12. Усилители

Усилители - это устройства, которые позволяют с помощью входного сигнала малой мощности управлять передачей значительно большей мощности от источника питания к нагрузке. Простейшая ячейка, которая разрешает осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Свойства усилителя характеризуют коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности:

Коэффициенты и - комплексные величины, поскольку выходные и входные напряжения и токи сдвинуты между собою по фазе вследствие наличия реактивных сопротивлений в цепях усилителя и нагрузки. Если усилитель многокаскадний, то общий коэффициент усиления ( , К_Р) равняется произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов .

Входной периодический сигнал произвольной формы можно представить как сумму гармонических составляющих сигналов, которые имеют разную частоту и усиливаются с разными коэффициентами усиления. Поэтому выходной сигнал не будет линейно отвечать входному. Такие искажения сигнала называют частотными. Кроме того, гармонические составляющие сигнала получают при усилении разные угловые сдвиги между входными и выходными значениями, которые предопределяет появление фазовых искажений.

Для оценки частотных искажений используют амплитудно-частотную характеристику, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты f. В зоне низких f_н и высоких f_в частот коэффициент усиления К уменьшается. Диапазон частот , в котором значения коэффициента усиления К_п есть постоянными и близкими к максимальному значению, называют условной полосой пропускания усилителя.

Фазовые искажения усиливаемого сигнала оцениваются фазочастотной характеристикой усилителя, - зависимостью угла фазового сдвига φ между выходным и входным напряжением усилителя от частоты f.

Зависимость называют передающей характеристикой каскада, созданного на транзисторе с общим эмиттером. Эту характеристику можно аппроксимировать тремя участками, из которых лишь средний участок ІІ обеспечивает усиление входного сигнала без искажений. Если входное напряжение усилителя u_вх непосредственно подается на вход база-эмитер, и_вх = и_бэ, усилитель работает в классе усиления В. На выход передается сигнал только одной полярности (и_бе>0). Если использовать усилитель класса В для усиления двуполярного сигнала, то форма входного напряжения во время передачи будет искажаться, а часть информации безвозвратно теряться.

Во время работы в классе усиления А на вход усилителя одновременно с входным сигналом и_вх(t) подается напряжение смещения, так что . Благодаря смещению выходный сигнал практически без искажений воссоздается на выходе, если значение и_бэ всегда отвечают среднему участку передающей характеристики.

Во время работы в ключевом режиме (режим большого выходного сигнала) изменение входного напряжения охватывает все участки передающей характеристики каскада. Такой режим работы каскада находит широкое применение в импульсной технике для передачи импульсов прямоугольной формы, если амплитуда импульса не является важной. Транзистор в режиме ключа - это по сути релейный элемент, способный коммутировать лишь одну цепь.

Для перевода усилителя в класс усиления А необходимо включить на входе последовательно с входным напряжением источник напряжения смещение, а чтобы избежать протекания тока в нагрузке при отсутствии входного сигнала в цепи нагрузки, следует включить последовательно с нагрузкой компенсирующие напряжение, которое уменьшало бы ток в нагрузке в режиме покоя, то есть при и_вх = 0, до нуля. Для избежания осложнения схемы с большим количеством дополнительных источников питания на практике используют разные схемы усилителей.

При нахождении транзистора в режиме покоя вследствие нагревания транзистора током происходит произвольное увеличение тока в цепи коллектор-эмиттер, так называемый дрейф нуля. Для предотвращения этого явления применяют дифференцированные каскады с мостовой схемой включения транзисторов. Дифференцированные усилители обеспечивают практическое отсутствие дрейфа нуля, но при условии полной идентичности элементов, которые образовывают плечи моста. Эту идентичность можно обеспечить лишь при применении интегральных технологий, поэтому дифференцированные усилители являются одним из универсальных элементов интегральных схем.

Наиболее распространенной усилительной интегральной микросхемой есть операционный усилитель (ОУ). Идеальный ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению , большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление . ОУ усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составной. Дрейфь нуля ОУ очень маленький. Поскольку в ОУ используют дифференцированные усилители, они имеют два входа - прямой и инвертирующий. Вследствие подачи входного напряжения и_вх1 на прямой вход , а вследствие подачи и_вх2 на инвертирующий вход . При наличии входных напряжений на обоих входах . Для повышения стабильности коэффициента усиления и расширения линейного участка передающей характеристики операционные усилители используют лишь при наличии отрицательной обратной связи, для чего часть исходного напряжения подают на инвертирующий вход усилителя.