Основные теоретические сведения

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входного сигнала за счет энергии дополнительного источника питания без искажения формы самого сигнала. Электронные усилители преобразуют электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большей мощности на выходе. В качестве усилительных элементов в электронных схемах используют транзисторы, электронные лампы, туннельные диоды и тиристоры. По виду усиливаемых электрических сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов. По диапазону частот электрических сигналов усилители можно разделить на низкочастотные, работающие в диапазоне от 20Гц до 20кГц (УНЧ), высокочастотные (УВЧ), работающие в диапазоне сотен килогерц и выше, широкополосные усилители, работающие в очень широком диапазоне частот, используемые в устройствах импульсной связи, телевидения и радиолокации, избирательные полосовые или узкочастотные усилители, работающие в узком диапазоне частот, усилители постоянного тока, используемые в автоматике и телемеханике, измерительной технике и счетно-решающих устройствах. По роду усилительных элементов усилители делятся на полупроводниковые, ламповые и магнитные. По назначению усилители делятся на усилители напряжения, тока и мощности, которые в основном одинаковы по схемным решениям, но отличаются типами применяемых приборов и режимом их работы.

Основные характеристики усилителя:

1. Амплитудная характеристика усилителя – является его статической характеристикой и определяется зависимостью Uвых(t)=КUвх(t)

Основные и обязательные требования к амплитудной характеристике усилителя – ее линейность, т.е. идеальная характеристика должна быть прямой линией, выходящей из начала координат под определенным углом , величина которого определяется коэффициентом усиления (рис.3.3, где цифрой 1 обозначена идеальная, и цифрой 2 реальная статические характеристики усилителя). Коэффициент усиления: К=tg=Хвых/Хвх

Рис. 3.3. Амплитудные характеристики усилителя: 1 – идеальная; 2 – реальная

Как видно из рис. 3.3, линейность амплитудной характеристики сохраняется только в диапазоне изменения входного сигнала от 0 до Uвхmax. При увеличении входного напряжения Uвх сверх Uвхmax коэффициент усиления усилительного элемента начинает уменьшаться и амплитудная характеристика становится нелинейной. В результате входной сигнал с Uвх>Uвхmax будет усиливаться меньше, что приведет к нелинейным искажениям. Поэтому для исключения нелинейных искажений (вызванных нелинейностью амплитудной характеристики) напряжение входного сигнала не должно превышать значение Uвхmax.

Для получения большего коэффициента усиления используют последовательное соединение нескольких усилительных каскадов. Общий коэффициент усиления полученного многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада, т.е. Кобщ=К1К2К3…

2. Частотная характеристика усилителя – показывает зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала, т.е. К=f(), где  – круговая частота входного сигнала (=2f).

Идеальная частотная характеристика широкополосного усилителя должна представлять собой прямую линию, параллельную оси частот, т.е. коэффициент усиления такого усилителя должен быть одинаковым для всех частот, содержащихся в сигнале (рис. 3.4), Наилучшим образом удовлетворяет этому требованию усилитель на резисторе, или, как его иначе называют, апериодический усилитель низкой частоты (УНЧ).

Рис. 3.4. Частотная характеристика широкополосного усилителя: 1 – идеальная; 2 – реальная

На рис. 3.1 при включении переключателя «П» в положение 1, показана схема УНЧ на резисторе с использованием в качестве усилительного элемента транзистора типа «pnp». Так как в данной схеме усиленный сигнал снимается с активного сопротивления резистора Rк, величина которого не зависит от частоты, то и коэффициент усиления такого каскада должен для всех частот оставаться постоянным. Однако из-за наличия входной С₁ и выходной С₂ емкостей, величина сопротивления которых зависит от частоты (), коэффициент усиления каскада, при определенных значениях частот, меньших ₁ и больших ₂, зависит от частоты входного сигнала (рис. 3.4, кривая 2).

Если полоса частот, содержащихся в сигнале, шире, чем  между ₁ и ₂, то это приведет к искажению формы сигнала на выходе усилителя. Поэтому следующее обязательное требование к усилителю: спектр частот входного сигнала должен быть уже рабочей полосы частот усилителя.

Из всех существующих усилителей наиболее широкую полосу частот, усиливаемых одинаково имеют УНЧ, у которых ₁=60-80Гц, а ₂=30кГц. При необходимости иметь более широкую полосу частот ее расширяют, главным образом в области высоких частот (>₂), путем применения частотной коррекции по высокой частоте. В УНЧ с частотной коррекцией удается получить полосу =6-6,5МГц.

Кроме широкополосных УНЧ для специальных целей, например при частотном методе передачи информации, и в других случаях, в автоматике используются усилители, усиливающие только определенную полосу (спектр) частот, такие усилители называются узкополосными или резонансными (рис. 3.1, переключатель «П» в положении 2), так как в цепь коллектора транзистора вместо резистора Rк включен резонансный колебательный контур.

У резонансных усилителей частотная характеристика резко отличается от частотной характеристики каскадов УНЧ и имеет вид, показанный на рис. 3.5. Из рисунка видно, что такой усилитель наибольший коэффициент усиления Крез имеет на резонансной частоте fрез колебательного контура, включенного в цепь коллектора. Эта частота определяется только параметрами контура и равна

fрез

При изменении частоты входного сигнала в ту или другую сторону от резонансной коэффициент усиления резонансного усилителя резко уменьшается.

Отсюда резонансные усилители принято характеризовать полосой пропускания, заключенной между частотами f₁ и f₂, которым соответствуют коэффициенты усиления, равные 0,7Крез. Полоса пропускания обозначается f.

Чем добротнее колебательный контур, а его добротность (Q) определяется по формуле:

где Lк – индуктивность контура, Гц;

Ск – емкость контура, Ф;

rк – активное сопротивление контура, Ом.

Рис. 3.5. Частотная характеристика резонансного усилителя

Чем больше коэффициент усиления резонансного усилителя Крез, тем острее частотная характеристика, и, следовательно, уже полоса пропускаемых частот. Добротность контура Q, как видно из формулы, зависит от отношения Lк/Ск и активного сопротивления rк. Чем меньше rк, тем добротнее контур.

Таким образом, резонансные усилители являются избирательными усилителями, так как они хорошо усиливают только напряжение тех частот, поданных на вход, которые находятся в пределах полосы пропускания f, сигналы других частот усиливаются гораздо меньше. Коэффициент усиления резонансного усилителя определяется так же, как и широкополосного К=Хвых/Хвх.

В ряде случаев нужна полоса пропускания более широкая, чем обеспечивает контур, включенный в цепь коллектора транзистора, тогда искусственно ухудшают добротность контура Q подключением параллельно к нему шунтирующих активных сопротивлений Rш1 или Rш2 (рис. 3.1).

Действие этих параллельных резисторов равносильно изменению активного сопротивления контура rк, но только здесь обратная зависимость, а именно, чем меньше величина Rш, тем меньше добротность контура и, следовательно, шире полоса пропускания.