Усилители электрических сигналов

Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1 - Обобщенная структурная схема усилителя

Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро- необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р_вх, выходная мощностьР_вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р_вх< Р_вых < Ро. Следовательно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС), варикапов и других.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве случаев одного элемента недостаточно и в усилителе применяют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом.

Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов: к активным элементам относятся транзисторы, микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально необходимого набора активных и пассивных элементов.

Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 - Схема многокаскадного усилителя

Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические.

Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

Классификация усилительных устройств.

Усилительные устройства классифицируют по различным признакам.

По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

-усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты f_н = 0 до верхней рабочей частоты f_в. УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

-усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на:

а) усилители низкой частоты, УНЧ,

б) усилители высокой частоты, УВЧ,

в) усилители сверхвысокой частоты, СВЧ.

-избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот f_в/f_н≈1;

-широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот f_в/f_н>>1 (например УНЧ - усилитель низкой частоты).

-усилители мощности- оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R_{вн. к} = R_н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микро­схемы (ИМС).