10 Усилители электрических сигналов

Лекция 10

Цель лекции: Ознакомление с основными параметрами, характеристиками, назначением, областями применения и классификацией усилительных устройств. Представление о принципах работы усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, обратных связях в усилителях, а также операционном усилителе.

1. Усилители. Классификация и основные характеристики

Несоответствие параметров электрических сигналов, которые получают при первичном преобразовании неэлектрических величин в электрические, параметрам, необходимым для нормальной работы большинства устройств привели к разработке усилителей.

Усилитель – устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала (рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 – Структурная схема усилителя

Все усилители можно классифицировать: по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой (УНЧ) и высокой (УВЧ) частоты; широкополосные усилители и избирательные усилители; по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока; по функциональному назначению: усилители напряжения, тока и мощности; по виду соединительных цепей усилительных каскадов: с гальванической (непосредственной) связью, усилители с RC-связями и усилители с индуктивной (трансформаторной) связью; по виду нагрузки: с активной, активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.

Основным параметром усилителя являются: коэффициент усиления, полоса пропускания, входное и выходное сопротивления, выходная мощность и степень искажения усиленного сигнала.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К_U, току K_I и мощности К_Р:

KU =, KI = , KP = ,

(10.1)

где U_вх, I _вх U_вых, I_вых Р_вх, Р_вых – амплитудные значения переменных составляющих сигналов, соответственно, на входе и выходе.

Важным количественным показателем является КПД:

η = ,

(10.2)

где Р_{ист –} мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя

Rвх = Rвых =

(10.3)

где U_вх и I_вх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆U_вых и ∆I_вых – приращение амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

При анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (линейные – амплитудные и фазовые), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала.

Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений, в основу расчета которого положена оценка относительной величины высших гармоник к основной в выходном сигнале:

^,

(10.4)

где U_1m, U_2m, U_3m, U_nm – амплитуды основной и высших гармоник выходного напряжения соответственно.

Пример возникновения нелинейных искажений иллюстрируется рисунком 9.2. При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы в силу нелинейности входной характеристики транзистора выходной ток коллектора отличен от синусоиды, т.е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Рисунок 10.2 – Возникновение нелинейных искажений

Из примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Линейные искажения оцениваются по виду его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низкий и высоких частотах, а фазовые искажения возникают из-за неравномерности фазо-частотной характеристики (ФЧХ.)

Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения (рисунок 10.3 б), на которой выделяются два участка: рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между напряжениями усилителя, и участок, где наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала.

Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления нап­ряжения, используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усили­теля (рисунок 10.3 а). Частоты ω_Н и ω_В называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (ω_В -ω_Н ) = П – полосой пропускания усилителя, т. е. диапазоном рабочих частот, в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже от максимального значенияК_max.

При усилении гармонического сигнала малой амплитуды искажений формы усиленного сигнала не возникает, а при сложном сигнале, состоящем из ряда гармоник, гармоники усиливаются неодинаково, что в результате приводит к искажению формы усиливаемого сигнала. Например, в соответствии с АЧХ рисунка 10.5 а на вход усилителя подан сигнал, равный сумме двух гармоник одинаковой амплитуды, причем частоты сигнала соотносятся как , а коэффициент усиления по напряжению сигналов –. Сравнение суммарных входногоU_вх∑ и выходного сигналов U_вых∑ указывает на их существенное различие. Идеальной является АЧХ, у которой для всех усиливаемых частот . АЧХ может быть построена в логарифмическом масштабе и называется ЛАЧХ, при этом коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах.

Рисунок 10.3 – Амплитудо-частотная (а) и амплитудная (б) характеристики

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты (рисунок 10.4), позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные. На практике в усилителях используются минимальные фазовые звенья и существующая взаимосвязь между АЧХ и ФЧХ не дает возможности отделить фазовые искажения от частотных.

Рисунок 10.4 – Фазочастотная характеристика

Переходная характеристика отражает реакцию усилителя при подаче на его вход единичного сигнала прямоугольной формы, при этом изменения выходного сигнала могут быть колебательными или апериодическими.

Р

К

исунок 10.5 – Возникновение частотных искажений в усилителе:

а) АЧХ усилителя; б) входные сигналы; в) выходные сигналы усилителя

Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит несколько каскадов: первым каскадом является предварительный усилитель, который обеспечивает связь источника сигнала с усилителем; вторым каскадом – промежуточный усилитель, который обеспечивает основное усиление, и усилитель мощности для обеспечения заданной выходной мощности.

При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схемам с ОЭ (ОИ) или с ОК (ОС).