Глава 3. Электронные усилители

§3.1. Основные типы усилителей и их характеристики.

Для увеличения амплитуды напряжения или силы тока, а так­же мощности электромагнитных колебаний используют специаль­ные устройства, называемые электронными усилителями. В соот­ветствии с выполняемыми функциями их принято разделять на уси­лители напряжения, усилители тока и усилители мощности. По диапазону усиливаемых частот они делятся на усилители звуковой частоты (УЗЧ), усилители радиочастоты (УРЧ) и видеоусилители. Последние позволяют усиливать сигналы в широком диапазоне частот — от десятков герц до десятков мегагерц. Видеоусилители используются в радиолокационных устройствах, телевизионной и измерительной аппаратуре. Усиленные ими сигналы подаются на управляющие электроды электроннолучевой трубки и, воздействуя на электронный луч, обеспечивают изображение на экране трубки, поэтому их и называют видеоусилителями. Электронные приборы, применяемые для усиления сигналов, можно рассматривать как сопротивления, управляемые входным сигналом (см. рис. 3.6). Таким образом, усилитель является активным линейным четырех­полюсником. Линейность четырехполюсника, которая необходима для неискаженной передачи сигнала, обеспечивается надлежащим выбором режима работы управляемого сопротивления (см. гл. 3). Усилитель характеризуется коэффициентом передачи по напряже­нию или току:

Величины К_и (со), К, (со) являются комплексными, т. е. характе­ризуют изменения как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе. Модуль коэффи­циента передачи усилителя называют коэффициентом усиления. Наряду с коэффициентами усиления по напряжению и току рас­сматривают также коэффициент усиления по мощности К_Р Он равен отношению мощности колебаний на выходе усилителя на частоте to к входной мощности на той же частоте

Коэффициенты усиления по мощности и напряжению часто вы­ражают в децибеллах (дБ):

При прохождении через усилитель сигналы в той или иной степени искажаются, поэтому вводятся характеристики, отражаю­щие эти искажения. Одна из причин, приводящих к искажению сиг­налов, объясняется тем, что схемы, в которые включается электронный прибор, часто содержат не только активные, но и реактивные элементы (емкостные и индуктивные). Кроме того, сам элек­тронный прибор всегда имеет паразитные реактивные параметры (паразитные емкости, индуктивности выводов). Поскольку реактивное сопротивление зависит от частоты, коэффициент усиле­ния также зависит от частоты). При неравномерной амплитудно-частотной характеристике в диапазоне рабочих частот усилителя различные спектральные компоненты входного сигнала усиливаются в разное число раз, что приводит к отличию формы выходного сигнала от формы сигнала, поступающего на вход усилителя. Искажения, обусловленные наличием в схеме реактив­ных элементов, приводящих к неравномерности ее амплитудно-частотной характеристики, носят название частотных или линейных искажений.

Кроме частотных искажений в усилительных схемах возможны также нелинейные искажения сигнала. Они обусловлены нелинейностью вольтамперных характеристик элек­тронных приборов, используемых в качестве управляемых сопро­тивлений. Эта нелинейность приводит к тому, что в спектре тока электронного прибора появляются новые частотные компоненты, которых не было в спектре входного (управляющего электронным прибором) сигнала. Степень искажения выходного сигнала за счет появления новых спектральных компонентов на выходе уси­лителя характеризуют коэффициентом нелинейных искажений (или, как его часто называют, коэффициентом гармоник).

Нелинейность вольтамперных характеристик электронных при­боров проявляется в усилителях также в том, что зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного является в общем случае нелинейной. Лишь в ограниченном ин­тервале изменения входного напряжения выход­ное напряжение усилителя можно считать пропорциональным вход­ному. Этот интервал характеризует динамиче­ский диапазон усилителя D:

За минимальный входной сигнал усилителя принимают такой сигнал, который на выходе усилителя создает напряжение, равное напряжению шумов:

Шумовое напряжение на выходе усилителя обусловлено дейст­вием как внешних, так и внутренних источников шума. Внешними источниками шума являются случайные сигналы (помехи), дейст­вующие наряду с полезным сигналом на вход усилителя. Они создаются промышленными установками (например, искровыми раз­рядами, работой различного рода генераторов электрических коле­баний и т. п.), атмосферными явлениями (например, грозовыми разрядами), тепловым излучением атмосферы, космическим ра­диоизлучением. Интенсивность и роль внешних источников помех в разных диапазонах частот различна. Так, на длинных и средних волнах весьма существенны шумы атмосферы и индустриальные помехи. На УКВ они ослабляются, но возрастают космические шумы.

Из внутренних источников шумов отметим два основных вида: тепловые шумы сопротивлений и дробовые. Тепловые шумы сопротивлений возникают вследствие хаотического движения свободных электронов в проводнике, которое аналогично движению броунов­ской частицы. Такое движение электронов приводит к появлению спонтанных флуктуации электрического заряда, а значит, и раз­ности потенциалов на концах проводника, которые и называются тепловым шумом. Средний квадрат напряжения тепловых шумов определяется формулой Найквиста:

где k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, R — сопротивление, Д/ — полоса частот регистрирующего устрой­ства

Возникновение дробовых шумов в усилителях связано с дис­кретностью электрического заряда и случайным характером вылета отдельных электронов («дробинок») с поверхности катода лампы или любого другого электрода, способного эмигрировать электроны. В полупроводниковых приборах дробовые шумы обусловлены так­же случайным характером рекомбинации пар электрон — дырка и другими процессами. В теории флуктуации доказывается, что в области низких частот среднеквадратичная флуктуация тока, обу­словленная дробовым эффектом, пропорциональна заряду электро­на, среднему току через электронный прибор и полосе пропуска­ния усилителя:

~

На практике дробовые шумы электронных приборов характери­зуют эквивалентным шумовым сопротивлением, подключен­ным ко входу идеального (нешумящего) усилителя. Сопротивление шумового сопротивления таково, что мощность создаваемых им тепловых шумов на выходе усилителя равна мощности дробовых шумов реального усилителя. Существование шумов ограничивает возможность уси­ления слабых сигналов, сравнимых по мощности с шумами. Для усиления слабых сигналов используются специальные усилители, имеющие низкий уровень собственных шумов.