Лекция 18 Резисторные усилители напряжения, усилители мощности.

Вопрос 1 Основные свойства предварительных усилителей

Для усиления сигнала звуковой частоты, полученного на выходе детектора, до уровня, достаточного для нормальной работы оконечного устройства, применяют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Все усилители звуковой частоты можно условно разделить на две группы: предварительные усилители и усилители мощности.

К последовательным усилителям предъявляются требования обеспечения достаточного усиления напряжения при малом уровне всех видов искажений. Для обеспечения достаточного усиления применяют, как правило, несколько каскадов усиления. Число каскадов желательно иметь как можно меньше. Поэтому коэффициент усиления каждого каскада должен быть большим. С этой целью в каскадах предварительного усиления применяют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления (транзисторы с большим статическим коэффициентом усиления тока h_21э или лампы с большим статическим коэффициентом усиления напряжения µ). Режим работы приборов выбирают таким образом, чтобы получить наибольшее усиление при допустимом уровне линейных и нелинейных искажений. Активные приборы в каскадах предварительного усиления ,как привило, работают в режиме класса А. Этот режим используется в целях уменьшения уровня нелинейных искажений. Уменьшение КПД усилителей в этом режиме не имеет особого значения, так как потребление мощности источника питания каскадами предварительного усиления даже в этом случае оказывается невелико.

Наибольшее усиление напряжения в предварительных каскадах достигается, когда транзисторы включают по схеме с общим эмиттером или общим истоком, а лампы – с общим катодом. Другие схемы включения активных приборов в каскадах предварительного усиления встречаются очень редко, поэтому в дальнейшем они рассматриваться не будут.

Для сокращения расхода энергии питания активные приборы в предварительных усилителях применяют маломощные, а ток покоя их выходной цепи устанавливают по возможности малым, достаточным для обеспечения необходимых усилительных свойств усилительного прибора.

Нагрузкой предварительного усилителя является вход последующего каскада. Структурно предварительный усилитель размещается между детектором и усилителем мощности. В качестве усилительных приборов в предварительных усилителях чаще всего применяют транзисторы и микросхемы, в устаревшей аппаратуре еще встречаются ламповые усилители. Основной тип предварительного усилителя – резисторный усилитель, содержащий усилительный прибор, нагрузкой которого является резистор. Резисторные усилители нашли широкое распространение благодаря таким своим качествам, как простота, дешевизна, хорошие частотные и переходные характеристики, малые размеры и вес. Анализ работы усилителей удобно производить на базе эквивалентных схем.

Вопрос 2 Принципиальные и эквивалентные схемы резисторных усилителей. Физические процессы.

Принципиальные схемы резисторных усилителей на лампе, биполярном и полевом транзисторах приведены на рисунке 2.1.

В качестве усилительных приборов применяются маломощные лампы или транзисторы с высоким коэффициентом усиления.

Нагрузкой резисторного усилителя может быть вход последующего каскада или оконечное устройство. В общем виде они представляют собой параллельное соединение активного сопротивления и емкости.

Рассмотрим назначение элементов схемы усиления:

цепь смещения для установки исходной рабочей точки – R_к, С_к; R_э, С_э; R_н, С_н (соответственно для схемы на лампе (рисунок 2.1, а), на биполярном (рисунок 2.1, б), и полевом (рисунок 2.1, в) транзисторах);

цепь термостабилизации биполярного транзистора – R₁, R₂;

фильтр развязки в цепи питания – R_ф, С_ф;

резистор нагрузки – R_н;

резистор утечки – R_с; R_з (соответственно для схемы на лампе и полевом транзисторе).

Рисунок 2.1 – Принципиальные схемы резисторных усилителей:

а) – на лампе; б) – на биполярном транзисторе; в) – на полевом транзисторе

Обычно емкости С_к, С_э, С_ф, С_н настолько велики ,что их сопротивлениями для переменного тока можно пренебречь и резисторы R_к, R_э, R_ф, R_н окажутся для переменного тока накоротко замкнутыми и не войдут в эквивалентную схему каскада. Эквивалентная схема резисторного усилителя приведена на рисунке 2.2.

Рассмотрим назначение элементов эквивалентных схем. Элементы эквивалентных схем, входящие в принципиальные схемы (рисунок 2.1) в явном виде, имеют те же обозначения и их назначение описано выше. Резистор R для усилителя на лампе и полевом транзисторе соответствует резисторам R_с и R_э, а для усилителя на биполярном транзисторе – параллельному включению R1 и R2 (по высокой частоте они включены параллельно, так как сопротивление конденсатора С_ф на этой частоте можно пренебречь).

Выходы усилительных приборов заменяются их эквивалентными схемами, содержащими генератор напряжения µ U_вх, последовательно с которым соединено его внутреннее сопротивление R_i. Параллельно выходу усилительного прибора включена выходная емкость С_вых, которая соответствует выходной емкости усилительного прибора. Затем следуют элементы принципиальных схем: R_н, С_р, R1||R2 или R_с (R_з). К выходу резисторного усилителя подключена активно – емкостная нагрузка R_вх2, С_вх2, представляющая собой вход следующего каскада или оконечное устройство.

Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема резисторного усилителя

С_м – емкость монтажа, зависящая от геометрических размеров и конструкции усилительных элементов и деталей, а также от их расположения.

Эквивалентная схема позволяет проводить анализ работы резисторных усилителей напряжения.

3.1 Общие сведения об усилителях мощности

Усилителем мощности называется выходной усилитель низко­частотного тракта радиоприемника, который должен отдавать в нагрузку заданную мощность полезного сигнала при допустимой величине нелинейных искажений и достаточно высоком КПД.

В авиационном радиоэлектронном оборудовании усилители мощности используются в связных радиоприемниках, автоматиче­ских радиокомпасах и самолетных переговорных устройствах.

В усилителе мощности активным прибором может быть бипо­лярный транзистор, полевой транзистор или электронная лампа.

Схемы современных усилителей мощности авиационных радио­приемников все чаще строятся на основе линейных интегральных схем.

По принципу действия усилители мощности не отличаются от усилителей напряжения, однако режим их работы выбирается так, чтобы получить на выходе наибольшую мощность, а не наибольшее напряжение.

Большая мощность означает работу с большими токами и напряжениями, которые значительно превышают напряжения и токи в усилителях напряжения. Если в усилителях напряжения обычно используется лишь небольшой участок характеристики ак­тивного прибора, то в усилителях мощности всегда стремятся наи­более полно использовать всю его характеристику, что приводит к заметному возрастанию нелинейных искажений. Отсюда вытекает необходимость оценки нелинейных искажений усилителя мощности.

Условия работы усилителя мощности зависят от характера на­грузки и ее постоянства. В общем случае сопротивление нагрузки имеет комплексный характер. Для передачи возможно большей мощности в нагрузку должно быть выполнено согласование между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением активно­го прибора. Наиболее распространенным согласующим устройст­вом является трансформатор.

При использовании в усилителе мощности биполярного тран­зистора наиболее употребительной является схема с общим эмит­тером, дающая наибольшее усиление мощности сигнала, а поэтому требующая меньшей выходной мощности от предоконечного уси­лителя и наименьшего усиления от предварительного усилителя. Включение транзистора с общей базой позволяет уменьшить нели­нейные искажения и повысить стабильность всех параметров схе­мы. Однако при таком включении входная проводимость усилите­ля мощности велика и предоконечный усилитель приходится делать с трансформаторной нагрузкой.

Полевые транзисторы обычно включают с общим истоком, а лампы – с общим катодом.

Усилители мощности обычно бывают однотактные и двухтакт­ные. Однотактные усилители мощности работают в режиме А, а двухтактные – в режиме А, АВ или В. Отметим, что режим клас­са А используется в двухтактных усилителях только в тех случаях, когда желательно получить минимально возможные нелинейные искажения усиливаемых сигналов, а величина мощности, снимае­мой с каждого транзистора, и КПД усилителя не имеют сущест­венного значения.