7 Электронные усилители

7.1 Основные понятия и классификация усилителей

Усилитель – это устройство предназначенное для увеличения уровня электрического сигнала за счет энергии источника питания.

С точки зрения усиливаемого параметра различают усилители напряжения, тока и мощности. В зависимости от диапазона усиливаемых частот они подразделяются на усилители постоянного тока (медленных колебаний), низкой (звуковой) частоты и высокой частот. Последние могут быть как широкополосные или нерезонансные усилители, предназначенные для усиления определенной полосы частот.

Существуют много других методов деления усилителей на группы, однако при их систематизации имеют меньший спектр. Различают например транзисторные усилители классов А, В и С у которых принадлежность к данному классу определяется положением рабочей точки на характеристике управления активного элемента, а также усилители название которых зависит от их применения антенные, видиоусилители и т.д.

Работа в классе А – положение рабочей точки таково, что выходной ток протекает в течении времени длительности переменного входного сигнала, т.е. в течении периода.

В классе В – выходной ток протекает в течении полупериода входного колебания. При отсутствии входного сигнала выходной ток почти равен нулю.

Промежуточное положение рабочей точки между А и В соответствует классу АВ.

В классе С выходной ток протекает в течении времени, меньше чем полупериод.

Наименьшие искажения в классе А, наибольшие – в классе С. Эффективность схемы наибольшая в классе С, наименьшая в классе– А.

7.2 Структурная схема однокаскадного усилителя и основные параметры

Однокаскадным – называют усилитель содержащий один активный элемент (транзистор, лампа).

Входная цепь с источником управляющего напряжения или тока, а выходная цепь с сопротивлением нагрузки .

Основными параметрами характеризующими схему, являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление. В зависимости от рассматриваемой электрической величины различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Коэффициент усиления по напряжению – это отношение выходного напряжения к входному:

.

аналогично коэффициент усиления по току:

.

Произведение этих величин дает коэффициент усиления по мощности, являющимся частным от деления выходной мощности на входную:

.

Входное сопротивление равно отношению входного напряжения к входному току:

.

Выходное сопротивление – отношение выходного напряжения к выходному току:

.

Значение всех перечисленных параметров зависят от вида используемого активного элемента, нагрузки, а также схемы включения (ОБ, ОЭ и ОК).

7.3 Частотная характеристика усилителей

Характеристика, изображающая зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала – частотная. Поскольку коэффициент усиления является комплексным, то изменению, по сравнению с входным сигналом, подвергается как амплитуда, так и фаза выходного сигнала. Поэтому различают две частотные характеристики: амплитудно–частотную и фазо–частотную характеристики, кратко называемые также амплитудной (частотной) и фазовой характеристиками.

Частотная (амплитудная) и фазовая характеристика определяют способность усилителя пропускать сигнал с определенным частотным спектром.

Для усилителя звуковых частот представляет интерес амплитудная характеристика; а фазовая не играет существенной роли, поскольку человеческое ухо не реагирует на небольшие фазовые сдвиги звуковых сигналов. Иначе обстоит дело в видеоусилителях. Фазовая характеристика имеет такое же значение, как и амплитудная, поскольку человеческий глаз реагирует на малые фазовые сдвиги и отдельных составляющих сигнала изображения.

Так как гармонические составляющие усиливаемого сигнала усиливаются не в одинаковой мере, следовательно, форма выходного сигнала отлична от формы входного. Такие искажения частотные. Причиной частотных искажений являются реактивные элементы(индуктивности и емкости) усилителя, сопротивления которых зависят от частоты, параметров полупроводниковых приборов.

Из–за того, что усилитель, не усиливает одинаково сигналы различных частот, возникает необходимость уточнения способности усилителя усиливать определенные полосы частот. Эта способность выражается с помощью ширины полосы, определяемой как разность между двумя точками амплитудной характеристики, для которых коэффициент усиления на 3дБ меньше, чем на средних частотах. Одна из точек, расположенная в этой части характеристики отражает в диапазоне более низких частот, соответствует на оси частот нижней граничной частоте , тогда другая точка – соответственно верхней граничной частоте . Разность этих частот является шириной полосы пропускания, которую обычно обозначают буквой  или :

.

Точки на амплитудной характеристике, в которых усиление (по напряжению и току) снижается на 3 дБ называются точками половинной мощности, поскольку соответствующая им мощность уменьшается в 2 раза.

Если усилитель содержит n каскадов, то

.

При большом числе каскадов коэффициент получается слишком громоздким и неудобным в обращении параметром. Поэтому часто усиление выражают в логарифмических единицах – децибелах т.е.:

,

,

.

В зависимости от применения усилители могут иметь различную ширину полосу пропускания. Полоса пропускания усилителей звуковой частоты лежит в полосе от нескольких десятков герц до 10 –30 кГц, тогда как в видиоусилителях, от нескольких герц до нескольких мегагерц (6.5 мГц).

Оба упомянутых усилителя относятся к усилителям типа фильтр нижних частот, поскольку пропускают сигналы с очень низкими частотами. Именно поэтому в подобных усилителях за ширину полосы пропускания принимают значение верхней граничной частоты , поскольку разница незначительно меньше частоты .