3. Электронные усилители. Классификация усилителей.

усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала без изменения его формы. Превышение мощности, выделяемой в нагрузке усилителя, над мощностью сигнала, подаваемого на его вход, осуществляется за счет энергии источника питания. Входной сигнал управляет передачей энергии от источника к нагрузке. Структурная схема электронного усилителя приведена на рис. 1. На рис. 2 приведены схемы замещения усилителя.

Рис. 1. Структурная схема электронного усилителя

а б

Рис. 2. Схемы замещения усилителя

Источник входного сигнала подключен параллельно входному сопротивлению R_вх=U_вх/I_вх. Со стороны выхода усилитель можно представить генератором напряжения или тока с внутренним сопротивлениемR_вых.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника входного сигнала (генератора) R_ги входного сопротивления усилителяR_вх источник входного сигнала может работать в режиме холостого хода (х.х.), еслиR_вх >>R_г, короткого замыкания (к.з.) приR_вх <<R_ги в режиме согласования приR_вхR_г.

По соотношению R_выхиR_вхусилители подразделяются на усилители:

с потенциальным выходом, если R_н >>R_вых;

с токовым выходом, если R_вых>> R_н;

с мощностным выходом, при R_выхR_н.

Поэтому различают усилители по напряжению, току и мощности. Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными рис. 3.

Рис. 3. Многокаскадный усилитель

Первый каскад называется входным, предпоследний (n– 1-й) – предоконечным, последний – оконечным. Связи между каскадами различают емкостную, трансформаторную и гальваническую.

Классификация усилителей

Усилители различают:

1) по виду усиливаемого сигнала – усилители постоянного тока (УПТ), усилители гармонического и импульсного сигналов;

2) по виду усиливаемой величины – усилители напряжения, тока и мощности;

3) по диапазону усиливаемых частот – усилитель постоянного тока, усилители переменного тока подразделяются; усилители низких частот (УНЧ),усилители высоких частот (УВЧ), усилители СВЧ-диапазона, оптические усилители, широкополосные, узкополосные, избирательные усилители, усилители с управляемой полосой усиливаемых частот;

4) по виду соединения между каскадами в многокаскадных усилителях различают – усилители с гальванической, емкостной и трансформаторной связью. Связь по постоянному току обеспечивается только при наличии гальванической связи;

5) по виду нагрузки – усилители с активной, емкостной и индуктивной нагрузкой;

6) резонансные усилители (в процессе усиления используются резонансные системы);

7) по способу усиления – электронные, магнитные, электромашинные, оптические или квантовые, параметрические усилители.

3. Основные параметры усилителей.

Работа усилителя оценивается следующими параметрами:

1. Коэффициент усиления.

Иногда коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах дБ.

Учитывая, что в устройствах автоматики и связи пределы изменения мощности, напряжения и тока достаточно велики (несколько порядков), то для упрощения расчетов вводится понятие «уровень» Различают абсолютные и относительные уровни. Абсолютные уровни определяются относительно одноименных величин принятых за единицу, Р_o,U₀,I₀.

В соответствие с международными соглашениями (МККТТ) принято Р₀= 1 мВт,U₀иI₀определяются для заданного сопротивления, например, дляR₀= 600 Ом,I₀= 1,2910^3А,U₀= 0,775 В., при этом Р₀=I₀U₀= 1мВт.

Абсолютные уровни определяются как логарифм отношения,

А_P(дБ) = 10lg P/P₀, A_U(дБ) = 20 lg U/U₀, A_I(дБ) = 20 lg I/I₀.

Если Z_вх=Z_вых, то относительные уровни равны разности абсолютных .

Если Z_вх≠Z_вых, то относительные уровни определяются с учетом неравенства этих сопротивлений.

Важнейшими параметрами усилителя являются входное и выходное сопротивления, их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства, как с источником сигнала, так и с нагрузкой:

приR_н=const;

,

где напряжение и ток на выходе усилителя при подключенной нагрузке.

Часто интересуются только активными составляющими входных и выходных сопротивлений.

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя:

К₀= К₁К₂К₃ … К_n;

К₀(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) + … + К_n(дБ),

где К₁, К₂, … К_nкоэффициенты усиления отдельных каскадов.

2. Выходная мощностьусилителямощность, выделяемая на нагрузке с заданным коэффициентомнелинейных искажений усиливаемого сигнала.

3. Чувствительностьусилителя – минимальное значение входного сигнала, при котором обеспечивается номинальное значение выходной мощности.

4. Амплитудная характеристикаусилителя – зависимость К_U=f(U_вх) приf=const.

Рис. 4. Амплитудная характеристика усилителя

5. Динамический диапазон– отношениеU_{вх max}кU_{вх min}:

.

Динамический диапазон обеспечивает работу усилителя на линейном участке амплитудной характеристики.

6. Частотная характеристикаусилителя – К_U=F(f) приU_вх=const.

Рис. 5. Частотная характеристика усилителя

7. Диапазон усиливаемых частот– полоса частотf=f_в–f_н, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за заданные пределы. Как правило, диапазон частот определяется по уровню 3 дБ или в 1,41 раза.

8. Коэффициент частотных искажений:

9. Нелинейные искаженияпроявляются в том, что при усилении спектрально чистого синусоидального сигнала выходной сигнал не является синусоидальным. В выходном сигнале кроме основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляются высшие гармонические составляющие.

Для иллюстрации возникновения нелинейных искажений запишем квадратичную зависимость тока базы I_бот напряжения база – эмиттерU_б-э:

I_б=f(U_б) = А(U_б0+U_вх)²,

где А – постоянный коэффициент, имеющий размерность проводимости.

;.

Таким образом, при аппроксимации входной характеристики квадратичной зависимостью на выходе появляются составляющие с удвоенной частотой входного сигнала. При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным сигналом, а все остальные составляющие – следствием нелинейных искажений.

10. Уровень нелинейных искаженийпропорционален мощности высших гармонических составляющих и при усилении синусоидального сигнала оценивается или коэффициентом нелинейных искажений К_ниили коэффициентом гармоник К_г.

11. Линейные искажения (частотные) обусловлены зависимостью от частоты коэффициента усиления, реактивных составляющих схемы. Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды сигнала, а зависит только от частоты. В общем случае:

.

На практике отдельно рассматривают модуль и аргумент коэффициента усиления (АЧХ и ФЧХ).

12. Фазовые искаженияне влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, но вызывают изменение формы сигнала из-за фазового сдвига отдельных гармонических составляющих сигнала.

Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Частотные и фазовые искажения обусловлены одними и теми же причинами и проявляются одновременно. Большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые и наоборот