1,1 Разновидности усилителей По роду усиливаемых сигналов усилители разделяются на 2 группы:

Усилители гармонических (аналоговых) сигнагов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной формы, частота которых изменяется много медленнее чем переходные процессы в УЭ. Установление процессов в УЭ должно проходить с большой скоростью, чтобы не искажался усиливаемый сигнал.

Усилители импульсных (цифровых) сигналов, предназначенные для усиления импульсных сигналов различной формы. Установление процессов в УЭ должно проходить с ещё большей скоростью чем в аналоговых усилителях.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делят на следующие типы:

Усилители постоянного тока (точнее, усилители медленно меняющихся токов и напряжений), предназначенные для усиления эл. колебаний любой частоты в пределах от низкой частоты f_н= 0 до высшей рабочей (граничной) частоты f_гр., т.е. усиливающие как переменные так и постоянную составляющие сигнала.

Усилители переменного тока, предназначенные для усиления эл. колебаний любой частоты в пределах f_н > 0 до f_верх. < f_гр, но не способные усиливать постоянную составляющую сигнала.

Оптические усилители обеспечивают усиление сигналов в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Они подразделяются на повторители, собранные на светодиодах и усилители, собранные на лазерных диодах различного типа.

Электронно-оптический повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем снова преобразует в оптический сигнал. При цифровой передаче сигналов повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому фотоприёмнику.

Оптический усилитель в отличие от повторителя не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а только усиливает оптический сигнал. Основными показателями, характеризующими свойства усилителя, являются: входные и выходные данные; коэффициент усиления (К_ус), КПД, частотная, фазовая, амплитудная, и переходная характеристики, динамический диапазон, уровень собственных шумов и помех, нелинейность.

1,2,5 Усилитель Эл.сигналов (основные понятия и определения)

Усилитель электрических сигналов – это устройство, увеличивающее (усиливающее)мощность подводимых к нему электрических сигналов путём управления ими энергией собственного источника питания усилителя при помощи усилительных элементов (УЭ) (ламп, транзисторов, микросхем), обладающих управляющими свойствами.

Усилитель является разновидностью активного 4-х – полюсника. Он имеет входную и выходную сигнальные цепи и цепи питания. Во входную цепь включается источник усиливаемого сигнала, от которого к входу усилителя подводится сигнал с напряжением _вх, током _вх и мощностью Р_вх. В выходную цепь включается нагрузка, к которой с выхода усилителя подаётся усиленный сигнал с напряжением _вых, током _вых и мощностью Р_вых.

Рис. 4. Структурная схема усилителя.

Главным отличительным признаком усилителя является его способность усиливать мощность сигнала, получая Р_вых.>Р_вх..

1,320 Способы включения транзисторов в схему усилителя

Транзисторы имеют 3 основных электрода: эмитирующий (эмиттер БТ, исток ПТ), управляющий (база БТ, затвор ПТ), управляемый ( коллектор БТ, сток ПТ).

Для усиления сигнала необходимо, чтобы источник сигнала был включён в провод управляющего электрода, а нагрузка – в провод управляемого электрода. Возможны 3 способа включения УЭ по сигналу (Рис7 и 8):

1. с общим эмиттером - ОЭ (у БТ) и с общим истоком - ОИ (у ПТ);

2. с общей базой -ОБ ( у БТ) и общим затвором – ОЗ (у ПТ);

3. с общим коллектором – ОК (у БТ) и общим стоком – ОС (у ПТ).

Общий для входной и выходной цепей электрод УЭ подключается к общему проводу усилителя и имеет нулевой потенциал.

Способы включения УЭ существенно влияют на такие важные показатели каскадов, как коэффициенты усиления (К_ус) сигнала по напряжению Ku; по току Ki; по мощности Kp, обеспечиваемые УЭ; R_вх и R_вых схемы; нелинейные искажения, амплитудно-частотные (линейные) искажения; стабильность усиления; собственные шумы и помехи; f_гр., а также определяют способность каскадов инвертировать и не инвертировать усиливаемый сигнал.

Включение с ОБ (а) обеспечивает усиление только по напряжению. Коэффициент усиления по току 1 и мало изменяется при изменении режима работы, температуры. Коэффициент усиления по мощности незначительный.R_вх транзистора меньше, чем при других схемах включения. Усиливаемый сигнал не инвертируется.

При увеличении R_нагр входное сопротивление R_вх транзистора возрастает. R_вых транзистора больше, чем при других схемах включения и растёт с увеличением R_ист сигнала. Коэффициент нелинейных искажений (НИ) не превышает нескольких % при полном использовании характеристики транзистора. Поэтому схему с ОБ часто применяют в выходных каскадах УНЧ.

Включение с ОЭ (б) обеспечивает усиление как тока так и напряжения сигнала. Усиление по мощности – наибольшее из всех трёх схем включения, однако сильно изменяется при изменении режима работы транзистора и температуры. R_вх транзистора значительно выше, чем при включении по схеме с ОБ. При увеличении R_нагр входное сопротивление R_вх транзистора уменьшается. R_вых транзистора ниже , чем при схеме с ОБ, и уменьшается при увеличении R_ист.. Коэффициент гармоник в схеме с ОЭ высокий и может достигать 10-15%. Схемы с ОЭ часто используют в предварительных каскадах в режиме малого сигнала и в выходных каскадах, где искажения сигналов усиливаются незначительно. Сигнал инвертируется.

Схема с ОК (в) отличается большим сопротивлением R_вх., которое значительно возрастает при увеличении R_нагр.. При увеличении R_ист. R_вых. резко возрастает.

К_ус по напряжению (0,8 – 0,9). К_ус. по току выше, чем в схеме с ОЭ и сильно изменяется при изменении режима работы и температуры. Сигнал не инвертируется.

Включение по схеме с ОК применяется в каскадах предварительного усиления в тех случаях, когда требуется большое R_вх. и малая входная ёмкость. В каскадах мощного усиления такое включение применяют для качественного согласования с нагрузкой и получения малого коэффициента гармоник.

Включение с ОИ (в) полевых транзисторов позволяет получить бóльшее усиление по мощности, чем другие схемы включения и применяется чаще других.

R_вх. ПТ в схеме с ОИ велико, входная ёмкость сравнительно велика и растёт при увеличении К_ус. по напряжению. Сигнал инвертируется.

Включение с ОС (б) имеет большое R_вх., малое R_вых. и К_ус. по напряжению1.

Входная ёмкость каскада с ОС во много раз меньше, чем каскада с ОИ, и почти полностью определяется ёмкостью сток – затвор. Сигнал не инвертируется.

Включение с ОЗ (а) отличается малым R_вх.. К_ус. по току несколько1, но усиление по напряжению большое. Схема включения с ОЗ используется редко, в основном в тех случаях, когда желательно получить малый уровень шумов. Сигнал не инвертируется.

Применяя в многокаскадном усилителе (или в микросхеме) соответствующие сочетания схем включения УЭ, добиваются получения требуемых показателей усилителя (пример ОУ). При этом часто во входных и выходных каскадах усилителей применяют определённые комбинации схем включения УЭ (ОЭ-ОБ, ОК-ОБ, ОИ-ОЗ), называемые каскодными схемами.

Каскодная схема в транзисторных усилителях расширяет полосу пропускания (ПП), т. к. динамическая входная ёмкость VT₁, нагруженного на низкое R_вх. VT₂, включённого по схеме с ОБ много ниже чем у каскада, собранного по схеме с ОЭ.

Усиление каскада получается большим при широкой ПП, т. к. VT₂ даёт большое усиление по напряжению, а VT₁ – усиление по току.

1,4 Однотактный каскад содержит один УЭ (или несколько параллельно соединённых УЭ) и имеет ассимметричные выход и вход. Один из входных и один из выходных зажимов подключаются к общему проводу (корпусу) усилителя и имеют нулевой потенциал. Потенциалы других зажимов на входе и выходе оцениваются относительно общего провода. Однотактные каскады чаще всего используются в качестве предварительных усилителей

Основным режимом предварительных каскадов является режим А.

Дифференциальный каскад представляет собой комбинацию однотактных каскадов с объединённым общим проводом и источником питания, работающих в противофазе, токи сигналов в выходных цепях которых имеют противоположные направления. Эти однотактные каскады образуют плечи дифференциального каскада, симметричные относительно общего провода. Дифференциальный каскад имеет 2 УЭ, симметричные вход и выход. На вход дифференциального каскада подаются 2 симметричных напряжения сигнала и на выходе получается 2 симметричных напряжения сигнала. Симметричными называются сигналы, которые в любой момент равны по величине и противофазны по знаку относительно общего провода. Дифференциальные каскады работают в режиме А. Основным достоинством дифференциальных каскадов является малый дрейф нуля. Они широко используются в схемах усилителей постоянного тока и часто являются составной частью ОУ.

12 Двухтактный каскад. 2-х тактный каскад как и дифференциальный тоже представляет собой комбинацию 2-х одинаковых однотактных каскадов с объединённым общим проводом и источником питания, образующих плечи 2-х тактного каскда, симметричные относительно общего провода и работающие в противофазе.

2-х тактный каскад тоже имеет 2 УЭ (или 2 группы параллельно соединённых УЭ), на вход которых подаются 2 симметричных напряжения сигнала, и токи сигналов в выходных цепях которых имеют противоположные направления.

Существует ряд разновидностей 2-х тактных каскадов. (p-n-p и n-p-n) транзисторах на входы плечей подаётся одно входное напряжение.

Применение 2-х тактных схем позволяет повысить КПД усилителя и уменьшить уровень нелинейных искажений, т. к. в общей выходной нагрузке чётные гармоники сигналов автоматически подавляются.

Инверсный (фазоинверсный) каскад содержит 1 или 2 УЭ, имеет несимметричный вход и симметричный выход. В инверсном каскаде на вход подаётся одно входное напряжение сигнала, а с выхода снимаются 2 симметричных выходных напряжения.

Инверсные каскады работают в режиме А и используются в основном в качественных предвыходных каскадов для перехода от несимметричного однотактного каскада предварительного усиления сигнала к симметричному 2-х тактному выходному каскаду. Иногда инвертирующие усилители используют в качестве выходного каскада при работе на симметричную (общую) нагрузку.

1,5 Обратная связь в усилителях (назначение, определение, разновидности)

Обратной связью называют связь между участками цепи, посредством которой часть энергии сигнала передаётся с выхода усилителя на его вход, или с последующего каскада на предыдущий (в многокаскадных усилителях). Обратная связь (ОС) сильно влияет на свойства и характеристики усилителя, а поэтому часто вводится в усилитель для изменения его параметров в нужном направлении.

Часть цепи усилителя, по которой энергия выходного сигнала попадает во входную цепь усилителя, называется цепью(петлёй) ОС. Если сигнал ОС находится в противофазе с усиливаемым сигналом, то такая ОС называется отрицательной ОС (ООС).

Если сигнал ОС совпадает по фазе с усиливаемым сигналом, то такая связь называется положительной ОС (ПОС).

ПОС в усилительной и приёмной аппаратуре применяется очень редко (сверхрегенеративный приём), но без ПОС невозможна работа автогенератора.

Цепь, по которой сигнал ОС поступает с выхода усилителя на его вход, называется петлёй обратной связи.