Глава 7

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

7.1. Общие сведения об усилителях

Усилитель— это устройство, преобразующееэлектрическиеколебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.

Функции, выполняемыеусилителями, оченьразнообразны. Они являются основными узлами радиотехнической аппаратуры и широко используются в различных устройствах автоматики и телемеханики. Усилителиподразделяютпонесколькимпризнакам, основные из которых: диапазон электрических частот, род усилительных элементов, междукаскадные связи. По диапазону частот электрических колебаний, в пределах которого обеспечивается удовлетворительная работа усилителя, их делят на усилители низкой (УНЧ) и высокой (УВЧ) частоты, широкополосные и постоянного тока; по роду усилительных элементов — на ламповые, полупроводниковые, магнитные; по назначению усилители делят в зависимости от выходной величины по отношению к входной — усилители напряжения, тока и мощности, которые в основном одинаковые по схемным решениям и отличаются лишь типами применяемых приборов и режимов работы. Междукаскадные связи усилителей бывают: резисторно-емкостные, трансформаторные, резисторнотрансформаторные и резонансные.

Основные характеристики усилителей

Основные характеристики усилителей:

—коэффициент усиления,

—диапазон усиливаемых частот,

126

—выходная мощность,

—номинальное входное напряжение (чувствительность),

—коэффициент полезного действия,

—динамический диапазон амплитуд и уровень помех,

—коэффициенты нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления — это отношение приращения выходного параметра к приращению входного параметра или отношение амплитуды выходного параметра к амплитуде входного парамет-

ра. Коэффициенты усиления напряжения kU, токаkI имощностиkP имеют соответственно следующие выражения:

В ряде случаев бывает недостаточно одного усилительного каскададляполучениянеобходимогозначенияусиливаемогопараметра. В этом случае применяют многокаскадные усилители, состоящие из последовательно соединенных отдельных каскадов, как это показано на рис. 7.1. Обычно включают последовательно не более трех каскадов. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов k = k1 k2 … kn .

Рис. 7.1. Многокаскадный усилитель

Для структурной схемы усилителя, изображенной на рис. 7.1,

Коэффициентыусиления, определяемыепоформуле(7.1), отвлеченные числа. Для оценки различных уровней величин применяют единицу измерения — децибел (дБ). Коэффициент усиления, выраженныйвдецибелах, дляоценкиусилениянапряжения итокаравен десятичному логарифму отношения выходной и входной величин,

127

умноженномуна20, адлямощности— на10. Последнееобъясняется тем, что мощность пропорциональна квадрату напряжения или квадрату тока

Таким образом, для оценки усиления напряжения, тока и мощности будем иметь:

Обратный переход от децибелов к отвлеченному числу, напри-

мер для оценки усиления напряжения, производят при помощи вы-

ражения kU =10KUдБ / 20 . Если принять kUдБ = 1, то kU = 10KUдБ / 20 = 101/20 = 1,12. Это означает, что при усилении в один децибел полу-

чаем напряжение на выходе в 1,12 раза (на 12 %) больше входного напряжения. Ниже приводится перевод в децибелы некоторых значений коэффициента усиления:

Коэффициентусилениямногокаскадногоусилителя, выраженный вдецибелах, представляет собойсуммукоэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженный в тех же единицах:

Сквозной коэффициент усиления. Этим показателем оценивают степени использования ЭДС тока или мощности источника сигнала в усилителях с малым входным сопротивлением, выполненным обычно на биполярных транзисторах.

СквознойКУпонапряжению(именуемыйиногдаКУпоЭДС) определяюткакотношениеустановившегосязначенияамплитудынапряжениясигналанавыходеусилителя камплитудеЭДСисточника сигнала

128

Длявходнойцепиусилителясправедливыследующиесоотношения:

Очевидно, чем больше Zвх по отношению к ZН, тем ближе α к единице, а КУ по ЭДС ближе к КУ по напряжению.

Диапазон усиливаемых частот, или полоса пропускания усилите-

ля — это область частот, в которой коэффициент усиления изменяетсянебольше, чемэтодопустимопотехническимусловиям. Допустимые изменения коэффициента усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначений и условий работы усилителя. Усилителисузкойполосойпропусканиядешевлеширокополосных и менее подвержены воздействию различного вида помех.

Входная мощность на средних частотах, на которых входное сопротивление становится чисто активным, при воздействии синусоидального сигнала:

Выходная мощность — один из основных показателей усилителя, представляющий собой полезную мощность, развиваемую усилителем на сопротивлении нагрузки:

где Rн — активная составляющая сопротивления нагрузки.

Номинальная выходная мощность — это наибольшая мощность,

которую отдает усилитель в нагрузку при заданных величинах нелинейных и частотных искажений. Значение этой мощности колеблется от десятых долей ватта до нескольких десятков и сотен ватт. Увеличение выходной мощности выше номинальной вызывает искажения усиливаемых сигналов.

Номинальное входное напряжение (чувствительность) — это на-

пряжение, которое необходимо подать на вход усилителя для получения номинальной выходной мощности. Входное напряжение зависит от типа источника усиливаемых сигналов и колеблется от десятков долей милливольта до нескольких вольт.

Подачанавходусилителянапряжениявышеноминальногоприводит к значительным искажениям сигнала и называется перегрузкой со стороны входа.

129

Коэффициент полезного действия усилителя характеризует эко-

номичностьегоработыипредставляетсобойотношениеноминальнойвыходноймощностиPвых кмощностиPобщ, потребляемойусилителем от всех источников питания:

Динамический диапазон амплитуд D — это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на выходе усилителя, выражаемое в децибелах:

Уровень наиболее слабого сигнала на выходе усилителя ограничивается его собственными шумами и уровнем помех.

Значение максимального напряжения на выходе ограничено искажениями, возникающими в усилительных приборах. Для увеличения динамическогодиапазонаусилителянеобходимостремитьсякуменьшению его собственных помех. Причины помех на выходе усилителя различны, но их можно разделить на три основные группы:

—тепловые шумы;

—шумы усилительных элементов; помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей.

Тепловыешумывозникаютврезультатенаправленногодвижения электронов(тока) впроводниковыхиполупроводниковыхэлементах усилителя. Падения напряжения на этих элементах, возникающие вследствиепротеканиятока, неподчиняютсякакому-либоопределен- номузакону, однакоонивоздействуютнаработуусилителя, вносяискажениявусиливаемыйсигнал. Шумовыенапряжения, вследствиеслучайногохарактераихвозникновения, имеютразличныечастотыифазы

иохватываютвсюполосучастотусилителя. Поэтомусувеличениемполосыпропусканияуровеньшумавозрастает, атаккакзначениенапряже- нияпомехитепловыхшумовнезначительно(порядка1—2 мкВ), тооно сказываетсялишьприбольшихкоэффициентахусиления.

Шумыусилительныхэлементоввозникаютвследствиенеравномерногодвижения носителей электричества через усилительный элемент.

Помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей оказывают боль-

130

шое влияние на общий уровень помех усилителя. Уменьшение помех из-за пульсаций напряжения достигается применением сглаживающих фильтров на выходе источников питания, а от внешних электрическихимагнитныхполей— тщательнойэкранировкивходных цепей усилителя. Значение напряжения суммы помех на входе усилителя должно быть значительно меньше напряжения усиливаемого сигнала; в противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал. Для устройства железнодорожной телемеханики полезный сигнал должен превышать уровень помех не менее чем на 15,6 дБ при частотной и на 24,3 дБ при амплитудной модуляции.

Приусиленииэлектрическихсигналовбольшуюрольиграютнелинейные и частотные искажения.

Нелинейные искажения — это изменение формы входного сигнала на выходе усилителя, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую проходит этот сигнал. Основная причина появления нелинейных искажений в усилителе — нелинейность характеристик транзисторов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей железными сердечниками. В результате нелинейных искажений на выходе усилителя кроме полезного сигнала появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Степень нелинейных искажений усилите-

ляобычнооцениваютвеличинойкоэффициентанелинейныхискаже-

ний, представляющего собой корень квадратный из отношения суммы высших гармонических составляющих мощности (токов, напряжений) к первой гармоничной составляющей усиленного сигнала. Допустимоезначениекоэффициентанелинейныхискаженийзависит от назначения усилителя, для усилителей радиоустройств и телефонии его значение от 4 до 15 %, для усилительных устройств автоматики и телемеханики — значительно больше.

Частотныеискажениявызываютсяизменениемкоэффициентаусиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме усилителя реактивных элементов: конденсаторов, катушек индуктивности, р-n переходов полупроводников, емкостимонтажаит.п. Зависимостьзначенияреактивногосопротивления отчастотынепозволяетполучитьпостоянныйкоэффициентусиления в широком диапазоне частот. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по егочастотной характеристике — зависимостикоэффициентаусиленияотчастотыусиливаемогосигнала. Нарис.

131