Рис. 2.1. Схема усилителя на полевом транзисторе

2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА — УСИЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ

Усилитель — это устройство для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители называют полупроводниковыми или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии от источника питания в нагрузку. Принцип действия усилителя удобно пояснить с помощью схемы на рис. 2.1.

Основа усилителя — два элемента: сопротивление R и управляемый активный элемент (АЭ), например, полевой транзистор, сопротивление которого изменяется под действием

входного сигнала Uвх . За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением Еп в цепь, состоящую из R и АЭ. В результате будет меняться падение напряжения на элементах схемы, а следовательно, и выходное напряжение Uвых . В правильно спроектированном усилителе напряжения нетрудно получить Uвых > Uвх .

2.1. Основные параметры и характеристики

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада на рис. 2.2. Здесь усилитель представлен как активный четырехполюсник с общей шиной для входа и выхода. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения Ег , имеющего внутреннее сопротивление Rг . На выходе усилителя подключено сопротивление нагрузки Rн. Генератор и нагрузка не являются частями усилительного каскада, но часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2.2 представляется своими входным Rвх и выходным Rвых сопротивлениями.

53

	По роду усиливае-
	мой величины различа-
	ют усилители напряже-
	ния, тока и мощности.
	Все усилители усилива-
	ют мощность, но усили-
	тель напряжения глав-
	ным образом усиливает
Рис. 2.2. Структурная схема усилительного	напряжение, а в усили-
каскада	теле тока в большей сте-
	пени усиливается ток.

Удобно подразделять усилительные каскады по соотношениям величин Rвх и Rг . Если в усилителе Rвх . Rг , он имеет потенциальный вход и является усилителем напряжения. В усилителе тока Rвх n Rг , т.е. имеет место токовый вход. В усилителе мощности Rвх ≈ Rг, т.е. вход согласован с источником входного сигнала.

По соотношению между величинами Rвых и Rн усилительные каскады также можно разделить на усилители напряжения, где имеет место потенциальный выход (Rвых n Rн), усилители тока, где имеет место токовый выход (Rвых . Rн), и усилители мощности, работающие на согласованную нагрузку (Rвых ≈ Rн).

Как правило, усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис. 2.3). Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа. Нагрузка первого каскада — это входное сопротивление второго каскада, а источником входного сигнала для второго каскада является выход первого каскада и т.д. Первый каскад называется входным, а последний — выходным, или оконечным. Входной

Рис. 2.3. Структурная схема многокаскадного усилителя

54

каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому для усилителя напряжения требуется иметь в нем большое входное сопротивление. Кроме того, желательно, чтобы входной каскад имел минимальный коэффициент шума.

Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего — усилитель мощности, призванный работать на низкоомную нагрузку. От выходного каскада обычно требуется иметь большую допустимую мощность, малое выходное сопротивление, высокий коэффициент полезного действия и малый коэффициент гармоник. Остальные (промежуточные) каскады необходимы для обеспечения заданного коэффициента усиления.

Соединение каскадов между собой в многокаскадном усилителе можно осуществлять различными способами. Один из широко распространенных способов связи для усилителей переменного тока или напряжения реализуется с помощью разделительных емкостей. Такой усилитель называется усилителем с емкостной (или RC) связью. Для усилителей постоянного тока используется непосредственная (гальваническая) связь, которая широко представлена между каскадами в ИМС. В усилителях также возможно использование трансформаторной, оптической и других видов связи между каскадами или для подключения источника входного сигнала и нагрузки.

Один из основных параметров усилителя — коэффициент усиления, который различают по напряжению Ku =Uвых /Uвх , по току

КI = I вых / I вх и по мощности K p = Pвых / Pвх = Ku K I . Для усилителей возможны различные значения коэффициентов усиления,

по принципиально то, что всегда Кр > 1. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах (дБ) равен:

Ku = 20 lg U вых = 20 lg Ku .

U вх

Аналогично можно представить и Кi (дБ), а для Кp (дБ) справедлива следующая запись:

K р = 10 lg Pвых = 10 lg K p .

Pвх

Выражение коэффициентов усиления в дБ связано с тем, что ухо человека реагирует на звуковые колебания в соответствии с

55

Рис. 2.4. Амплитудная характеристика усилителя

логарифмическим законом слухового восприятия. Ниже приведены сравнительные значения Кu, выраженные в дБ и относительных единицах. Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в дБ, общее усиление многокаскадного усилителя равно сумме коэффициентов усиления каскадов.

Ku,
дБ	0	1	2	3	10	20	40	60	80
Ku	1	1,12	1,26	1,41	3,16	10	102	103	104

Помимо усиления сигнала, необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения напряжения (или тока). При этом допускается некоторый сдвиг сигнала по времени. Отклонение форм выходного и входного сигналов принято называть искажениями. Они бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не будет чисто синусоидальным, а будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто получается с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, имеющейформуэкспоненты, анепрямойлинии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) Кг . В многокаскадных усилителях общий Кг можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения обычно вносятся выходным каскадом, работающим на больших амплитудах сигналов.

Для оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.4), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного сигнала Uвх неизменной частоты. При небольших Uвх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменения угла на-

56

Рис. 2.5. Амплитудно-частотная характеристика

клона при больших Uвх указывают на появлениеискаженияформысигнала.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость Кu усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-

частотной характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей Мн и высшей Мв частотах заданного диапазона работы усилителя:

Мн =				Ku0 / Kuн				,	(2.1, а)
Мв =		Ku0 / Kuв				.			(2.1, б)

Обычно допустимые величины коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что ∆f = fв − fн называют

полосой пропускания усилителя.

Вусилителях звуковых частот fн ≈ 20 Гц и fв ≈15 кГц; в широкополосных усилителях fв может достигать десятков МГц; в час- тотно-избирательных усилителях fн ≈ fв и для высокочастотных вариантов может достигать сотен МГц; в усилителях постоянного тока fн = 0, а fв может составлять несколько десятков МГц.

Вусилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений, проявляющихся лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной (фазовой) характеристикой (ФЧХ). Частотные и фазовые искажения — это линейные искажения, обусловленные одними и теми же причинами. Причем бîльшим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам.

57