2.2 Классификация усилителей.

Классификацию усилителей осуществляют:

¾ по назначению;

¾ по характеру усиливаемых сигналов;

¾ по полосе усиливаемых частот;

¾ по виду используемых активных элементов.

По назначению различают:

¾ усилители напряжения  коэффициент усиления по напряжению;

¾ усилители тока  коэффициент усиления по току;

¾ усилители мощности  коэффициент усиления по мощности.

В усилителях мощности необходимо обеспечить заданную либо максимальную мощность, а в усилителях напряжения (тока) заданные значения коэффициентов усиления.

По характеру усиливаемых сигналов различают;

¾ усилители гармонических сигналов. Эти устройства обеспечивают усиление непрерывных гармонических или квазигармонических сигналов;

¾ усилители импульсных сигналов, при допустимом искажении их формы, при этом входной сигнал должен изменяться на столько быстро, для того чтобы на форму выходного сигнала не влияли переходные процессы в усилителе.

По полосе усиливаемых частот выделяют:

¾ усилители постоянного тока, диапазон усиливаемых частот (fв – верхняя граничная частота усиления);

¾ усилители переменного тока, с диапазоном частот (fн – нижняя граничная частота усиления).

Усилители переменного тока в свою очередь делят на:

¾ усилители низкой частоты ;

¾ усилители высокой частоты ;

¾ усилители низкой частоты .

По виду используемых активных элементов различают:

¾ ламповые усилители;

¾ транзисторные усилители;

¾ диодные усилители;

¾ параметрические усилители.

2.3 Структурная схема усилителя.

Структурна схема усилителя имеет вид, приведенный на Рис. 2.2., и включает входное и выходное устройства, каскады предварительного усиления и усиления мощности.

Рис.2.2 Структурна схема усилителя.

Входное устройство осуществляет передачу сигнала от источника сигнала во входную цепь. Применяется в случае, когда подключаемый источник сигнала невозможно или нецелесообразно подключать непосредственно ко входу усилителя.

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления сигнала по напряжению, току, мощности до необходимого уровня обеспечивающего нормальную работу следующего блока.

Каскады усиления мощности обеспечивают в нагрузке требуемые значения мощности, при допустимых уровнях искажения формы и шумов сигнала.

Выходные устройства требуются для передачи сигнала от усилителя мощности в нагрузку. Применяются когда непосредственное подключение нагрузки невозможно или нецелесообразно.

2.4 Основные технические показатели.

Сумма сведений характеризующих свойства усилителя называются его показателями. К ним относятся:

¾ входные и выходные данные;

¾ коэффициент усиления;

¾ КПД;

¾ частотные характеристики;

¾ амплитудная характеристика.

Рассмотрим подробнее эти показатели.

1) входные и выходные данные;

а) входные данные  .

Источником входных сигналов могут являться источник ЭДС и источник тока. Модель источника ЭДС имеет вид, приведенный на Рис. 2.3.

Рис.2.3 Модель источника ЭДС.

Для обеспечения нормальной работы усилителя, Uвх должно стремится к Ег. Но, так как Zг>0 то на нем происходит падение напряжения и, следовательно, Uвх<Ег. Uвх определяется выражением:

.

Из вышеприведенного выражения следует, что для того чтобы необходимо выполнение условия Zг<<Zвх. На практике допускаются , но недопустимо .

Модель источника тока имеет вид, приведенный на Рис. 2.4.:

Рис. 2.4 Модель источника тока.

Для данной цепи можно записать:

,

Следовательно, для того чтобы необходимо, чтобы Zг>>Zвх.

б) выходные данные  .

Выходную цепь можно представить в виде (см. Рис. 2.5):

Рис. 2.5 Модель выходной цепи усилителя.

Здесь k_Uxx – коэффициент усиления усилителя в режиме холостого хода, Z_ВЫХ – выходное сопротивление усилителя. Для согласования источников сигнала со входом усилителя должны выполнятся следующие условия:

¾ для усилителей напряжения Zн>>Zвых, тогда .

¾ для усилителей тока Zн<<Zвых, тогда ;

¾ для усилителей мощности Zн=Zвых, тогда .

2) Коэффициенты усиления усилителей.

Выделяют следующие коэффициенты усиления:

¾ по мощности ;

¾ по напряжению ;

¾ по току .

В общем случае коэффициент усиления имеет вид:

,

где j=j_вых-j_вх – фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением или токами.

Графически это изображается на комплексной плоскости, следующим образом (см. Рис. 2.6.):

Рис 2.6 графическое представление сигналов усилителя.

Для многокаскадного усилитель, содержащего n каскадов, общий коэффициент усиления определяется выражением:

.

Иногда более удобной является логарифмическая шкала представления K_U, единицей которой является децибел, определяемой десятой частью десятичного логарифма отношения мощностей на выходе и входе . Для коэффициентов усиления по напряжению и току формулы для перевода относительных величин в логарифмические имеют вид:

; .

При этом коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет равен:

.

3) Амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики.

Зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты, представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналами, от частоты.

На Рис. 2.7 приведено графическое изображение данных характеристик для усилителя переменного напряжения.

Рис. 2.7 АЧХ (а) и ФЧХ (б) RC усилителя.

4) Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика отображает зависимость установившегося значения выходного сигнала от входного синусоидального сигнала на некоторой постоянной частоте (Рис. 2.8).

Рис. 2.8 Амплитудная характеристика усилителя.

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала, амплитудная характеристика должна быть линейна (участок аб), а угол ее наклона определяется величиной коэффициента усиления на данной частоте. Минимальный входной сигнал Uвх_min определяется уровнем собственных шумов усилителя, максимальный входной сигнал Uвх_max – переходом на нелинейный участок характеристики, обуславливающий нелинейные искажения, за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Диапазон напряжений входного сигнала, который усиливается без существенных искажений, характеризует динамическим диапазоном усилителя

или

Динамический диапазон искажения входного сигнала не должен превышать динамический диапазон усилителя.

3. Усилители напряжения на биполярных транзисторах.

3.1 Простейший усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой.

3.2 Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме общий эмиттер.

3.3 Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором.

3.1 Простейший усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой.

При проектировании усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной в  обратном. На Рис. 3.1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общей базой (ОБ).

Рис. 3.1 Схема усилителя по схеме с общей базой.

Резистор R_К являться нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства,. Если R_К=0 то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. U_КБ=E_К=const. С увеличением R_К растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на R_К сверху.

Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом:

,

Поскольку для ОБ , , а (т.к. входной переход транзистора включен в проводящем направлении) то получим, k_U>>1

Коэффициент усиления по току k_I меньше 1.

, k_I(0.5¸0.95).

Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток.

Расчет схемы по постоянному току.