11. Усилители электрических сигналов

11.1. Общие сведения, классификация и основные характеристики усилителя. Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя.

Общие сведения.В настоящее время трудно определить область техники, где бы ни находили применение усилители электрических сигналов. Это объясняется, как правило, несоответствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании различных неэлектрических физических величин в электрические параметрам, необходимым для нормальной работы большинства исполнительных (нагрузочных) устройств. Так, мощность электрического сигнала на выходе типового датчика температуры составляет десятки милливатт. В то же время стабилизация температурного режима, например, ядерного реактора, требует электрического сигнала мощностью в десятки и даже сотни киловатт. Для решения этой задачи электрический сигнал датчика должен быть соответственно усилен. Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Для обеспечения усиления сигнала усилитель (У) должен включать нелинейный элемент, управление которым осуществляется электрическим сигналомu1(i1) входной цепи; выходную цепь усиленного сигналаu₂(i₂) и источник питанияE_n

. В качестве управляемого нелинейного элемента современного усилителя используют биполярные и полевые транзисторы. К входной цепи усилителя подключают источник E_сусиливаемого сигнала, а к выходной — нагрузочное устройство с сопротивлениемZ_н(рис. 11.1).

Как видно, действие усилителя (У) заключается в обеспечении условий, при которых маломощный сигнал u₁(t) управляет изменениями существенно большего выходного напряженияu₂(t) обусловленного наличием в выходной цепи более мощного источника питанияE_n.

Классификация усилителей осуществляется по различным признакам их обобщенной структурной схемы, приведенной на рис. 10.1.

Рис. 11.1. Обобщенная структурная схема усилителя

По типу усиливаемой величиныих делят на усилители напряжения, тока и мощности. Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от преобразователя электрического сигнала. Например, у трансформатора, преобразующего напряжение или ток, мощность на выходе всегда остается неизменной по отношению к входной мощности трансформатора. Поэтому указанная классификация для усилителей имеет несколько условный характер, выражая лишь основное целевое назначение усилителя.

По диапазону усиливаемых частотразличают усилители постоянного тока, для которых характерно изменение усиливаемого сигнала с частотой, близкой или равной нулю, и усилители переменного тока, которые, в свою очередь, подразделяются на усилители низкой (звуковой) частоты (f < 30 кГц), высокой частоты (30 кГц < f < 300 МГц) и сверхвысокой частоты (f > 300 МГц).

По виду соединительных цепей(межсоединений) управляемых нелинейных элементов. Усиление, которое может быть обеспечено с помощью реального транзистора, является, как правило, недостаточным для обеспечения работы исполнительного устройства. Поэтому для получения требуемых параметров выходного сигнала используют каскадное соединение нескольких транзисторов с помощью соединительных цепей. В этом случае различают усилители с гальванической (непосредственной) связью, предусматривающей передачу сигнала как переменного, так и постоянного тока с выхода одного транзистора на вход последующего; усилители с RC-связями, когда между выходом предыдущего и входом последующего транзисторов включают резистивно-емкостную цепь, исключающую передачу сигналов постоянного тока; усилители с трансформаторной связью.

По виду нагрузкиразличают усилители с активной, активно-индуктивной и емкостной нагрузкой. На практике встречаются также резонансные усилители, нагрузка в которых обладает свойствами резонансного контура.

Основные характеристики усилителя.Важнейшими характеристиками усилителя являются: коэффициент усиления, полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, степень искажения усиленного сигнала и др.

Коэффициент усиления— отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различаюткоэффициенты усиления:

по напряжению

по току

по мощност

При каскадном соединении нескольких усилителей произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т. е.

(11.1)

В общем случае коэффициенты усиления являются комплексными величинами, что отражает наличие фазовых искажений усиливаемого сигнала.

В электронике и автоматике широко используют логарифмические единицы оценки коэффициента усиления, который в этом случае выражается в децибелах. Тогда коэффициент усиления по мощности

Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно соответственно записать:

Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усилителей. Действительно, общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя при переходе к логарифмическим единицам измерения определяется в отличие от (11.1) суммой коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е.

Полоса пропускания усилителя— диапазон рабочих частот , в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже от своего максимального значенияK_max. Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Пример АЧХ показан на рис. 11.2. Если восставить перпендикуляр из точки на оси ординат, соответствующей значению

до пересечения с АЧХ, то не представляет труда графическим путем определить полосу пропускания усилителя. Проекция на ось абсцисс первой точки пересечения соответствует нижней (ω_н), а второй — верхней (ω_в) частотам пропускания усилителя. Тогда полоса пропускания

Рис. 11.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Для удобства взаимного сопоставления АЧХ усилителей с различными значениями максимального коэффициента усиления их обычно нормируют, представляя выходной параметр в виде относительной величины, т. е.

где K(ω) иK_max— соответственно коэффициент усиления на частоте и максимальное значение коэффициента усиления. Применительно к АЧХ, показанной на рис. 11.2, имеем

Выполнив расчеты N_U(ω), соответствующие различным значениямK_U(ω), не представляет труда перейти от АЧХ, приведенной на рис. 11.2, к нормированной АЧХ (рис. 11.3, б). В зависимостиoт области расположения полосы пропускания на оси частот (рис. 11.3) различают низкочастотные (рис. 11.3, а), полосовые (рис. 11.3, 6) и высокочастотные (рис. 11.3, в) усилители.

Входное сопротивлениеусилителя равно отношению входного напряжения к входному току при фиксированном значении сопротивления нагрузочного устройства. ПолагаяZ_c=R_cиZ_н=R_н, для действующих значений тока и напряжения имеем

От значения входного сопротивления зависит степень уменьшения входного сигнала при подключении источника Еcс внутренним сопротивлениемR_c(рис. 11.1) к входу усилителя. Чем больше значениеR_вхпо отношению кR_c, тем в меньшей степени ослабляется входной сигнал.

Рис. 11.3. Нормированные АЧХ низкочастотного (а), полосового (б) и высокочастотного (в) усилителей

Выходное сопротивлениеусилителя для большинства практических случаев определяется выражением

где U_2xx— напряжение холостого хода на выходе усилителя (R_нравно бесконечности);I_2кз—ток короткого замыкания (R_н=0).

Выходная мощность усилителя— это та часть мощности, которая может быть выделена в нагрузочном устройстве.Она равна

где G_н=1/R_н— проводимость нагрузочного устройства.

Искажение сигналов в усилителесвязано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых транзисторов, и, во-вторых, с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала. Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (амплитудные и фазовые), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала. Для количественной оценки искажений усилителя служиткоэффициент нелинейных искажений, в основу расчета которого положена оценка относительной величины высших гармоник к основной в выходном сигнале, т. е.

где A₂...A_n— действующие значения всех высших гармоник выходного сигнала;A₁— действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала.

Рис. 11.4. Каскадная схема усилителя

Типовые функциональные каскадыполупроводникового усилителя. Для получения высоких значений коэффициентов усиления необходимо каскадное включение нескольких усилителей, обеспечивающее последовательное усиление сигнала до требуемого значения. Каскадную схему усилителя можно представить в виде трех функционально отличных каскадов усиления (рис. 11.4): предварительного усилителя (ПрУ), промежуточного усилителя (ПмУ) и выходного усилителя (мощности) (ВУ).

Предварительный усилительобеспечивает непосредственную связь источника сигнала и усилнительного устройства. Поэтому важнейшее требование, которому он должен удовлетворять, — минимальное ослабление входного сигнала. Для этого ПрУ должен обладать большим входным сопротивлением. Значение этого сопротивления должно быть существенно больше значения сопротивления источника сигнала, так как в этом случае относительные изменения входного напряжения будут значительны при абсолютно малых изменениях тока во входной цепи.

Основное требование, предъявляемое к ПрУ, — обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при минимальных его искажениях.

Промежуточный усилительвыполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителем. Основная его задача — согласование выхода ПрУ со входом ВУ.

Выходной усилительпредназначен для получения на выходе усилительного устройства мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства, выполняющего определенные функции. Поэтому в отличие от ПрУ и ПмУ, выходная мощность которых сравнительно невелика, основным параметром ВУ является кпд.

Применяемые на практике транзисторные усилители мощности классифицируют на одно- и двухтактные. Однотактные усилители мощности используют для работы на нагрузочные устройства, мощность которых составляет единицы ватт. При больших значениях мощности нагрузочных устройств применяют двухтактные ВУ.

Усилители мощности можно проектировать как без трансформаторов, так и с трансформаторами во входной или выходной цепях. В современных усилителях предпочтение отдается бестрансформаторным выходным каскадам, обеспечивающим лучшие массогабаритные, частотные и другие показатели.

В заключение следует подчеркнуть, что наличие трех разнотипных функциональных каскадов — предварительного, промежуточного и выходного — не является обязательным. Известны электронные усилители, в которых предварительный и промежуточный усилители не имеют явно выраженных разграничительных признаков и совмещены в одном усилительном каскаде. То же самое относится к промежуточному и выходному усилителям, которые также можно объединять. Наконец, возможны схемы усилительных устройств с несколькими усилителями одного типа и т. д.