4. Электронные усилители

Усилителем называется устройство, которое позволяет при наличии сигнала на входе получить на выходе сигнал той же формы, но большей мощности. Усиление происходит за счет источника питания и активного усилительного элемента (транзистора) с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний на выходе. Входной сигнал является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.

Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания и пассивные цепи. По отношению к усиливаемым колебаниям усилитель может рассматриваться как электрический четырехполюсник, поскольку имеет две входные и две выходные клеммы. Как правило, одна входная и одна выходная клеммы соединены общей шиной, называемой «землей».

Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:

1) по виду используемого усилительного элемента - ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;

2) по диапазону усиливаемых частот - усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);

3) по ширине полосы усиливаемых частот - узкополосные, широкополосные усилители;

4) по характеру усиливаемого сигнала - усилители непрерывных и импульсных сигналов;

5) по усиливаемой электрической величине усилители напряжения, тока, мощности;

6) по типу нагрузки - резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.

Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала (напряжение, ток или мощность) к входной. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению К_U, по току K_I или по мощности К_P.

Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):

, .

(1)

Коэффициент усиления по мощности К_Р показывает, во сколько раз активная мощность Р_вых, отдаваемая усилителем в нагрузку R_Н больше активной мощности Р_вх подводимой к его входным зажимам:

Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах - децибелах: К_Р дБ= 10 lgК_Р.

В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере, однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом К_U. Поэтому для коэффициента К_U в дальнейшем индекс U будет опускаться.

Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью амплитудно-частотной (АЧХ) характеристик.

Рис. 1.

Под АЧХ усилителя понимается зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала. Примерный вид АЧХ усилителей показан на рис. 1. Иногда амплитудно-частотной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты сигнала при постоянном входном напряжении.

Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) К_Г. Этот коэффициент измеряется на выходе, усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением

,

(2)

где -напряжение и мощность полезного сигнала на выходе усилителя,,,,-напряжения и мощности соответствующих гармоник.

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений. В этом случае коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала: он может быть определен как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс (см. рис. 2)

О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (рис. 3)

Рис. 2.

Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейны, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов.

Динамический диапазон усилителя оценивается по и:

(3)

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

Рис. 3

Резисторными (апериодическими) усилителями напряжения называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Резисторные усилители широко применяют для усиления напряжения звуковой частоты. На рисунке 3 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе. Для установления необходимого режима работы биполярного транзистора с помощью резисторов R₁ и R₂ на базе создается заданное напряжение U_б0. Резистор R_К обеспечивает работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току. Стабилизация работы транзистора при изменении температуры осуществляется включением резистора R_Э. Чтобы сопротивление R_Э не сказывалось на переменном токе, его шунтируют конденсатором C_Э. Разделительные конденсаторы С_Р препятствуют передаче постоянной составляющей напряжения.

Контрольные вопросы.

1. Что такое электронный усилитель?

2. Почему в электронном усилителе происходит усиление мощности?

3. Как классифицируются электронные усилители?

4. Что такое коэффициент усиления?

5. Какой усилитель называют апериодическим (резисторным)?

6. Какие искажения в усилителях называют линейными? Чем они обусловлены?

7. Какие искажения в усилителях называют нелинейными? Чем они обусловлены?

8. Что называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя?

9. Что такое полоса пропускания усилителя?

10. Почему в апериодическом усилителе уменьшается усиление на низких частотах?

11. Что называют амплитудной характеристикой?

12. Почему реальные амплитудные характеристики нелинейные?

13. Объясните назначение элементов в схеме апериодического усилителя.