1(2) 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, несооветствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании различных неэлектрических физических величин в электрическим 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 электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Как следует из данного определения, суть процесса усиления электрических сигналов состоит в преобразовании энергии источника питания усилителя в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим воздействием. Другими словами, любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента.

Таким образом для обеспечения усиления сигнала усилитель (У), последовательно с которым соединен источник питания Е_п, должен включать в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом U₁. К входной (управляющей) цепи усилителя подключен источник Ё_с усиливаемого сигнала (при этом Z_с – комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а к выходной — нагрузочное устройство с сопротивлением Z_н (рис. 5.1).

Как видно, действие усилителя заключается в обеспечении условий, при которых маломощный сигнал Ů₁ управляет изменением существенно большего выходного напряжения Ů₂ обусловленного наличием в выходной цепи источника питания Е_п.

Рис. 5 1 Обобщенная структурная схема усилительного устройства

Управляемые нелинейные элементы современных усилителей выполняются, как правило, с использованием биполярных и полевых транзисторов. Поэтому их часто называют транзисторными усилителями.

Транзистор в аналоговых усилительных устройствах выполняет роль управляемого сопротивления (Z_ус на рис. 5.2), включением в цепь нагрузки и источника питания, причем сопротивление транзистора определяется величиной и знаком управляющего сигнала. В зависимости от способа соединения указанных элементов возможны три различные структурные схемы усилительных устройств: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная (рис. 5.2).

Связь выходного напряжения с параметрами используемых элементов описывается соответственно выражениями:

Ла схемах усилители У условно обозначают согласно ГОСТ 25847-89 в виде, приведенном на рис. 5.3,а,б. В зависимости от структуры

Рис. 5.2 Разновидности структурных схем усилительных устройств последовательная (а), параллельная (б) и последовательно-параллельная (в)

Рис. 5.3 Условные обозначения усилительных устройств с одним (а, в) и дву­мя (б, г) выходами

схемы и конкретного выполнения нелинейного элемента усилитель может быть снабжен одним или несколькими входами и выходами. Так, на рис. 5.3, а показано условное обозначение У ,с одним входом и выходом, а на рис. 5.3, б в качестве примера – с двумя входами и двумя выходами. Иногда, особенно в переводной литературе, можно встретить условное обозначение У, приведенное на рис. 5.3,в, г. Общим для всех используемых обозначений и указание стрелкой направления передачи входного сигнала.

В зависимости от того, совпадает ли фаза выходного сигнала усилителя с фазой его входного сигнала или она сдвинута на 180°, усилители подразделяют соответственно на неинвертирующие и инвертирующие. Так, на рис. 5.3, а, в показано условное обозначение неинвертирующего усилителя с одним входом. Усилитель, условное обозначение которого приведено на рис. 5.3, б имеет два входа: один неинвертирующий, а второй инвертирующий. Инвертирующий вход обозначают кружком, как это показано на рис. 5.3, б. В литературе встречается иногда обозначение инвертирующего входа знаком «–», а неинвертирующего — знаком «+», как показано на рис. 5.3, г.

Классификация усилителей осуществляется по различным признакам их обобщенной структурной схемы, приведенной на рис. 5.1.

По виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов.

Усилители гармонических (непрерывных) или квазигармонических (почти гармонических) сигналов предназначены для усиления сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительностей переходных процессов в самих усилителях. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсных периодических или непериодических сигналов. При этом длительность собственных переходных процессов в усилителе не должно вызывать искажения исходной формы усиливаемых сигналов

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

По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты 0≤f_УПТ≤f_в. Усилитель переменного тока усиливает входной сигнал, лежащий в диапазоне от некоторой нижней (f_н) до некоторой верхней (f_в) частот f_н ≤f≤ f_в. Сигналы постоянного тока данным типом усилителя не усиливаются.

В свою очередь, среди усилителей переменного тока по конкретным значениям частот f_н и f_в могут быть выделены следующие подгруппы устройств:

усилители низкой частоты (УНЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;

усилители высокой частоты (УВЧ) – устройства с диапазоном, усиливаемых частот от сотен килогерц до сотен мегагерц;

широкополосные усилители — устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков — сотен герц до сотен мегагерц;

избирательные (резонансные) усилители, обеспечивающие усиление в очень узком диапазоне частот.

По виду соединительных цепей усилительных каскадов. Так как усилительные устройства строятся, как правило, на основе последовательного включения нескольких типовых каскадов, то различают усилители с гальванической (непосредственной) связью предусматривающие передачу между каскадами сигнала как переменного, так и постоянного токов; усилители с RС-связями, в которых между выходом предыдущего и входом последующего каскадов включают резистивно-емкостную цепь, исключающую передачу сигналов постоянного тока; усилители с индуктивной (трансформаторной) связью, в которых между каскадами включается трансформатор.

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