (Э_у) изображена на рис. 5.2. Для любого усилителя обязательно выполнение двух условий: Э_н<<Э_у – усиление по мощности, Э_н=F(Э_у) – управляемость энергии в нагрузке. Схема подчеркивает, что термины “входной” сигнал, “выходной” сигнал не означают “прохождение “ входного сигнала через усилительное устройство в нагрузку - входной сигнал лишь управляет процессом преобразования энергии, в результате которого и формируется сигнал в нагрузке, форма которого, в общем случае, может не повторять форму входного сигнала. Из схемы также видно, что только часть энергии источника поступает в нагрузку, часть ее - энергия потерь (Э_п) - расходуется на разогрев элементов усилителя, по которым протекает ток источника.

Конечная крутизна управления современных усилительных элементов в большинстве случаев не позволяет с помощью одного усилительного каскада (на одном усилительном элементе) обеспечить требуемую энергию сигнала в нагрузке. Поэтому практически все усилительные устройства строятся по многокаскадной схеме. В этом случае усилитель содержит выходной каскад, обеспечивающий требуемую энергию в нагрузке, и один или несколько предварительных каскадов, которые последовательно усиливают уровень входного сигнала до значения, необходимого для управления выходным каскадом. Нагрузкой предварительного каскада является входная цепь последующего каскада (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схематическое изображение двухкаскадного усилителя

Качество усилителя характеризуется совокупностью как энергетических, так и информационных характеристик. К первым относятся максимальная мощность (напряжение, ток) выходного сигнала при заданной нагрузке, коэффициент усиления входного сигнала по мощности (напряжению, току) входного сигнала:

коэффициент полезного действия

К информационным характеристикам относятся диапазон частот усиливаемых сигналов и точность воспроизведения формы входного сигнала.

а)

б)

Рис. 5.4. Линеаризованные модели усилителя в виде: а) управляемого источника напряжения; б) управляемого источника тока

В силу нелинейности усилительных элементов для получения оптимальных характеристик усиления необходимо каждому усилительному элементу задать режим покоя.

Цепи задания и стабилизации режима покоя являются обязательными элементами любого усилителя.

Для аналитического описания процесса усиления в усилителях с непрерывным режимом работы используются линеаризованные модели (эквивалентные схемы) на основе зависимого источника напряжения или зависимого источника тока (рис. 5.4 а, б).

Модели характеризуются следующими параметрами:

1. Коэффициент усиления по напряжению на холостом ходу

однозначно может быть определен только при одинаковой форме входного и выходного сигналов, что имеет место только при гармоническом сигнале, когда коэффициент усиления есть отношение амплитуд входного и выходного сигналов. Крутизна в режиме короткого замыкания

.

2. Входное сопротивление усилителя R₁₁ отражает величину тока, потребляемого от источника сигнала управления (мощность управления). Требуемая величина R₁₁ зависит от задачи, решаемой усилителем. Если необходимо обеспечить усиление ЭДС сигнала Е_с(t), то, как это следует из схемы рис. 5.4а, необходимо выполнить условие

R₁₁>R_c, когда U_у  E_c(t),

Такой усилитель обычно называется усилителем напряжения.

Если источник сигнала представлен источником тока I_c(t) с параллельно включенным R_c, то для воспроизведения информации только от I_c(t) выполняется условие

R₁₁<<R_c, когда U_у  I_c(t) R₁₁,

- усилитель тока.

В определенном случае требуется обеспечить режим согласования по входу

R₁₁=R_c.

3. Выходное сопротивление R₂₂ отражает степень реакции усилителя на вариацию величины нагрузки. Если R₂₂0, то усилитель приобретает свойства идеально управляемого источника ЭДС, когда изменение сопротивления нагрузки не приводит к изменению выходного напряжения. Если R₂₂, то усилитель приобретает свойства идеально управляемого источника тока - изменение нагрузки не приводит к изменению выходного тока. В некоторых случаях требуется обеспечить режим согласования по выходу, когда R₁₁=R₂₂.

Инерционность усилителя может быть отражена комплексным характером всех параметров: z₁₁(j), z₂₂(j), K(j) - при частотном анализе или применением изображений по Лапласу: z₁₁(р), z₂₂(р), K(р) - при временном анализе.

По виду АЧХ - зависимости коэффициента усиления от частоты K=F() - различают усилители постоянного и переменного тока (рис. 5.5 а, б) соответственно.

а) б)

Рис. 5.5. АЧХ усилителя: а) постоянного и б) переменного тока

Рис. 5.6. Частотные искажения в усилителе переменного тока, вызванные “завалом” АЧХ в области низких (1) и высоких (2) частот

4. Неравномерность АЧХ приводит к частотным искажениям (рис. 5.6) - спектр сигнала (отношение одноименных гармоник не является постоянной величиной). В результате форма выходного сигнала отлична от формы входного. Современные усилительные элементы позволяют обеспечить равномерный характер АЧХ в полосе частот до нескольких сотен МГц.

Рис. 5.7. Искажения сигнала, вызванные влиянием нелинейности усилителя

Линеаризация усилителя за счет задания режима покоя обеспечивает линейную связь вход-выход только для сравнительно низкого размаха выходного сигнала. Поэтому в реальных случаях нелинейность усилителя всегда проявляется в виде нелинейных искажений (рис. 5.7).

Количественная характеристика нелинейных искажений может быть отражена несколькими способами, в частности: коэффициентом нелинейных искажений (отношением суммарной мощности высших гармоник выходного сигнала к мощности первой гармоники при гармоническом входном сигнале).