1. Основы общей теории усилителей.

Аналоговые электронные устройства – это устройства, выполненные на основе электронных приборов, осуществляющие усиление и обработку аналоговых электрических сигналов. К аналоговым относятся сигналы, значения которых заданы во все моменты времени. Аналоговый сигнал как функция времени может быть наглядно представлен графиком или осциллограммой. График может содержать точки разрыва, например, у импульсных сигналов.

В отличие от аналогового у дискретного сигнала значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые определенные. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Он получается, если числовые значения дискретного сигнала выразить группами импульсов, обозначающими соответствующие числа.

Соответственно, все электронные устройства можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. Преимущества аналоговых устройств - сравнительная простата, надежность, быстродействие - обеспечивают им широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов.

1. Общие сведения об электронных усилителях.

Аналоговые электронные устройства можно условно разделить на две большие группы: усилители и устройства, выполненные на их основе. Усилители являются самыми распространенными электронными устройствами.

Электронные усилители - устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов (колебаний) за счет энергии источников электрического питания с помощью активных элементов электронных приборов.

Из этого определения непосредственно вытекают два важных положения теории усилителей;

1. выходной сигнал превосходит входной по мощности,

Р_ВЫХ>> Р_ВХ (1.1)

и повторяет по форме (или отличаются незначительно в заданных пределах);

2. увеличение мощности выходных колебаний происходит за счет источника питания, следовательно,

Р_ВЫХ < Р_ПОТР (1.2)

где Р_ВЫХ - мощность выходного сигнала;

Р_ВХ - мощность входного сигнала;

Р_ПОТР - мощность, потребляемая от источника питания.

Таким образом, усилитель с помощью активных элементов управляет мощным выходным сигналом и заставляет его изменяться по закону слабого входного сигнала. В этом состоит принцип усиления в электронных усилителях.

Рис. 1.1

Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство (рис.1.1). Активный элемент в усилителе выполняет роль управляемого сопротивления, включенного в цепь нагрузки и источника питания, причем величина этого управляемого сопротивления определяется величиной и знаком входного управляющего сигнала

Ко входным зажимам усилителя 1-подключают источник усиливаемого колебания (входного сигнала), который можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника с генератором ЭДС E_Г, имеющим внутреннее сопротивление Z_Г. Источниками входных сигналов могут быть антенный контур, детектор, различные датчики, выход предыдущего каскада усилителя (рис.1.1). К выходным зажимам 2 -2¹ подключается нагрузка усилителя, имеющая сопротивление Z_Н. Нагрузкой могут быть вход следующего каскада, электронно-лучевая трубка, громкоговоритель и т.д.

Электронные усилители в современной технике находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств.

Классификация усилителей осуществляется по различным признакам. По виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических сигналов и импульсных сигналов.

Усилители гармонических (непрерывных) сигналов предназначены для усиления сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительности переходных процессов в самих усилителях. В усилителях импульсных сигналов длительность собственных переходных процессов не должна вызывать искажений исходной формы усиливаемых сигналов более допустимых значений.

По типу усиливаемой величины их делят на усилители напряжения, тока и мощности. Однако в любом усилителе осуществляется усиление сигнала по мощности в отличие от других типов преобразователей. Например, у трансформатора, преобразующего напряжение или ток, мощность на выходе не превышает входную. Поэтому указанная классификация для усилителей имеет несколько условный характер и выражает основное целевое назначение усилителя.

По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты , т.е. способен усиливать как переменную. Так и постоянную составляющие сигнала.

Усилитель переменного тока усиливает только переменную составляющую входного сигнала в диапазоне от нижней граничной частоты f_Н до верхней граничной частоты f_В. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого предела.

В свою очередь, среди усилителей переменного тока выделяют:

усилители низкой частоты (УНЧ) с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц (f_Н) до сотен килогерц (f_В);

усилители высокой частоты (УВЧ) или, как их еще называют, усилители радиочастоты (УРЧ) с диапазоном усиливаемым частот от сотен килогерц до сотен мегагерц;

широкополосные усилители с диапазоном усиливаемых частот от десятков-сотен герц до сотен мегагерц;

избирательные (резонансные) усилители, обеспечивающие усиление в очень узком диапазоне частот и имеющие отношение близко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых. В выходные цепи этих усилителей включают колебательные контуры.

Особую группу представляют усилители сверхвысоких частот (СВЧ). В настоящем курсе они не рассматриваются.

По типу усилительного элемента электронные усилители разделяют на транзисторные (на биполярных и полевых транзисторах), диодные (на туннельных диодах), ламповые, диэлектрические, магнитные и на интегральных микросхемах.

Усилители на электронных лампах обеспечивают усиление сигнала в широкой полосе частот, с низким уровнем шумов и отсутствием чувствительности к климатическим и температурным изменениям. Однако лампы имеют ограниченный срок службы (до 5000- 10000 часов) и потребляют значительную энергию.

Усилители на полупроводниковых элементах имеют практически неограниченный срок службы, безынерционны, устойчивы к вибрации, тряске, экономичны. Их недостатками являются разброс параметров однотипных транзисторов, большая температурная зависимость, относительно высокий уровень собственных шумов.

Усилительные каскады на однотипных элементах различают схемой и режимом работы усилительных элементов.

По виду нагрузки различают усилители с активной, активно-индуктивной и емкостной нагрузкой. На практике встречаются также резонансные усилители, нагрузка в которых обладает свойствами резонансного контура.

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие: по типу питания, числу каскадов, виду соединительных межкаскадных цепей, конструктивному и технологическому исполнению, области применения.

Устройства на основе усилителей - это в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Их также называют активными устройствами аналоговой обработки сигналов – это устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и другие.

Особую группу представляют различные генераторы и соответствующие им устройства – мультивибраторы, блокинг-генераторы, ключи, триггеры, генераторы линейно-изменяющегося напряжения, генераторы сигналов специальной формы.