Общие сведения об усилителях

(Принципы усиления сигналов и построения усилителей; основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств)

1.1. Принципы усиления сигналов и построения усилителей

В настоящее время практически вся информация передаётся при помощи электрических сигналов. Обычно интенсивность этих сигналов очень мала. Например, вследствие их ослабления при передаче на большие расстояния. В этом случае возникает необходимость усиления слабых электрических сигналов.

Электрические усилители– это устройства, которые предназначены для усиления слабых электрических сигналов. Электрические усилители используются в самых разнообразных областях науки и техники – в аппаратуре радиосвязи, в радиовещании, телевидении, радиолокации, измерительной аппаратуре, вычислительной технике, медицине и пр.

Принципы усиления. Функциональную схему электрического усилителя можно изобразить в виде, представленном на рис. 1.1.

На этой схеме используются следующие обозначения.

1 – источник электрических сигналов с малой мощностью;

2 – управляемый элемент (УЭ), выполняющий функции преобразователя энергии источника питания;

3 – нагрузка, на которой выделяется энергия усиленного сигнала;

4 – источник питания;

5 – усилительное устройство, включающее в себя УЭ и источник питания; 1–1 – входная цепь; 2–2 – выходная цепь.

Управляемый элемент 2 совместно с источником питания 4 образует усилительное устройство 5. Усилитель имеет входную цепь 1-1 с входным сопротивлением R_вхи выходную цепь 2-2 сR_вых.

К входным зажимам 1-1 подключён источник электрических сигналов U_гс внутренним сопротивлением генератораR_г. Это может быть антенна, детектор, выход предыдущего усилительного устройства и т. д.

К выходным зажимам 2-2 подключена нагрузка R_н. В качестве нагрузки могут быть использованы: вход последующего усилительного каскада, или различные устройства (ЭЛТ, громкоговоритель и т.д.)

Процесс усиления происходит следующим образом. Входной сигнал небольшой мощности Р_вхот независимого источника изменяет сопротивление управляемого элемента (УЭ). Тем самым изменяется выходной ток, потребляемый от источника питания. Мощность источника питания составляет величину

Р_пит=Р₀=I_потU_пот, (1.1)

где U_пот иI_пот– развиваемые источником напряжение и ток.

Эту мощность УЭ преобразует в мощность полезного электрического сигнала P_вых, которая выделяется в нагрузкеR_н. Можно записать следующие соотношения для мощности, выделяемой во входной и выходной цепях УЭ:

, (1.2)

где I_вхиI_вых– входной и выходной токи.

Поскольку I_вх<<I_вых, то, соответственно,P_вх<<P_вых.

Таким образом, эффект усиления тем больше, чем сильнее неравенство P_вых>>P_вх.

1.1.1. Частотные характеристики усилителей

Эффект усиления зависит от частоты ωусиливаемого сигнала и характеризуется коэффициентом усиления, обозначаемым символомК. ЗависимостьК=φ(ω) называетсяамплитудно-частотной характеристикойусилителя (АЧХ). Диапазон частот усиления характеризуется нижнейω_ни верхнейω_вчастотами усиления усилителя. Это граничные частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается враз, или на 3 дБ. Следовательно, на граничных частотах коэффициент усиления составляет величинуК=0,707К₀, где К₀коэффициент усиления на средних частотах, внутри диапазона частот усиления. Разность Δω=ω_в–ω_нназываютполосой пропусканияусилителя.

Общий вид графика АЧХ представлен на рис.1.2.

На этом графике: ω_ниω_в- нижняя и верхняя частоты усиления, рад/с;

ω_{н гр}иω_{в гр} – нижняя и верхняя граничные частоты усиления, определяющие область средних частот усиления, на которыхK=К₀=сonst.

В общем случае входной, А_вх, и выходной,А_вых, сигналы, действующие на входе и выходе УЭ, могут быть представлены в виде комплексных величин:

; (1.3)

, (1.3а)

где и- модули (абсолютные величины) входного и выходного сигнало;и- фазовые углы входного и выходного сигналов (фазы); ω=2πf– частота, рад/c;- мнимая единица;е=2,731… - основание натурального логарифма.

Комплексный коэффициент усиления усилителя определяется из выражения

,

или , (1.4)

где - модуль коэффициента усиления; φ(ω) – фаза, определяющая фазовый сдвиг между фазами выходного и входного сигнала.

Зависимость К=f(ω,φ) называетсяамплитудно-фазовой характеристикой.