5. Электронные усилители.

5.1. Классификация и основные характеристики усилителей.

Усилитель – устройство для увеличения параметров сигнала (напряжения, тока, мощности) без изменения его формы.

По диапазону частот усилители различаются:

1. Постоянного тока (0 - 20 Гц);

2. Низкой частоты (40 Гц – 20 кГц);

3. Промежуточной и высокой частоты (20кГц – 300 МГц);

4. Сверхвысокой частоты (> 300 МГц);

5. Широкополосные (видео) усилители (0 - 300 МГц).

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

По исполнению – ламповые, транзисторные, на интегральных микросхемах.

Основными характеристиками усилителя являются:

1. Коэффициент усиления по напряжению, по току, по мощности: ;;. Типичный коэффициент усиления одного каскада усилителя по напряжению и току от нескольких единиц до нескольких десятков. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.Часто усиление измеряют в децибелахS=20lgK.

Для многокаскадного усилителя S=S₁+S₂+S₃+…

2. Полоса пропускания усилителя – это диапазон рабочих частот, в пределах которого коэффициент усиления не падает нижеот максимального значенияК_мах (рис.5.1).

Рис. 5.1. Зависимость коэффициент усиления усилителя от частоты (АЧХ усилителя).

Полоса пропускания определяется по амплитудно–частотной характеристике усилителя (АЧХ) при подаче на усилитель синусоидального сигнала с изменяющейся частотой.

3. Номинальная (выходная) мощность усилителя. Для синусоидального сигнала , гдеU_вых – действующее значение выходного напряжения, Z_Н – модуль комплексного сопротивления нагрузки, - сдвиг фазы между напряжением и током на нагрузке.

Номинальная мощность может быть от десятых ватта до десятков и даже сотен киловатт.

4. Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение номинальной выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания.

5. Чувствительность- минимальное входное напряжение (от микровольт до вольт). Чувствительность обычно ограничивают шумы усилителя.

5.2. Принцип действия усилителя.

Усилительный каскад состоит из резистора R и управляемого элемента УЭ (рис 5.2), роль которого может выполнять транзистор или электронная лампа. Совместно с источником напряжения Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Процесс усиления сигнала U₁ основан на преобразовании энергии источника питания Е в энергию переменного напряжения U₂ в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому воздействием управляющего сигнала U₁.

Рис. 5.2. Усилительный каскад.

Рассмотрение работы усилителя существенно упрощается когда сопротивления усилительного элемента R_i существенно больше сопротивления R. В этом случае изменение сопротивления R_i под действием входного напряжения эквивалентно изменению тока в УЭ. Это описывает входная характеристика УЭ, обычно приводящаяся в справочниках.

Рис.5.3. Входная характеристика транзистора (сплошная линия) и лампы (пунктирная).

На рисунке 5.3. приведены типичные входные характеристики транзистора и лампы. Для неискаженной передачи сигналов используют линейную часть характеристики подачей постоянного напряжения смещения U_o на вход усилителя (рабочая точка), при этом через УЭ протекает постоянный ток I_o. При знакопеременном сигнале рабочая точка устанавливается на середину прямолинейного участка характеристики. Тогда изменения входного напряжения (полезный сигнал U_вх) в точности повторяются в изменениях тока, которые в свою очередь по закону Ома создают такие же изменения напряжения на УЭ, снимаемые с усилителя. ;. ЗдесьS – крутизна характеристики в рабочей точке. Переменная часть выходного напряжения линейно передает входной сигнал, но с обратным знаком. Коэффициент усиления приближенно равен .

С учетом конечного сопротивления усилительного элемента будем иметь:

(5.1).

При дополнительном учете параллельных УЭ проводимостей: сопротивления нагрузки (1/R_Н), паразитной емкости () они добавляются к проводимостям в знаменателе, так как на них ответвляется часть тока УЭ:

(5.2).

Рис.5.4. Простейшая схема усилителя на лампе а) и транзисторе б).

Простейшие схемы усилителей приведены на рисунке 5.4. В схеме а) рабочая точка устанавливается с помощью сопротивления в цепи катода R_к, на котором создается постоянное отрицательное смещение . ЕмкостьС_к устраняет отрицательное смещение по переменному току.

В схеме б) рабочая точка устанавливается с помощью делителя R₁-R₂: . Разделительные емкостиС₁ и С₂ ставятся для отделения постоянных напряжений от входной и выходной цепей.

Усиление обеспечивается самим устройством усилительного элемента. В лампе сетка делается очень редкой, имеет отрицательное смещение и поэтому на нее поступает существенно меньше электронов, чем проходит на находящийся под положительным потенциалом анод. В транзисторе область базы выполняется тонкой, так что носители, поступающие из эмиттера, не успевают рекомбинировать и проходят на коллектор. Все это обеспечивает усиление по току. Усиление по напряжению обеспечивается тем, что сетка в лампе и база в транзисторе являются первыми к катоду и эмиттеру и своим малым потенциалом сильнее влияют на ток, чем потенциал анода и коллектора.