Классификация, основные показатели и краткая история развития усилителей.

Усилителями являются устройства, предназначенные для усиления электрических колебаний с сохранением их формы.

Усилительный элемент получает электрическую энергию от источника питания и преобразует её в энергию усиливаемых сигналов, т.е. обладает управляющими свойствами.

Сигнал с источника сигнала поступает на вход усилителя, а на его выходной цепи подключена нагрузка, являющаяся потребителем усиливаемых сигналов.

Усилители нашли широкое применение в радиосвязи, телевидении, в устройствах записи и воспроизводства звука, измерительной аппаратуре и т.д.

Впервые В.И. Коваленков для усиления электрических сигналов в 1910-1912 годах применил первые образцы электронных ламп, которую, в 1914-1916 годах усовершенствовал и использовал для усиления М.А. Бонч-Бруевич. В начале 20-хх годов Бонч-Бруевич разработал эквивалентную схему лампы и показал, что электронную лампу в усилителе можно рассматривать как генератор переменного тока или напряжения, в результате чего было положено начало теории усилителей.

В середине 20-хх годов Берг разработал основы теории простейших усилительных схем и создал инженерную методику их расчёта.

В дальнейшем много в этой области было сделано советскими учёными и специалистами Марком, Войшвилле, Кризе, Цыкиным, Ризкиным и многими другими.

В 1933-34 годах были предложены усилительные схемы с использованием отрицательной обратной связи, что позволило создать усилители большой мощности с высоким КПД и другими качественными показателями.

С появлением телевидения были созданы широкополосные усилители, методика расчёта которых разработана В.Л. Крейцером и О.Б. Лурье.

Начиная с 60-хх годов в качестве активных элементов в маломощных усилителях стали широко использоваться транзисторы, обладающие малыми габаритами, массой и потребляющие меньше энергии.

Дальнейшее развитие усилителей обусловлено развитием электронной техники. С помощью новых технологических методов сначала были созданы интегральные схемы, а затем и большие интегральные схемы (БИС).

Классифицируют усилители по различным признакам: характеру усиливаемых сигналов (2 группы: 1-усилители гармонических сигналов и 2- усилители импульсных сигналов), по полосе усиливаемых частот, назначению усилителя и роду используемых элементов.

Классификация по ширине полосы (диапазону):

1. Усилители постоянного тока;

2. Усилители переменного тока;

3. Усилители высокой частоты;

4. Усилители промежуточной частоты;

5. Усилители низкой частоты (звуковых частот);

6. Широкополосные усилители;

7. Избирательные или селективные усилители.

Различают также усилители прямого усиления (т.е. без преобразования их частоты) иусилители с преобразованием.

Параметры.

Усилитель характеризуется входными и выходными данными: мощность, напряжение или ток на заданном сопротивлении нагрузки.

Необходимо знать два параметра из 4-х. Остальные рассчитываются по следующим формулам:

Коэффициент усиления- отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе.

Сквозной коэффициент усиления и по мощности (К_м):

На практике часто коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах-децибелах (дБ):

К_(ДБ)=20lgК

Или по мощности:

К_М(ДБ)=10 lgК_М

Коэффициент полезного действия (кпд).

Частотная, фазовая и переходная характеристики.

Наличие в схеме усилителя реактивных сопротивлений, величина которых зависит от частоты, приводит к изменению формы сложного гармонического сигнала (1-коэффициент усиления для разных частот - разный; 2- гармонические составляющие сдвигаются на различные отрезки времени). Поэтому различают частотные и фазовые искажения, которые оценивают по частотной и фазовой характеристикам.

Частотная характеристика.

Частотные искажения, вносимые на какой-либо частоте, оцениваются относительным коэффициентом усиления: Y=K/K_cp(нормирование: К_maxcp.=1)

или обратной величиной- коэффициентом частотных искажений:M=K_cp/K=1/Y

эти величины могут быть выражены так же в логарифмических выражениях.

Фазовые характеристики.

Вносимые усилителем фазовые (Ф) искажения оцениваются разностью ординат фазовой характеристики и касательной, проведённой к ней через точку f_cp.

Частотные и фазовые характеристики, определяющие свойства усилителя в установившемся режиме, непригодны для импульсных усилителей, поскольку искажения в них обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях с реактивностями. Для оценки линейных искажений в импульсных усилителях используют переходную характеристику, т.е. зависимость мгновенного значения выходного напряжения (или тока) сигнала от времени при мгновенном скачкообразном изменении напряжения (или тока) в его входной цепи.

Нелинейные искаженияформы выходного сигнала обусловлены нелинейностью элементов схемы усилителя (активный элемент, трансформатор) при работе с сигналами с большой амплитудой:

Выходная цепь транзистора (полевого, без токов затвора) или лампы без сеточных токов:

Коэффициент гармоник:

Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Для высококачественного усилителя К_Гдопускают 1- 2%, среднего качества 5-8%. А в усилителях дальней проводной многоканальной связи К_Г составляет всего 0,2- 0,01%, что соответствует затуханию нелинейности 60-90дБ.

Способы включения активных элементов в схеме усилителя и статические характеристики транзисторов.

У транзистора имеется три электрода, поэтому возможны три схемы подключения:

1. С общей базой:

Коэффициент усиления напряжения большой (тысячи), а тока меньше единицы (0,6-0,95).

R_вх.об.- наименьшее из всех способов подключения.

R_вых.об.- наибольшее из всех видов подключения.

Статические характеристики.