3.2. Підсилювачі електричних сигналів.
3.2.1. Загальна інформація.
Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для підсилення вхідних електричних сигналів. При цьому вхідний сигнал, як правило, використовується лише для керування струмом і, отже, потужністю, що надходить на вихід підсилювача від джерела живлення. В залежності від вхідного сигналу і призначення підсилювачі класифікують як підсилювачі напруги, струму і потужності.
Підсилювачі є одними з найрозповсюдженіших електронних пристроїв, що застосовуються в системах автоматики і радіосистемах, вимірювальній техніці, в медичній і науково-дослідницькій апаратурі, в побутових приладах.
Процес підсилення є один з випадків керування енергією і в принципі полягає в тому, що слабкий сигнал, який надійшов на вхід підсилювача від керуючого джерела електричної енергії керує більш потужним сигналом на його виході. Вхідний сигнал не є джерелом енергії вихідного сигналу. Енергія вихідного сигналу утворюється за рахунок витрачання енергії електричних джерел живлення, але в той же час без сигналу на вході не утворюється і сигнал на виході.
Отже вхідний сигнал керує вихідним сигналом, джерелом енергії якого є певний пристрій живлення.
Узагальнена структурна схема підсилювача наведена на рис. 3.14.
Рис. 3.14.
Вхідне коло (вхідний пристрій) призначено для подачі підсилюємого сигналу на підсилюючий елемент. Підсилюючий елемент забезпечує керування з боку вхідного сигналу вихідним, створюючи тим самим підсилення. Підсилений сигнал передається споживачу — навантаженню підсилювача. Коло, в яке включений споживач, називається вихідним колом (вихідним пристроєм). Пристрій живлення забезпечує роботу підсилюючого елементу і є джерелом енергії вихідного сигналу.
В узагальненому викладі фізичну сутність роботи підсилюючого елемента (ПЕ) можна розглядати як зміну в широких межах його опору RПЕ під дією вхідного сигналу Uвх (рис. 3.15-а). Це зумовлено певними властивостями підсилюючого елемента. В результаті цього завдяки протіканню струму І через послідовно з’єднані опір навантаження Rн і опір підсилюючого елемента RПЕ відбувається перерозподіл напруги і виділяється підсилений за потужністю сигнал Uвих, утворений джерелом живлення Ежив. І дійсно, для схеми рис. 3.15-а можна записати очевидні співвідношення:
При RПЕ >> Rн: UПЕ ≈ Ежив, І = 0; при RПЕ << Rн: UПЕ = 0, І = Е/Rн. За параметрами цих двох режимів можна побудувати навантажувальну пряму (рис. 3.15-б) (див. ч. 2, п. 2.2.4). ВАХ ПЕ (див. ч. 1, п. 1.1.1) для двох значень його опору: RПЕ = RПЕ min (лінія 1) і RПЕ = RПЕ max (лінія 2). В залежності від зміни RПЕ від RПЕ min до RПЕ max під дією малопотужного вхідного сигналу відповідні абсциси точок перетину ліній 1 і 2 з навантажувальною прямою покажуть межі зміни падіння напруги на підсилюючому елементі: від UПЕ min до UПЕ max, що і є зміною вихідного сигнали Uвих; їх ординати – межі зміни струму І: від І max до І min.
а) б)
Рис. 3.15.
Такі підсилюючі властивості має транзистор. Як було показано вище, значення колекторного струму залежить в основному від струму емітера і може змінюватись в широких межах при зміні напруги між емітером і базою.
Д
ля
більшого підсилення сигнал з виходу
першого підсилюючого елемента подається
на такий же елемент, тобто підсилювач
може мати кілька підсилюючих елементів,
що послідовно підсилюють сигнал. Частина
схема, що складається з одного підсилюючого
елемента із вхідними і вихідними колами,
називається підсилюючим
каскадом. Умовне графічне
позначення підсилюючого каскаду показано
на рис. 3.16.
В багатокаскадних підсилювачах розрізняють попередній і кінцевий каскади. Попередній – підсилює вхідний сигнал до рівня, що забезпечує нормальну роботу наступних каскадів. Кінцевий – забезпечує підсилення потужності сигналу до рівня, необхідного для нормальної роботи вихідного пристрою (гучномовця в акустичних системах, електродвигуна в системах автоматики і т. ін.).
Класифікують підсилювачі за багатьма ознаками, зокрема:
за типом застосовуваних підсилюючих елементів (наприклад, транзисторні підсилювачі) і зв’язків між ними (каскади можуть з’єднуватись або безпосередньо, або через резисторно-конденсаторні кола чи трансформатори);
за діапазоном частот підсилюємих сигналів (розрізняють підсилювачі постійного струму, низької, високої і надвисокої частоти, широкополосні та імпульсні підсилювачі);
за кількістю каскадів;
за потужністю;
за призначенням (підсилювачі напруги, підсилювачі струму і підсилювачі потужності)
та іншими ознаками.
Так, істотною відмінністю підсилювачів постійного струму від інших є те, що вони підсилюють не тільки змінні складові вхідного сигналу, але і його постійну складову. Підсилювачі, які не підсилюють постійну складову, відносять до підсилювачів змінного струму.
Для підсилення звукових сигналів в акустичних системах (мовлення, музика) частотою від 20 Гц до 20 кГц застосовують підсилювачі низької (звукової) частоти. Телевізійні сигнали, що займають смугу частот від десятків герц до кількох мегагерц, підсилюються відеопідсилювачами, які відносять до групи широкополосних підсилювачів. Для виокремлення радіосигналів певної частоти використовують селективні (вибіркові) підсилювачі.
Для підсилення вхідних сигналів, що змінюються настільки повільно, що з перехідними процесами в підсилювачі можна не рахуватись, застосовують підсилювачі безперервних (гармонічних) сигналів. Якщо вхідний сигнал змінюється настільки швидко, що перехідні процеси можуть суттєво викривити вихідний сигнал, застосовують імпульсні підсилювачі.
Наведена класифікація є дещо умовною і розглядає підсилювальний пристрій в різних аспектах, тому для більш повної характеристики основних особливостей необхідно сумісне використання всіх ознак підсилювача (наприклад, підсилювач потужності гармонічних коливань низької частоти на біполярних транзисторах або імпульсний підсилювач напруги на польових транзисторах і т.п.).