1.6. Схема усилителя
Для анализа свойств (показателей и характеристик) усилителя источник сигнала, усилитель и нагрузку представляют в виде эквивалентных электрических схем по сигналу (по переменному току).
Источник сигнала представляют в виде независимого активного двухполюсника, т. е. либо в виде независимого источника ЭДС ė1И с внутренним (выходным) сопротивлением Ż1И, как изображено на рис.5, либо в виде независимого источника тока İ1И = ė1И/Ż1И с параллельно подключенным к нему тем же сопротивлением Ż1И или, иначе говоря, с выходной проводимостью Ỳ1И = 1/ Ż1И, под действием которого (того или
Рис. 5. Режим переменного тока
другого) на входе усилителя возникают входной ток İВХ и входное напряжение ŮВХ сигнала, и, следовательно, ко входу подводится мощность РВХ сигнала. Нагрузку представляют обычно в виде сопротивления Ż 2H.
В общем случае все приводимые в эквивалентных схемах величины (за исключением мощностей) имеют комплексный характер и зависят от частоты сигнала. Это обусловлено нестационарными (переходными) процессами в цепях усилителя, вызываемых влиянием реактивных элементов схемы (индуктивных и емкостных), а также влиянием инерционных свойств УЭ (на высоких частотах). При этом все сопротивления Ż1И, ŻВХ, ŻВЫХ и Ż2Н содержат кроме резистивных составляющих сопротивлений R и реактивные составляющие соответственно ±jX1И, т.е. Ż 1И = R1И ± jX1И.
Следует отметить, что для практики особый интерес представляют случаи, когда влиянием реактивных составляющих сопротивлений можно пренебречь ввиду их малости, например, в области средних частот. В этих случаях все сопротивления становятся резистивными и независящими от частоты, Z2Н = R2Н, а следовательно, и все ЭДС, напряжения и токи становятся действительными и независящими от частоты. Рассмотренные ниже примеры с различными активными четырёхполюсниками в целях упрощения анализа приводятся как раз в таких условиях.
Простейший усилитель содержит один УЭ с пассивными элементами связи (ЭС), например резисторами, конденсаторами, трансформаторами, соединяющими УЭ с источником сигнала, с нагрузкой и с источником питания, создающими ему наивыгоднейшие условия работы. На структурной схеме УЭ и ЭС объединяют и представляют одним активным четырехполюсником (как на рис.5).
1.7. Активные четырёхполюсники и их параметры.
Любой УЭ рассматривают в виде зависимого активного четырехполюсника. В нём всегда имеется зависимый (управляемый) источник. Отличительной особенностью зависимых источников является их необратимость, т. е. цепи с этими источниками имеют четко выраженный вход и выход. Таким образом, для цепей с зависимыми источниками различают путь прямого прохождения сигнала (от входа к выходу) и обратного прохождения (с выхода на вход), реализуемого с помощью специальных цепей обратной связи (ОС).
Введение в активные цепи ОС изменяет ряд важных качеств, которыми они обладают. Это даёт возможность моделирования различных функций (суммирование, интегрирование, дифференцирование и др.), генерированием и усилением колебаний, моделированием пассивных элементов типа R, L, С и их преобразованием (например, С и L), перемещение нулей и полюсов функции цепи. Здесь это не рассматривается
Зависимый источник представляет собой четырёхполюсный элемент с двумя парами зажимов –входных (3; 3’) и выходных (4,4’). Входные ток IВХ и напряжение UВХ являются управляющими. Различают следующие разновидности активных четырёхполюсников: источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН); источник тока, управляемый напряжением (ИТУН): источник напряжения, управляемый током (ИНУТ); источник тока управляемый током (ИТУТ).
а) б)
в) г)
Рис. 6. Схемы идеальных активных четырехполюсников
В идеальном ИНУН (рис.6,а) входное сопротивление бесконечно велико, входной ток IВХ = 0, а выходное напряжение UВЫХ связано со входным равенством UВЫХ =μ* UВХ, где μ – коэффициент, характеризующий усиление по напряжению зависимого источника. Зависимый источник типа ИНУН является идеальным усилителем напряжения.
В идеальном ИТУН (рис.6,б) выходной ток IВЫХ управляется входным напряжением UВХ, причем IВХ = 0 и ток IВЫХ связан с UВХ равенством Ѕ = IВЫХ/ UВХ, где Ѕ – коэффициент, имеющий размерность проводимости, называемый обычно крутизной.
В идеальном ИНУТ (рис.6,в) входным током IВХ управляется выходное напряжение UВЫХ, входная проводимость бесконечно велика: UВХ = 0, Z = UВЫХ/ IВХ, где Z – коэффициент, имеющий размерность сопротивления.
В идеальном ИТУТ (рис.6,г) управляющим током является IВХ, а управляемым I2. Входная проводимость ИТУТ, как и ИНУТ, бесконечно велика, UВХ = 0, h21= I2/ IВХ– коэффициент, характеризующий усиление по току. Активный четырёхполюсник типа ИТУТ является идеальным усилителем тока.
Сам усилитель представляют в виде зависимого активного четырехполюсника. Реальный УЭ имеет конечное входное RВХ и выходное RВЫХ сопротивления, поэтому со стороны входа идеального активного четырехполюсника подключается сопротивление RВХ, которое будет являться сопротивлением нагрузки для источника сигнала (определяя вместе с последним величину входного тока IВХ и входного напряжения UВХ сигнала), а со стороны выхода – выходное (внутреннее) сопротивление RВЫХ, причем ЕВЫХ и IВЫХ К.З. пропорциональны входному напряжению UВХ или входному току IВХ усилителя. Именно под действием этого зависимого источника в выходной цепи усилителя (в нагрузке) возникают выходной ток IВЫХ, выходное напряжение UВЫХ и выделяется мощность РВЫХ усиленного сигнала.
Нагрузку представляют обычно в виде сопротивления R2Н.