Mіkросхеmоtехhіка

Тема 4. Електронні підсилювачі

Електронним підсилювачем називають пристрій, який використо­вують для підвищення потужності вхідного електричного сигналу до номінального значення, яке за6езпечуе нормальне функціонування вузла, приладу або електронної системи. При цьому підсилення мало­потужного вхідного сигналу досягається за рахунок енергії зовнішньо­го джерела напруги (струму) значно 6ільшого рівня потужності. Оскільки далі розглядатимемо лише лінійні електронні підсилювачі, вважатимемо незмінного частоту та форму підсинюваного сигналу.

4.1. Класифікація та структурні схеми підсилювачів

Структурна схема електронного підсилювача зо6ражена на рис. 4.1. На цій схемі підсилювач має вигляд активних чотириполюс­ників, до вхідних затискачів (1, 2) яких приєднують джерело вхідного сигналу у вигляді джерела напруги (рис. 4.1, а) або джерела стру­му (рис. 4.1, 6). Зовнішнє навантаження R_н , яке споживає енергію під­силеного сигналу, під’єднується до виходу підсилювача (затискачі 3, 4). Джерело вхідного сигналу навантажується вхідним опором під­силювача R_вх , на якому виділяється потужність вхідного сигналу. Цей сигнал керує енергією джерела живлення значно 6ільшого рівня потужності. Таким чином, використання активного керуючого еле­мента (наприклад, транзистора) та 6ільш потужного джерела живлення дає можливість підсилювати потужність вхідного сигналу.

Розглядаючи вхідне коло підсилювача з джерелом напруги (рис. 4.1, а), можемо записати

(4.1)

звідки випливає, що спад напруги на внутрішньому опорі R_д джерела вхідного сигналу незначний U_вх ≈ Е_д , якщо виконується умова R_вх >> R_д. Для вхідного кола підсилювача (рис. 4.1,6)

(4.2)

тобто весь струм джерела вхідного сигналу відгалужується у вхідний опір підсилювача за умови, що R_вх >> R_д. Отже, при великому вхі­дному опорі підсилювача керування в навантаженні здійснюють джере­лом напруги, а при малому R_вх - джерелом струму.

Рис. 4.1

Вихідне коло підсилювача також може бути джерелом напруги К_п U_вх (рис. 4.1, а) або джерелом струму К_п І_вх (рис. 4.1, б) з внут­рішнім опором R_вих. Ці джерела відображають властивості підсилювача, які характеризуються коефіцієнтом прямої передачі К_{п ,} що в пер­шому випадку є коефіцієнтом підсилення напруги, а в другому - струму.

Всі електронні підсилювачі підвищують потужність. Але в ряді випадків основним показником є підсилення струму або напруги. Тому електронні підсилювачі умовно поділяють на підсилювачі на­пруги, струму та потужності. Підсилювач напруги забезпечує на нава­нтаженні задане значення вихідної напруги. В такому режимі підсилю­вач працює, якщо виконуються умови R_вх >> R_д та R_н >> R_вих, що забезпечує відносно великі зміни напруги на навантаженні при невели­ких змінах струму у вхідному та вихідному колах. В режимі підсилення струму необхідне виконання умов R_вх << R_д та R_н << R_вих, щоб у вихідному колі при малих значеннях напруги протікав струм заданого значення. Для підсилювача потужності умови узгодження вхідного ко­ла з джерелом вхідного сигналу та вихідного кола з навантаженням для передавання максимальної потужності мають вигляд R_вх ≈ R_д та R_н ≈ R_вих.

За характером зміни в часі вхідного сигналу розрізняють підсилю­вачі постійного та змінного струмів. Підсилювачі постійного струму працюють при нижній частоті f_н = 0. А підсилювачі змінного струму поділяються на підсилювачі низької та високої частоти.

Структура підсилювача визначається смугою частот робочого діа­пазону. За цією ознакою підсилювачі поділяють на вибіркові, для яких характерне відношення f_в /f_н <1,1 (підсилення в дуже вузькому діа­пазоні частот), та широкосмугові з f_в /f_н, яке досягає 1000 і більше.

3алежно від форм и підсилюваних сигналів розрізняють підсилювачі гармонічних (синусоїдальних) та імпульсних сигналів. Оскільки імпульсні сигнали, наприклад прямокутної форми, містять в собі широкий спектр частот, імпульсні підсилювачі відносяться до класу широкосмугових. Якщо підсилення одного каскаду недостатньо, то як на­вантаження R_н використовується вхідне коло другого підсилюваль­ного каскаду, вихід якого під'єднується до входу третього каскаду і т. д. Підсилювач, що має кілька ступенів підсилення, називають багатокаскадним. Так, за структурою розрізняють однокаскадні та багато­каскадні підсилювачі, а за способом зв'язку між каскадами - підсилю­вачі з ємнісним, трансформаторним та гальванічним зв'язком.

Трансформаторний зв'язок використовується лише в кінцевих кас­кадах підсилення потужності для узгодження підсилювача з наванта­женням.

Дедалі більше в підсилювальній техніці використовують опера­ційні підсилювачі в інтегральному виконанні, які одночасно задоволь­няють багатьом названим вище умовам. Такі підсилювачі здебільшого підсилюють напругу і використовуються для підсилення сигналів як постійного, так і змінного струму в широкому діапазоні частот.