Некоторые функциональные разновидности усилителей

• Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.

• Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.

• Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (455кГц, 465кГц, 4МГц, 5,5МГц, 6,5МГц, 10,7МГц, 21,4МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника или анализатора спектра.

• Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава и с постоянной составляющей. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, в модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность в полосе частот от постоянного тока.

• Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку.

• Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать.

• Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.

Усилители в качестве самостоятельных устройств

• Усилители звуковой частоты

  • Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.

  • Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.

• Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end.

• Измерительные усилители — предназначены для усиления сигналов в измерительных целях.

  • Усилители биопотенциалов — разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.

• Антенные усилители — предназначены для усиления слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне.

Поскольку усилитель электрических сигналов — это сложное устройство – рис.0.4, его характеризуют набором параметров.

Основные нормируемые параметры

• Диапазон усиливаемых частот (амплитудно-частотная характеристика АЧХ) – выражает зависимость коэффициента усиления K от частоты; обычно диапазон усиления определяют в логарифмическом масштабе по уровню половинной мощности (-3дБ) на краях диапазона рис.0.5;

• Неравномерность АЧХ - показывает отклонения коэффициента K от номинального значения (линейные частотные искажения);

• Коэффициент усиления K – по мощности, току и напряжению

• Фазочастотная характеристика

• Нелинейность фазочастотной характеристики или групповое время задержки (ГВЗ)

• Переходная характеристика при ступенчатом воздействии на входе

• Максимальное выходное напряжение на номинальной нагрузке

• Максимальная выходная мощность на номинальной нагрузке

• Чувствительность – способность усилителя усиливать входной сигнал при заданном отношении сигнал\шум на входе;

• Уровень шума – величина собственных шумов усилителя, приведенная к его входу; может выражаться в абсолютных значениях (мкВ, нВ и т.д.), а может и в относительных – в логарифмическом масштабе (в децибелах) относительно шумов резистора определенного номинала. В радиодиапазоне R = 50Ом. , где /.

• Динамический диапазон D – в логарифмическом масштабе разница между уровнем максимально возможного входного сигнала и уровнем шума – рис.0.6;

• Точка 1дБ компрессии – точка амплитудной характеристики, в которой зависимость выходного сигнала усилителя от входного отклоняется от линейной на 1дБ.

• Уровень интермодуляционных искажений второго и третьего порядков

• Коэффициент нелинейных искажений

• Полное входное сопротивление

• Полное выходное сопротивление

Рассмотрим некоторые примеры применения функциональных модулей в телекоммуникационных устройствах. Так, при построении радиотракта приемного устройства – рис.0.7, необходимы усилитель радиочастоты (УРЧ), смесители (перемножители), синтезированный гетеродин (местный генератор или LO – Local Oscillator – синтезатор частот СЧ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), детекторы или демодуляторы информационного сигнала, логарифмический детектор АРУ, усилители низкой (звуковой) частоты – предварительный и оконечный, усилители линейных выходов, а также стабилизаторы напряжения для питания узлов радиоприемника.

Заметим, что гетеродины радиоприемников в большинстве случаев выполняются синтезированными, т.е. используются синтезаторы частоты (СЧ). При построении СЧ широко применяют СВЧ усилители – причем не только для непосредственного усиления сигналов, но и для уменьшения обратного прохождения сигнала с выхода радиотракта на его вход. Кроме того, в главном тракте приема, как и в СЧ, используют перемножители сигналов – смесители.

В последнее время в устройствах электро- и радиосвязи все шире применяют цифровые виды кодирования информации и ее передачи. Поэтому на выходе трактов УПЧ современных радиоприемников все чаще используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые являются необходимым связующим звеном между аналоговыми трактами приема и цифровыми трактами обработки принимаемых информационных потоков. На входе быстродействующих параллельных АЦП используют устройства выборки-хранения (УВХ), а на выходе – драйверы – приемники линии связи.

При построении радиопередающих устройств – рис.0.8, необходимы, кроме всего прочего, мощные оконечные каскады, работающие либо в широкой полосе частот, т.е. неперестраиваемые, например, в полосе КВ диапазона 1,5…30МГц, либо резонансные, настраиваемые на выходную частоту передатчика. Последний вариант построения характерен для мощных радиовещательных станций, постоянно работающих на одной выделенной частоте.

В качестве задающего устройства используют модуль, который называют возбудитель радиопередатчика. Он включает в себя тракт ввода информации, в частности, микрофонный усилитель, линейные усилители и синтезаторы СЧ выходной и вспомогательных частот. Если сигналы информации формируют на вспомогательной частоте, тогда их переносят в выходной диапазон с помощью дополнительных преобразований. Если же выходной диапазон и используемая элементная база позволяют, тогда модуляция несущего колебания информационными сигналами происходит сразу на выходной частоте передатчика.

Далее сформированный радиосигнал фильтруют и усиливают. Поскольку мощность сигнала на выходе возбудителя невелика – единицы милливатт, приходится использовать многокаскадные схемы усиления. При использовании сложных многочастотных сигналов важное значение приобретают не только экономичность режимов работы каскадов усиления мощности, но и их линейность.

Сигналы информации на информационном входе передатчика могут быть аналоговыми или цифровыми. В первом случае используют АЦП, предварительную цифровую обработку информационного потока с помощью, например, сигнальных процессоров, и цифровые методы переноса сигналов информации в радиодиапазон. Если же модулятор передатчика аналоговый, то цифровой поток после соответствующей обработки в процессоре с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) преобразуют в аналоговый сигнал и далее обрабатывают аналоговыми трактами передатчика. Быстродействующие ЦАП имеют, как правило, токовый выход. В то же время, на вход модулятора необходимо подавать сигнал в виде напряжения. Поэтому выход ЦАП дополняют внешним устройством на ОУ, преобразующим ток в напряжение.

Как видно из приведенных примеров, требования к усилительным каскадам могут быть самыми разнообразными. В приемниках важны малые собственные шумы маломощных входных усилителей, их высокая линейность и большой динамический диапазон. В передатчиках, кроме линейности, требуется грамотный выбор режимов усилителей мощности и хорошее согласование каскадов усиления.

Усилители широко применяют и в электроакустике как для усиления слабых сигналов с микрофонов и иных источников, так и для усиления их мощности с целью преобразования в звуковое давление с помощью наушников или громкоговорителей.

Усилители применяют в электронных вольтметрах, осциллографах, в другой измерительной и электрофизической аппаратуре. Их используют и в силовой электронике для управления двигателями постоянного и переменного токов, а также мощными приводами.

Усилитель как черный ящик (вне способов его структурной или схемотехнической реализации) можно описывать с помощью эквивалентного активного линейного невзаимного четырехполюсника, содержащего зависимый источник (генератор) напряжения – рис.0.9 – или тока – рис.0.10, причем и

Для зависимого генератора напряжения Ė_ВЫХ можно записать

(0.1)

а для зависимого генератора тока İ_ВЫХ

(0.2)

.

Величина с индексом s представляет собой соответствующий статический параметр; например, для каскада усиления на транзисторе со схемой включения ОЭ .

Связь между величинами можно выразить с помощью системы двух линейных уравнений, коэффициенты которых суть параметры четырехполюсника. Нас будут интересовать системы с H, Y, Z параметрами

(0.3)

(0.4)

(0.5)

Для обозначения параметров элементов используют строчные буквы (. В общем случае параметры являются комплексными величинами, т.е. зависят от частоты.

Значения параметров зависят от схемы включения активного элемента и отмечаются дополнительным буквенным индексом, например, – коэффициент усиления тока в схеме с общей базой, – коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером и т.д. Параметры с индексом «21» и «12» представляют собой отрицательные вещественные величины, параметры с остальными индексами – положительные величины. Определители матриц Δ при любой системе параметров положительны.

Системы уравнений четырехполюсника позволяют выразить его показатели через параметры и иммитансы нагрузки на входе и выходе. Например, используя систему уравнений (0.3) и равенство

,

вытекающее из рис.0.6, получим

и

(0.6)

Поскольку вход и выход четырехполюсника на рис.06 и 0.7 и в уравнении (0.3) представлены равноправно, то можно записать по аналогии с (0.6)

(0.7)

Из выражений (0.6) и (0.7) следует, что в случае использования Y- параметров коэффициент передачи четырехполюсника равен

Из рис.0.7 видно, что

и в итоге коэффициент передачи по току равен

,

а коэффициент передачи четырехполюсника по напряжению

25