1.2 Структура усилительного устройства

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получать на выходной нагрузке усилителя те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эти устройства преобразуют маломощный сигнал на входе в аналоговый сигнал большей мощности на выходе. Увеличение мощности сигнала осуществляется за счёт потребления усилителем энергии от дополнительного источника - ИП.

Другим источником в устройстве является управляющий источник энергии, от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель. Его называют источником входного сигнала.

Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой.

Электрические колебания усиливаются с помощью специальных приборов – усилительных элементов (УЭ), которые получают электрическую энергию от ИП и преобразуют ее в энергию усиливаемых сигналов, т.е. обладают управляющими свойствами.

Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания иллюстрирует рис.1. Усилительное устройство имеет входную и выходную сигнальные цепи и цепи питания. Во входную цепь включен источник сигнала, от которого ко входу усилителя подводится сигнал с напряжением U_ВХ, током I_ВХ и мощностью Р_ВХ. В выходную цепь включена нагрузка, к которой от усилителя подводится усиленный сигнал с напряжением U_ВЫХ, током I_ВЫХ и мощностью Р_ВЫХ. Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

Рис.1 Структурная схема усилительного устройства

Мощность Р_ВЫХ, отдаваемая усилителем в нагрузку, меньше мощности Р₀, потребляемой им от ИП. Это обусловлено неизбежными потерями части потребляемой мощности Р_П = Р₀ – Р_ВЫХ в усилительных элементах и пассивных элементах (резисторах и т. д.) усилителя, приводящих к нежелательному нагреву этих элементов, а также к снижению КПД усилителя, оцениваемому как Р_ВЫХ/Р₀. Вопросы снижения этих потерь (или, иначе говоря, повышения КПД усилителя) и отвода тепла очень важны, особенно в мощных усилителях и в усилителях в интегральном исполнении.

Нагрузкой усилителя могут быть – электродинамический громкоговоритель («динамик») или устройство из нескольких динамиков («колонка»), электронно-лучевая трубка (в осциллографе), головные телефоны, монитор, последующие усилители, каналы связи и т. д.

В качестве источника сигнала используют микрофоны, передающие телевизионные трубки, детекторы радиоприемников, предшествующие усилители, каналы связи, различные датчики и т. д.

В качестве усилительных элементов в усилителях телекоммуникационной аппаратуры используют преимущественно биполярные и полевые транзисторы (БТ и ПТ) в виде дискретных приборов или интегральных микросхем (ИМС),

В качестве источника питания в электронных усилителях обычно используют источник постоянного тока (выпрямитель, химический источник) с необходимыми значениями напряжения Е₀ и тока питания I₀.

1.3 Принцип усиления

От источника питания (ИП) усилитель отбирает мощность P₀, необходимую для усиления входного сигнала.

Рис. 2. Эквивалентная схема, поясняющая принцип усиления

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону изменения поданного на вход напряжения или тока усиливаемого электрического сигнала.

Работу усилительного устройства поясняет рис.2. На нём изображена упрощённая эквивалентная схема выходной цепи усилителя. Один входной и один выходной зажимы усилителя имеют общую точку, которая соединена с источником питания и «заземляется». Последовательно с источником питания включены два сопротивления: постоянное сопротивление нагрузки R_Н и изменяемое внутреннее сопротивление усилителя R₀, которое он оказывает постоянному току выходного электрода УЭ. Напряжение E₀ делится между этими двумя сопротивлениями.

При отсутствии сигнала на входе усилителя в выходной цепи протекает ток покоя I₀=E₀/(R₀+R_Н), на внутреннем сопротивлении усилителя R₀ падает напряжение U₀. Под воздействием управляющего напряжения или тока, подводимого ко входу усилителя изменяется сопротивление постоянному току R₀. Изменение этого сопротивления может осуществляться в очень широких пределах при очень малой затрате энергии на входе. При этом переменное напряжение на сопротивлении нагрузки R_Н может быть получено во много раз больше, чем входное переменное напряжение. Общее представление о работе любого УЭ дают выходные статические характеристики. Для суждения о работе УЭ в конкретной схеме нужно начертить линию нагрузки. На рис.3 приведены только координатные оси выходных статических характеристик, а сами характеристики не показаны, поскольку линия нагрузки не зависит от них.

Рис.3 Процесс преобразования энергии ИП в усиленный выходной сигнал

Линия нагрузки представляет собой траекторию, в соответствии с которой должны изменяться выходное напряжение и выходной ток при данном сопротивлении нагрузки R_H и напряжении питания E₀. Все точки нагрузочной прямой являются возможными значениями тока i_ВЫХ и напряжения u_ВЫХ внешнего сопротивления R_Н. Точка А есть точка покоя (исходная рабочая точка или статическая рабочая точка), представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствии сигнала. В процессе воздействия сигнала на входные электроды усилителя изменяется сопротивление R₀, значения токов и напряжений на выходе УЭ изменяются, а рабочая точка занимает различные положения (например точки А1 и А2). На рис.3. показаны линии внутренних сопротивлений усилителя R₀₁ = 1к и R₀₂ = 4к, значения которых определяют координаты этих точек.

В случае гармонического входного сигнала переменная составляющая выходного тока I_m должна колебаться относительно постоянной составляющей (тока покоя) I₀, что и показано на рисунке. А выходное сопротивление УЭ должно изменяться по закону R₀(t)=R₀(1+sinωt). Тогда полный выходной ток i_вых=Е₀/(R_Н+ R₀(t))=I₀/(1+n sinωt),где n= R₀/( R_Н+ R₀).

Справедливости ради необходимо отметить, что при идеальных статических характеристиках такие изменения приведут к уплощению нижней полуволны выходного переменного тока (правой полуволны выходного переменного напряжения U_m), т.к. R₀₂ будет равно 3к. В реальном усилителе закон изменения R₀ от входного сигнала боле сложный.

Главным отличительным признаком усилителя является его способность увеличивать мощность сигнала, получая Р_ВЫХ > Р_ВХ . Это означает, что усилитель является активным четырехполюсником. На схеме рис.1. данный факт отмечен треугольником – знаком усиления.