Часть 4 электронные устройства

ОГЛАВЛЕНИЕ ЧЕТВЕРТОЙ ЧАСТИ

Глава 12 электронные усилители 239

12.1. Общие определения 239

12.2. Основные показатели и характеристики усилителей 244

12.3. Типы соединения звеньев в усилителях 259

12.4. Влияние обратной связи на параметры усилителя 267

12.5. Схемотехника усилителей переменных сигналов 285

12.5.1. Обобщенная структурная схема усилителя 286

12.5.2 Режимы работы усилительных элементов 292

12.5.3. Каскады промежуточного усиления на транзисторах 299

12.5.4. Повторители тока и повторители напряжения 320

12.5.5. Каскады усиления мощности 332

12.6. Схемотехника усилителей постоянного тока 356

12.7. Операционные усилители 370

12.8. Генераторы синусоидальных колебаний 401

12.9. Избирательные усилители 413

Глава 12 электронные усилители

12.1. Общие определения

Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы. Эти усилители называются электронными, так как принцип действия используемых в них усилительных элементов (транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем, тиристоров и других приборов) основан на электронных процессах, происходящих в полупроводнике или вакууме.

Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, входной сигнал которого управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Это преобразование осуществляется с помощью активных элементов усилителя (усилительных элементов). Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой. Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания показана на рис. 12.1.

В качестве источника входного сигнала могут выступать различные датчики, микрофон, фотоэлемент, термопара и т.д., а также предшествующий усилитель, поскольку усиление, даваемое одним усилительным элементом, для практических целей часто оказывается недостаточным. Тогда в усилителе используют несколько усилительных элементов, включенных таким образом, что усиленные первым элементом сигналы подаются на вход второго, усиленные вторым – на вход третьего и т.д. При этом один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы связи называются каскадом. Большинство усилителей является многокаскадным.

Рис. 12.1

В качестве нагрузки могут выступать телефон, динамик, различные системы осциллографа, реле, электродвигатель, канал связи и т.д., а также последующий усилитель.

Поскольку источники входных сигналов и нагрузки значительно различаются по параметрам, то при анализе усилителей следует учитывать соотношения, с одной стороны, между сопротивлением источника сигнала и входным сопротивлением усилителяи, с другой стороны, между сопротивлением нагрузкии выходным сопротивлением усилителя. В зависимости от этих соотношений усилитель может управляться или напряжением (при) или током (при) и может являться для нагрузки источником тока (при) или источником напряжения (при).

На рис. 12.2 приведены разновидности эквивалентных схем усилителей при различных соотношениях указанных сопротивлений.

а	б
в	г
Рис. 12.2

Требования к величинам входного и выходногосопротивлений усилителя вырабатываются, исходя из анализа условий передачи максимальной мощности в нагрузку. Например, для ИНУН (усилителя напряжения) мощность в нагрузке. Так как, а, где- коэффициент усиления усилителя по напряжению, то. Но, поскольку, то. Из анализа этого выражения следует, что мощность в нагрузке будет иметь максимальное значение только, если(в пределе) и(в пределе). Тогда.

Таким образом, любой усилитель должен содержать:

- входное устройство для неискаженной без потерь передачи энергии от источника сигнала во входную цепь первого усилительного каскада. Входное устройство может и отсутствовать, если допустимо непосредственное подключение источника сигнала к входу первого каскада. В частности, для рассматриваемого случая ИНУН в качестве первого каскада можно использовать каскад с общим коллектором на биполярных транзисторах или с общим стоком на полевых транзисторах, у которых велико и можно обеспечить;

- выходное устройство для неискаженной без потерь передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя в нагрузку. Выходное устройство может и отсутствовать, если допустимо непосредственное подключение нагрузки к выходу оконечного каскада. В частности, для рассматриваемого случая ИНУН в качестве оконечного каскада можно использовать каскад с общим коллектором на биполярных транзисторах или с общим стоком на составном полевом транзисторе;

- собственно сам усилитель, который, как правило, содержит последовательное соединение простейших усилительных каскадов. Это могут быть, например, каскады с общим эмиттером на биполярных транзисторах или интегральные каскады усиления, выполненные на интегральных микросхемах операционных усилителей. Следует заметить, что при построении усилителя, который не должен переворачивать фазу, на каскадах с общим эмиттером необходимо использовать четное количество таких каскадов;

- элементы (цепи) связи между источником сигнала, усилителем, нагрузкой и между каскадами усилителя. Это могут быть непосредственные связи, RC-связи, трансформаторы, оптроны и т.д.

Электронные усилители можно классифицировать по следующим признакам.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени электронные усилители подразделяются на:

- усилители непрерывных сигналов (например, гармонических). Параметры усиливаемых сигналов изменяются значительно медленнее переходных в усилителе, наличием которых можно пренебречь при расчетах;

- усилители дискретных (импульсных) сигналов, предназначенные для усиления быстроизменяющихся во времени электрических сигналов. Переходные процессы в таких усилителях являются определяющими для усиливаемых сигналов.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот электронные усилители подразделяются на:

- усилители постоянного тока, позволяющие усиливать электрические сигналы в диапазоне частот от 0до, т.е. как постоянную, так и переменную составляющие входного сигнала;

- усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую входного сигнала в определенной полосе частот от до. Усилители переменного тока в зависимости от абсолютных значенийив свою очередь подразделяются на:

- - усилители инфранизких частот, способные усиливать сигналы с частотами, измеряемыми долями Гц;

- - усилители звуковых частот, способные усиливать сигналы с частотами от 20 Гц до 20 кГц;

- - усилители высоких частот, способные усиливать сигналы с частотами от сотен кГц до единиц МГц;

- - широкополосные усилители, способные усиливать сигналы с частотами от десятков Гц до единиц МГц;

- - узкополосные (избирательные) усилители, способные усиливать сигналы фиксированной частоты или сигналы в узком спектре частот.

По типу цепей связи электронные усилители подразделяются на:

- усилители с непосредственными связями;

- усилители с RC-связями;

- усилители с трансформаторными связями.

По типу усилительного элемента электронные усилители подразделяются на:

- усилители на транзисторах;

- усилители на электронных лампах;

- параметрические усилители и т.д.

По назначению электронные усилители подразделяются на:

- телевизионные усилители;

- микрофонные усилители;

- трансляционные усилители;

- измерительные и т.д.

По конструкции электронные усилители подразделяются на:

- усилители на дискретных элементах;

- усилители, выполненные по интегральной технологии;

Возможна классификация электронных усилителей и по другим признакам:

- по уровню шума (со средним уровнем шума и малошумящие);

- по количеству каскадов (однокаскадные и многокаскадные);

- по типу усиливаемого параметра (тока, напряжения, мощности).