6 Усилители электрических сигналов

1. Общие сведения об усилителях

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается источник входного сигнала, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку (рис.6.1).

Усилители содержат активные (полевые и биполярные транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, индуктивности) элементы, а также источник питания постоянного напряжения.

Основные параметры усилителей:

− коэффициент усиления по напряжению k_u − отношение выходного напряжения усилителя к его входному напряжению:

(6.1)

− коэффициент усиления по току k_i − отношение выходного тока усилителя к его входному току:

(6.2)

− коэффициент усиления по мощности k_р − отношение мощности, отдаваемой в нагрузку к входной мощности усилителя:

(6.3)

− рабочий диапазон частот ∆f_р – полоса частот от низшей рабочей частоты f_н до высшей рабочей частоты f_в в пределах которой коэффициент усиления уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной величины;

− входное сопротивление R_вх – сопротивление между входными зажимами усилителя для переменного входного тока:

(6.4)

− выходное сопротивление R_вых – сопротивление между выходными зажимами усилителя для переменного тока при отключенной нагрузке:

(6.5)

− коэффициент полезного действия усилителя  − отношение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания:

(6.6)

− динамический диапазон D – отношение максимального входного напряжения к минимальному входному напряжению, при которых нелинейные искажения не превышают установленных норм:

(6.7)

− линейные искажения – это искажения, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала. Они вызваны наличием в цепях усилителя реактивных элементов (индуктивности и емкости), сопротивления которых зависят от частоты, а также зависимостью от частоты физических параметров полупроводниковых приборов;

− нелинейные искажения – это искажения, обусловленные зависимостью коэффициента усиления усилителя от амплитуды усиливаемого сигнала. Нелинейные искажения вызваны нелинейностью ВАХ активных элементов усилителя (транзисторы и др.)

Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования входное сопротивление усилителя R_вх должно быть значительно больше внутреннего сопротивления источника сигнала R_г, а выходное сопротивление R_вых значительно меньше сопротивления нагрузки R_н. Вопросы согласования возникают и в многокаскадных усилителях. Если два усилительных каскада не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними ставится эмиттерный повторитель, имеющий очень большое входное и малое выходное сопротивление (подробнее см. п.п. 6.3.2).

К основным характеристикам усилителей относятся:

− амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость коэффициента усиления по напряжению от усиливаемой частоты k_u = F(f) (рис.6.2, а);

− фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты  = F(f) (рис.6.2, б).

− амплитудная характеристика усилителя – зависимость амплитуды выходного сигнала U_m.вых от амплитуды входного сигнала U_m.вх на некоторой постоянной частоте U_m.вых = F(U_m.вх) (рис.6.2, в).

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным и нелинейным режимом работы.

В усилителях с линейным режимом работы выходной сигнал должен быть близким по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют на:

• усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока – УПТ);

• усилители звуковых частот (УЗЧ);

• усилители высокой частоты (УВЧ);

• широкополосные усилители (ШПУ);

• узкополосные усилители (УПУ).

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче входного сигнала отсутствует. После достижения некоторой величины напряжения входного сигнала при его увеличении сигнал на выходе усилителя остается без изменения (ограничивается на некотором уровне). Такие усилители используются для преобразования входного сигнала, например синусоидального, в импульсный сигнал, а также для усиления импульсов.