2. Усилители

2.1. Определение и классификация усилителей

Электронный усилитель - это устройство, увеличивающее мощность электрических сигналов. Основным элементом усилителя является при­бор, обладающий управляющими свойствами, т.е. управляющий элемент (транзистор, тиристор, лампа и др.). Кроме того, в состав усилителя входят пассивные элементы и источник питания.

Один управляющий элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Структурная схема усилительного каскада показана на рис.2.1. К входу усилителя подключается источник сигнала. Входной ма­ломощный сигнал управляет энергией источника питания значительно большей мощности. Таким образом, используя управляющий элемент, например, транзистор и более мощный источник питания, можно усили­вать мощность входного сигнала. Внешняя нагрузка R_н, потребляющая энергию усиленного сигнала, подключается к выходу усилителя. Наг­рузкой, а также источником входного сигнала часто служат соответс­твенно последующий и предыдущий каскады усиления, т.к. в общем слу­чае усилитель может содержать несколько каскадов усиления.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности. Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузочном сопротивлении заданную величину выходного напряжения, его входное сопротивление намного больше сопротивления источника сигнала R_вх>>R_и, а сопротив­ление нагрузки намного больше выходного сопротивления усилителя R_н>>R_вых. Режим усилителя тока обеспечивается, когда R_вх<<R_и и R_н<<R_вых. В режиме усилителя мощности R_вх ≈ R_и и R_вых ≈ R_н. Такое деле­ние достаточно условно потому, что любой усилитель в конечном итоге усиливает мощность.

По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

По диапазону и абсолютным значениям усиливаемых частот сигнала - усилители постоянного тока (полоса частот от нуля до верхней гра­ничной частоты), переменного тока, высокой частоты, промежуточной частоты, низкой частоты, широкополосные усилители.

По виду связи между каскадами различают усилители с RC-связью, трансформаторной, резонансно-трансформаторной, и непосредственной.

2.2. Основные характеристики усилителей

Входное и выходное сопротивления. Входное сопротивление R_вх представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Выходное сопротивление R_вых определя­ется между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке и отсутствии входного сигнала.

Коэффициент усиления. Основным показателем всех усилительных схем является коэффициент усиления - отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе. Так как выходной сигнал отличается от входного не только по величине, но и по фазе, то в общем случае коэффициент усиления - величина комплексная:

K = K·exp(jφ)

где: К - модуль коэффициента усиления;

φ - угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами.

В зависимости от усиливаемого параметра различают коэффициенты усиления по напряжению К_u = U_вых/U_вх, по току K_i = I_вых/I_вх и по мощности K_p = P_вых/P_вх. Коэффициент усиления по мощности всегда число действительное.

Так как восприятие слуховых органов человека подчиняется лога­рифмическому закону, усиление удобно выражать в логарифмических единицах - децибелах. К тому же во многих схемах усиления уровень мощности сигнала в различных точках может меняться от микроватт до киловатт и коэффициент усиления в безразмерных единицах выражался бы довольно громоздким числом. Формулы перевода имеют вид:

K_u(дБ) = 20lgK_u; K_i(дБ) = 20lgK_i; K_p(дБ) = 10lgK_p.

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Необходимо иметь в виду, что входной сигнал любой формы можно представить как сумму гармонических составляющих, имеющих различные частоты и уси­ливающихся неодинаково.

На рис.2.2,а показана типичная частотная характеристика для уси­лителя с RC-связью. Как видно из рисунка, модуль коэффициента уси­ления на различных частотах имеет разные значения, в результате че­го на выходе усилителя изменяется форма сложного сигнала или ампли­туда гармонического, т.е. усилитель вносит в усиливаемый сигнал частотные искажения. Они обусловлены наличием реактивных элементов (емкостей и индуктивностей), сопротивления которых зависят от час­тоты.

Частотные искажения на частоте f оцениваются коэффициентом час­тотных искажений М

М = К₀/К_f

где: К₀ - модуль коэффициента усиления на средних частотах;

K_f - модуль коэффициента усиления на частоте f.

Обычно в зависимости от назначения усилителя допустимые частот­ные искажения лежат в интервале сотые доли децибела - несколько децибел.

Частоты f_н и f_в на которых искажения достигают гранично-допустимую величину для усилителя данного назначения, называются граничны­ми. Диапазон частот Δf = f_в - f_н называется полосой пропускания усилителя. Обычно на частотной характеристике выделяют три участка: средний, почти горизонтальный участок, со средней частотой f₀, ле­вый (область нижних частот) и правый (область верхних частот) участки, на которых заметно снижается коэффициент усиления.

Фазовая (фазочастотная) характеристика усилителя (рис.2.2,б) представляет собой зависимость фазового сдвига между выходным и входным напряжениями от частоты, пунктиром на рис.2.2,б показана идеальная фазовая характеристика усилителя без искажений - это пря­мая линия, проходящая через начало координат. Из сравнения частотной и фазовой характеристик видно, что появление частотных искажений сопровождается наличием фазового сдвига между выходным и входным сигналами, т.е. появлением фазовых искажений. Они обусловлены теми же причинами, что и частотные.

В усилителях звуковых сигналов фазовые искажения не играют су­щественной роли, поскольку они не воспринимаются на слух при прос­лушивании музыки и речи. В усилителях импульсных сигналов они вли­яют на форму усиливаемых сигналов.

Амплитудная характеристика (рис.2.2,в) выражает зависимость амп­литуды напряжения (или действующего значения) выходного сигнала усилителя от амплитуды напряжения (или действующего значения) сиг­нала на его входе при некоторой постоянной частоте. Когда значения входного сигнала малы, амплитудная характеристика проходит не через начало координат, т.к. в реальных усилителях при отсутствии входно­го сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Причиной шумов являются пульсации напряжения ис­точника питания, а также неоднородность структуры материала элемен­тов и непостоянство электрических процессов во времени.

При больших входных сигналах (U_вх>U_{вх.макс}) пропорциональность между выходным и входным напряжениями нарушается из-за нелинейности вольт-амперных характеристик транзистора. Данное обстоятельство приводит к искажению формы выходного сигнала, эти искажения называ­ются нелинейными. Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармоник (коэффициенту нелинейных искажений)

,

где: U_i - действующее (амплитудное) значение i-й гармоники вы­ходного напряжения.

Допустимое значение коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Для усиления речи и музыки среднего качества коэффициент гармоник ·2%.

Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряже­ний сигнала, которые данный усилитель может усилить без внесения помех и искажений сверх нормы и равен отношению максимального вход­ного напряжения к минимальному:

D = U_{вх.макс}/U_вх.мин.

Динамический диапазон обычно выражается в децибелах.

Переходная характеристика представляет собой графически выражен­ную временную зависимость мгновенного значения выходного напряжения при воздействии на вход усилителя единичного скачка напряжения. Эта характеристика используется при оценке линейных искажений, вносимых усилителем при передаче импульсных сигналов. Искажения импульсных сигналов называются также переходными искажениями, а аналитическая запись переходной характеристики - переходной функцией.