Электронные усилители

Усилитель – это устройство, преобразующее маломощный входной сигнал в подобный, но более мощный выходной.

Учитывая закон сохранения энергии, усилитель рассматривают как многополюсник, в котором помимо входной и выходной цепей есть цепь для поступления энергии от источника питания (рис. 37).

Рис. 37. Структурная схема усилителя: 1 – входная цепь; 2 – предварительный усилитель; 3 – промежуточные каскады; 4 – оконечный каскад; 5 – источник питания.

Входная цепь предназначена для согласования с источником сигнала, как по амплитуде, так и по сопротивлению. Как правило, требуется обеспечение большого входного сопротивления, что обеспечивается предварительным усилительным каскадом. Для получения требуемого коэффициента усиления может потребоваться многокаскадный усилитель. Основное усиление сигнала обеспечивается в промежуточных каскадах. Оконечный каскад – усилитель мощности. Он обеспечивает согласование усилителя с нагрузкой. Для обеспечения максимальной выходной мощности требуется выполнение равенства Rвых=Rнагр (режим согласования).

В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. Схема и выходные характеристики изображены на рис. 38:

Рис 38. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером

Видно, что схема стала очень сложной. Однако главное, что здесь есть – это резистор

R_к, на котором происходит падение напряжения от тока, проходящего через транзистор, резистор, который определяет коэффициент усиления по напряжению, и который составляет от единиц килоом до мегома (чем больше этот резистор, тем больше усиление). Все остальные элементы более или менее условны.

Прежде всего R_э необходимо для термостабилизации транзистора. Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному току. С_э – конденсатор, который шунтирует этот резистор на рабочих частотах, так что при переменном сигнале резистора нет. Этот конденсатор – несколько мкФ. Обычно это электролитический конденсатор.

С_р – разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от внешних сигналлов. Обычно это несколько мкФ.

R_б1 – важный резистор, управляющий работой транзистора, служит для задания рабочей точки. Этот резистор задаёт постоянную составляющую тока базы. Его значение зависит от величины R_к .

R_б2 – практически ненужный резистор, просто он ставится для предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его закоротить. Обычно это 1 или несколько килоом, так как входное сопротивление транзистора мало.

R_н – сопротивление нагрузки, лучше, если оно большое, так как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если оно будет малым, выходной сигнал упадёт.

U_вх – сигнал на входе транзистора. Как видно, на входе много различных деталей – резисторов и конденсаторов. Но на рабочих частотах сопротивления конденсаторов малы, и они хорошо пропускают сигналы. А два параллельных резистора R_б1 и R_б2 достаточно велики по сравнению с входным сопротивлением транзистора. Поэтому учтём только это входное сопротивление.

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

1) по напряжению ; 2) по току ;

3) по мощности .

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K_u можно записать
К_u = K_u1·K_u2…K_uN.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:

К_u = K_u1 + K_u2 +…+ K_uN .

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), K_r:

где U₁, U₂, U₃ – значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.5, а), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5, б) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя:

Рис. 2.5 Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что f = f_в - f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

Резистивно-емкостной усилительный каскад.

Усилительные каскады этого типа (рис. 39) получили наибольшее распространение, так как имеют простую схемную реализацию при малых габаритах элементов и обладают хорошими характеристиками.

Рис. 39. Резистивно-емкостной усилительный каскад

Назначение элементов схемы.

Разделительный конденсатор на входе – Ср1 предназначен для разделения усилительного каскада с источником сигнала по постоянному току, а полученный переменный сигнал он легко пропускает.

Аналогичную роль играет разделительный конденсатор–С р2 на выходе – он разделяет каскад и нагрузку по постоянному току. Величина этих конденсаторов влияет на величину fн усилителя, так как с понижением их сопротивление сигналу растет, и они хуже его передают по цепи усиления. Для понижения fн нужно увеличивать Ср.

Rн – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи. Оно задает положение (вместе с Rэ) нагрузочной прямой (зависимость Iк от Uкэ при наличии Rн в цепи коллекторного тока) на семействе выходных характеристик.