Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 1 Принцип электронного усиления

1 Принцип электронного усиления и классификация усилителей электрических сигналов.

Под электрическим сигналом будем понимать электрическую величину (ток, напряжение, мощность) как функцию времени. Аналоговый электрический сигнал – отображение непрерывной оси времени на область вещественных чисел. Для реализации подавляющего числа операций над аналоговыми сигналами необходимо выполнять функцию усиления сигнала.

Усилитель – устройство, предназначенное для того, чтобы, используя энергию источника питания, увеличить мощность сигнала, поступающего на его вход (рисунок 1).

Рисунок 1. Структура усилительного каскада

При этом часто (но не всегда) требуется по возможности сохранить форму сигнала. Нагрузка цепи – это любой получатель энергии сигнала (громкоговоритель, антенна и др.). Будем представлять нагрузку ее эквивалентным полным сопротивлением (импедансом).

Для обеспечения большого усиления усилители строят многокаскадными. Для некоторого промежуточного каскада источником сигнала является выходная цепь предыдущего, а нагрузкой – входная цепь следующего (рисунок 2).

Рисунок 2. Усилительный каскад многокаскадного усилителя

Цепи связи служат для передачи энергии с наименьшими потерями.

В наиболее общем виде усилительный тракт можно представить следующим образом (рисунок 3).

Рисунок 3. Усилительный тракт

На основании этого представления усилительные каскады можно подразделить на

- малошумящие усилители (МШУ);

- каскады предварительного усиления;

- оконечные каскады.

МШУ предназначены для усиления очень слабых сигналов с минимумом собственных шумов. Каскады предварительного усиления обеспечивают основное усиление тракта. Задача оконечного каскада – обеспечение в нагрузке требуемой мощности.

В зависимости от полосы частот используемых сигналов усилители делятся на следующие классы (рисунок 4):

- усилители постоянного тока (УПТ);

- узкополосные (резонансные) усилители (РУ);

- широкополосные усилители (ШПУ).

Рисунок 4. Классификация усилителей по частотным свойствам

УПТ характеризуются способностью усиливать сигналы с частотами вплоть до нулевой, т.е. сигналы, изменяющиеся крайне медленно: сигналы датчиков температуры, освещенности и т.д.

Различие между РУ и ШПУ в значительной степени условно и определяется относительной полосой пропускания устройства . Для РУ характерны , а для ШПУ - .

Как следует из рисунка 1 в схеме типового по построению усилительного каскада присутствуют два замкнутых контура, один из которых выступает в роли выходного контура, или контура нагрузки, а второй – входного или контура управления.

На рисунке 5 в качестве примера приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе (БП).

Рисунок 5. Пример схемы усилительного каскада

На рисунке входной и выходной контуры выделены стрелками. В выходном контуре протекает выходной ток I_вых, а во входном – входной I_вх. Транзисторы являются трехполюсными усилительными приборами, поэтому при их включении в схему усилительного каскада один из их выводов входит как в выходной, так и во входной контур. В схеме на рисунке 5 в качестве такого общего узла выступает эмиттерный вывод транзистора, поэтому эту схему называют схемой «общий эмиттер» (ОЭ). Обычно потенциал общего узла принимают за ноль, при этом все сигнальные изменения рассматривают относительно этого узла, т. е. текущие значения входного и выходного сигнала оценивают сигнальными потенциалами u_вх(t) и u_вых(t) соответствующих узлов.

Отметим, что «заземление» одного любого из узлов схемы на рисунке 5 не отражается на характере ее работы, за исключением того, что все сигнальные изменения u_вх(t) и u_вых(t) следует по-прежнему рассматривать относительно общего (эмиттерного) вывода транзистора. Так, например, присоединение не эмиттерного, а коллекторного вывода транзистора в этой схеме к точке нулевого потенциала не изменяет название этой схемы как схемы ОЭ, хотя это название может быть дополнено указанием, что схема является не только схемой ОЭ, но и схемой с заземленным коллектором.

В данном случае выходной контур образован как последовательное соединение источника питания Е_п, нагрузки R_н и выходных зажимов УП (на рисунке 5 – зажимы коллектор и эмиттер). Значение тока I_вых в выходном контуре зависит не столько от напряжения источника питания, сколько от режима работы УП. Характер этого режима, в первую очередь, зависит от входного тока I_вх, протекающего во входной цепи УП, или же от разности потенциалов U_вх, образованной на управляющем входе УП. Для биполярного транзистора характер этой зависимости определяет ход графика его сквозной передаточной характеристики (СПХ) - зависимости тока коллектора от напряжения база-эмиттер (рисунок 6).

Рисунок 6. Сквозная передаточная характеристика транзистора

Работа усилительного каскада основана на управлении с помощью УП значением тока, протекающего в выходной цепи, т. е. в контуре нагрузки. Одной из основных функций усилительного каскада является усиление сигнала при малых искажениях его формы. Неискаженное воспроизведение сигнала достигается за счет того, что режим работы УП организуется таким образом, чтобы сигнальные изменения I_вых приходились на линейный участок СПХ. Анализ хода графика СПХ биполярного транзистора на рисунке 6 показывает, что указанному условию отвечает участок СПХ, соответствующий U_бэ  0,7 В, протяженностью порядка 100 мВ. Обеспечение указанного условия линейности в схеме на рисунке 5 достигается с помощью вспомогательного источника постоянного напряжения или тока, включенного во входную цепь УП. Эти источники называются источниками смещения. В схеме на рисунке 5 в качестве источника смещения выступает источник напряжения Е₀.

Усиливаемые сигналы u_вх(t) или i_вх(t) воздействуют на входные цепи УП, вызывая изменения соответствующие (по форме) изменениям тока i_вых(t), при этом i_вых(t) = h_21э i_вх(t), где h_21э – постоянный множитель, называемый коэффициентом усиления транзистора по току при его включении по схеме ОЭ, т.е. при включении, когда общей ветвью для протекания входного (базового) и выходного (коллекторно-эмиттерного) тока является коллекторный вывод транзистора.

Сигнальные изменения тока I_вых, протекая через резистивную нагрузку R_н, создают в соответствии с законом Ома выходное сигнальное напряжение u_вых(t) = I_вых R_н, при этом u_вых(t) = К u_вх(t), где К – коэффициент усиления по напряжению.

В состав схемы на рисунке 5 включен так называемый разделительный конденсатор С_р, обеспечивающий разделение ветвей схемы на постоянном и переменном токе. Конденсатор С_р имеет относительно большую емкость, поэтому знакопеременные сигнальные напряжения u_вых(t) не создают какого-либо падения напряжения на этом конденсаторе, в результате чего сигнальный потенциал u_вых(t) коллекторного вывода передается без потерь на выход (к зажиму 2).

Усилительные тракты и каскады, в которых передача сигналов от одного участка схемы к другому осуществляется с помощью разделительных конденсаторов, называются усилителями переменных сигналов. Усилители этого типа в отличие от так называемых усилителей постоянного тока (УПТ) не способны эффективно реагировать на медленно изменяющиеся сигналы. Но, в тоже время, к их достоинствам относится то, что в этих усилителях отсутствует взаимное влияние на постоянном токе участков тракта, разделенных конденсатором С_р. С учетом сказанного схему на рисунке 5 можно рассматривать как схему УПТ (если в качестве точки выделения выходных сигнальных изменений принять узел схемы, к которой подходит коллекторный вывод транзистора) и как каскад усиления переменного сигнала (если за выход принять узел 2 схемы). Следует также отметить, что в схемах усилителей переменного сигнала обычно помимо разделительных С_р присутствуют так называемые блокировочные конденсаторы С_б. Блокировочные конденсаторы шунтируют участки схемы, благодаря чему на этих участках не возникает сигнальных разностей потенциалов не смотря на протекание через них сигнальных токов.

Рассмотрим эквивалентные представления источников сигнала и особенности передачи сигнала от источника во внешнюю цепь (нагрузку).

Всякий источник энергии, в частности источник сигнала можно представить в виде генератора тока с параллельно включенным сопротивлением или в виде генератора ЭДС с последовательно включенным внутренним сопротивлением (рисунок 7).

Конечное внутреннее сопротивление r_г отражает тот факт, что при холостом ходе на выходных зажимах первого источника напряжение на них ограничено, а при коротком замыкании второго источника ток имеет конечную величину.

При передаче энергии от источника во внешнюю цепь (нагрузку) на внутреннем сопротивлении рассеивается мощность.

Рисунок 7. Эквивалентное представление источников сигнала

Если сигнал не имеет постоянной составляющей, то будем использовать обозначения, приведенные на рисунке 8.

Рисунок 8. Условные обозначения источников переменных сигналов

При представлении источников переменного сигнала их внутреннее сопротивление (импеданс), а также импеданс нагрузки зачастую нельзя считать чисто вещественными, необходимо учитывать комплексный характер (рисунок 8).

Теорема о максимальной мощности говорит, что при заданном внутреннем сопротивлении источника сигнала максимальная мощность выделится в нагрузке при условии (комплексно сопряженное согласование).

Заметим, что если импеданс нагрузки фиксирован, то задача поиска оптимального значения импеданса источника не имеет смысла – максимальная мощность выделится в нагрузке при .

Если некий источник сигнала характеризуется мощностью, то необходимо указывать, на какой нагрузке эта мощность выделяется. Если источник характеризуется напряжением или током, то необходимо указывать внутреннее сопротивление источника.

Если говорят, что на схему подан сигнал u_вх, то это означает, что на входных зажимах цепи реализуется сигнал u_вх, в общем случае u_вх≠u_г(рисунок 9).

Рисунок 9. Входная цепь усилителя

Если же внутреннее сопротивление источника мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, то u_вх≈u_г.