Электронные усилители в промышленной электронике. Смотреть что такое "Электронный усилитель" в других словарях
Глава 8. Электронные усилители.
Основные определения
Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входных сигналов с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания.
Структурная схема усилительного каскада (рис.8.1) содержит усилительный элемент, к входным зажимам которого подключен источник входного сигнала Е г с внутренним сопротивлением R г, а к выходным – нагрузка (как правило, активная) R н. Источником входного сигнала может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.
Усиление происходит за счет того, что схема усилителя содержит источник энергии, обычно называемый источником питания, а активный усилительный элемент, например, транзистор, с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний. Входное колебание является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.
Классификация усилителей.
Усилители принято классифицировать по назначению, используемым усилительным (активным) элементам и режимам их работы, формы усиливаемых сигналов и полосе пропускания.
Все практически усилительные схемы усиливают мощность входного сигнала, однако в ряде случаев основным показателем усилителя являются величины выходных напряжения U вых /U н или тока I вых / I н. Поэтом по назначению различают усилители мощности, напряжения и тока.
В усилителях в основном используются биполярные и полевые транзисторы, а новейшая усилительная техника базируется на линейных интегральных микросхемах. Усилительные элементы смогут работать в линейном и нелинейном режимах. Если усилительный элемент работает в линейном режиме, то усилитель относится к классу линейных, считают активным четырехполюсником и на него распространяются все свойства линейных цепей. Если же усилительный элемент работает в нелинейном режиме, то усилитель является нелинейным устройством, хотя по форме выходной и входной сигналы практически всегда совпадают. Один из нелинейных режимов работы – ключевой.
По форме усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.
В зависимости от значения нижней граничной частоты усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока . Современные УПТ способны усиливать и переменные сигналы, верхняя частота спектра которых достигает значения 100МГц.
Усилители переменного тока усиливают лишь гармонические составляющие в определенной полосе частот: от нижней f н до верхней f в. Среди усилителей переменного тока различают усилители низких частот (звуковых)(УНЧ), усилители промежуточных частот (УПЧ), усилители высоких частот (УВЧ), усилители сверхвысоких частот (УСВЧ), Узкополосные(избирательные) и широкополосные (импульсные) усилители. УНЧ свойственно усиление в частотном диапазоне от десятков Гц до десятков кГц. УПЧ обычно применяются в диапазоне от сотен кГц до десятков МГц. УВЧ и УСВЧ усиливают сигналы от сотен МГц до десятков ГГц.
Избирательные усилители работают в очень узкой полосе частот: они подразделяются на резонансные и полосовые усилители. На выходе резонансных усилителей, как правило, включены колебательные контуры.
Усилительный каскад, работающий непосредственно на нагрузку, принято называть выходным каскадом (усилителем мощности) . Остальные каскады усилителя относят к входным и предварительным.
Основные параметры и характеристики усилителей.
Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.
Коэффициент усиления . Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигналов, к входной величине. В качестве таких величин могут употребляться напряжение, ток или мощность. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению , по току или по мощности .
Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):
(8.1)
Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов (L,C) коэффициенты усиления по напряжению и току являются комплексными величинами и зависят от частоты усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления по мощности показывает, во сколько раз активная мощность Р вых, отдаваемая усилителем в нагрузку R н, больше активной мощности Р вх, подводимой к входным зажимам:
Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах – децибелах: К р дБ= 10lgK p .
В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл рассматривать только коэффициент усиления по напряжению, так как входной ток чрезвычайно мал. В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере. Однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению.
Входное и выходное сопротивления.
Под входным сопротивлением усилителя понимается сопротивление между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе:
Входное сопротивление усилителя является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от ее величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала.
Выходным сопротивлением усилителя называется сопротивление между выходными клеммами при подключено источнике сигнала на входе:
. (8.5)
Знание и позволяет правильно согласовывать усилитель с источником сигнала и с последующим каскадом.
Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики.
Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные искажения.
Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивления которых зависят от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения оценивают с помощью амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.
Поскольку коэффициент усиления по напряжению (току) в общем случае является комплексной величиной, то можно записать
(8.6)
где - модуль коэффициента усиления, - аргумент коэффициента усиления.
Под АЧХ усилителя понимают зависимости модуля коэффициента усиления от частоты сигнала (рис. 5.2а).
Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты.
Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями называются искажения сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных элементов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармониками составляющих входного сигнала, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений К г. Этот коэффициент измеряется на выходе усилителя при подаче гармонического колебания и определяется следующим соотношением:
(8.7)
где Р 2 , Р 3 ,… Р n , - мощности второй, третьей и т.д. гармоник выходного тока.
При чисто резистивной нагрузке усилителя отношение мощностей можно заменить отношением квадратов амплитуд напряжений или токов, тогда
(8.8)
Амплитудная характеристика, динамический диапазон, КПД усилителя. О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного U m вых =f(U m вх) (рис.5.2б). Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейные, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.
Динамический диапазон усилителя оценивается как
(8.9)
В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.
При оценке мощных выходных усилителей существенную роль играет коэффициент полезного действия η, который определяется как отношение мощности Р вых полезного сигнала на выходной нагрузке усилителя к мощности Р 0 , потребляемой от источника сигнала
Классы усиления
Режимы работы усилителей принято делить на следующие классы: А, В, АВ,С, D. При работе в классе А (рис.8.3а) переменный ток протекает в выходной цепи в течение всего периода, т.е. в процессе работы не происходит запирание транзистора (отсечки выходного тока). От источника питания непрерывно, независимо от уровня сигнала, потребляется приблизительно одна и та же мощность, пропорциональная току в рабочей точке (ток покоя) транзистора. Поскольку КПД при этом невелик, режим А применяется, как правило, в маломощных линейных усилителях.
При работе транзистора в режимах В, АВ, С, D ток покоя мал, усилительный элемент работает с отсечкой тока, т.е. в некоторые промежутки времени транзистор закрыт. Ток протекает в течение части периода, равной 2θ (θ- угол отсечки). В режиме А отсечка отсутствует, что соответствует углу θ=180 0 .
Режим В (рис8.3б) характерен тем, что ток покоя равен), угол отсечки θ=90 0 ; ток протекает в течение одного полупериода колебания, поданного на вход усилителя (рис.8.3б). При отсутствии сигнала усилитель не потребляет мощность от источника питания. При наличии сигнала на входе потребляемая мощность пропорциональна среднему значению потребляемого тока. Режим В характеризуется боле высоким КПД и применяется в усилителях мощности.
Режиму АВ соответствует угол отсечки 90 0 < θ < 180 0 . Энергетические показатели режима АВ уступают показателям режима В, но лучше, чем показатели режима А. Режим В и АВ приводят к сильному искажению формы сигнала, поэтому они используются обычно в двухтактных усилителях, в которых уменьшение тока одного транзистора компенсируется увеличением тока другого транзистора.
Апериодический усилитель.
Апериодическими усилителями называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Эти усилители также называются усилителями с RC – связями или резисторными. В качестве активных элементов используются биполярные и полевые транзисторы. Для усиления напряжения чаще всего применяются схемы включения с ОЭ или с ОИ.
Электронный усилитель - усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры - радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.
Устройство и принцип действия
Структура усилителя
Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) - для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы - для выравнивания частотной характеристики Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала. Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры - для регулировки усиления, фильтры - для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства - нелинейные и др. Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.
Каскады усиления
Каскад усиления - ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель. В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп) Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) - наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим. Каскад с общей базой (затвором, сеткой) - усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает. Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) - называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает. Каскад с распределенной нагрузкой - каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный. Каскодный усилитель - усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй - по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE) Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными. Однотактный усилитель - усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно. Двухтактный усилитель - усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.
Режимы (классы) мощных усилительных каскадов
Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений. В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления: Режим A Режим B Режим B, двухтактный каскад Режим C
Классификация
Аналоговые усилители и цифровые усилители
В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку. В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину - число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.
Виды усилителей по элементной базе
Ламповый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы Полупроводниковый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.) Гибридный усилитель - усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть - на полупроводниках Квантовый усилитель - устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.
Виды усилителей по диапазону частот
Усилитель постоянного тока (УПТ) - усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) - усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике Импульсный усилитель - усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц - нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.
Виды усилителей по полосе частот
Широкополосный (апериодический) усилитель - усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот Полосовой усилитель - усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот Селективный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами
Виды усилителей по типу нагрузки
с резистивной; с ёмкостной; с индуктивной; с резонансной.
Специальные виды усилителей
Дифференциальный усилитель - усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход. Операционный усилитель - многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью. Инструментальный усилитель - предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала Масштабный усилитель - усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью Логарифмический усилитель - усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала Квадратичный усилитель - усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала Интегрирующий усилитель - усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала Инвертирующий усилитель - усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор) Парафазный (фазоинверсный) усилитель - усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений Малошумящий усилитель - усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал Изолирующий усилитель - усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления
Некоторые функциональные виды усилителей
Предварительный усилитель (предусилитель) - усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя. Оконечный усилитель (усилитель мощности) - усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения. Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) - узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника. Резонансный усилитель - усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой. Видеоусилитель - импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения. Усилитель магнитной записи - усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку. Микрофонный усилитель - усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать. Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) - электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.
Усилители в качестве самостоятельных устройств
Усилители звуковой частоты Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания. Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств. Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных. Измерительные усилители - предназначены для усиления сигналов в измерительных целях. Усилители биопотенциалов - разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии. Антенные усилители - предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.
Назначение усилителей
По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности, по виду нагрузки — резисторные
, резонансные
, трансформаторные
, дроссельные
и т. д.
В зависимости от области рабочих частот усилители бывают, низкой (звуковой
) частоты (от 20...30 Гц до 20 кГц), высокой
(свыше 100 кГц) и
постоянного тока
, предназначенные для усиления постоянных и медленно
изменяющихся напряжений и токов.
Основные параметры электронных усилителей
Свойства усилителей во многом определяются областью их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры. К ним кроме коэффициента усиления относятся чувствительность, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивления, коэффициент нелинейных искажений и некоторые другие.
Выходной
является мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку. Различают номинальную и максимальную выходную мощность. Номинальной (P ном) называют такую наибольшую выходную мощность, при которой искажения усиливаемого сигнала не превышают некоторого оговоренного заранее значения (обычно 3...5%). С возрастанием выходной мощности увеличиваются и искажения усиливаемого сигнала. Наибольшую мощность, которую можно получить от усилителя при уровне искажений усиливаемого сигнала до 10 %, называют максимальной (Р макс). Максимальная выходная мощность может в 2..10 раз превышать номинальную.
Чувствительностью
усилителя называют напряжение низкочастотного сигнала в милливольтах или микровольтах, подаваемого на его вход, при котором усилитель отдает в нагрузку номинальную мощность.
Чем меньше это входное напряжение, тем выше чувствительность. Например, усилитель, на который сигнал подается,от микрофона, должен обладать чувствительностью 1...2 мB, а для усилителя, воспроизводящего грамзаписи от пьезоэлектрических звукоснимателей, достаточна чувствительность 100...200 мВ.
Диапазон усиливаемых частот
— это область рабочих частот усилителя, в границах которой его коэффициент усиления изменяется, в пределах, заданных техническими условиями.
Усилитель по-разному усиливает электрические колебания различных частот.
График зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемых сигналов называют амплитудно-частотной. характеристикой (АЧХ)усилителя.
Диапазон частот ΔF, в пределах которого коэффициент усиления уменьшается не более, чем в 0,7 раз от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя.
По значению полосы пропускания усилители подразделяются на широкополосные и узкополосные.
Ширина полосы пропускания зависит от вида нагрузки.
Узкополосные усилители, в качестве коллекторной нагрузки обычно имеют колебательный контур и называются резонансными или избирательными.
Такие усилители широко применяются в супергетеродинных радиоприемниках для выделения из множества сигналов, принятых антенной, сигналов нужной радиостанции.
Входное сопротивление
— сопротивление переменному току, протекающему между входными зажимами усилителя. Оно зависит от схемы усилителя, частоты переменного входного напряжения, его амплитуды и некоторых других факторов.
Выходное сопротивление
характеризует внутреннее сопротивление усилителя переменному току.
От правильного выбора входного и выходного сопротивления во многом зависят входная и выходная мощность усилителя и работа всего устройства.
Коэффициент нелинейных искажений
, называемый иногда коэффициентом гармоник
, отображает уровень нелинейных искажений усилителя. Усилитель не является линейным элементом, поэтому при поступлении на его вход гармонического сигнала, изменяющегося с частотой f 1 в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f 2 =2f 1 , f 3 =3f 1 и т. д. Чем больше амплитуда этих дополнительных составляющих, тем выше коэффициент нелинейных искажений усилителя. Допустимая величина вносимых усилителем нелинейных искажений определяется назначением и областью применения усилителя.
Человеческое ухо представляет собой высококачественный анализатор спектра, сразу же обнаруживающий появление новых гармонических составляющих в выходном сигнале. Оно очень чувствительно даже к небольшим нелинейным искажениям. Поэтому в усилителях радиоаппаратуры высокого качества коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 1...2%.
Глава 8. Электронные усилители.
Основные определения
Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входных сигналов с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания.
Структурная схема усилительного каскада (рис.8.1) содержит усилительный элемент, к входным зажимам которого подключен источник входного сигнала Е г с внутренним сопротивлением R г, а к выходным – нагрузка (как правило, активная) R н. Источником входного сигнала может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.
Усиление происходит за счет того, что схема усилителя содержит источник энергии, обычно называемый источником питания, а активный усилительный элемент, например, транзистор, с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний. Входное колебание является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.
Классификация усилителей.
Усилители принято классифицировать по назначению, используемым усилительным (активным) элементам и режимам их работы, формы усиливаемых сигналов и полосе пропускания.
Все практически усилительные схемы усиливают мощность входного сигнала, однако в ряде случаев основным показателем усилителя являются величины выходных напряжения U вых /U н или тока I вых / I н. Поэтом по назначению различают усилители мощности, напряжения и тока.
В усилителях в основном используются биполярные и полевые транзисторы, а новейшая усилительная техника базируется на линейных интегральных микросхемах. Усилительные элементы смогут работать в линейном и нелинейном режимах. Если усилительный элемент работает в линейном режиме, то усилитель относится к классу линейных, считают активным четырехполюсником и на него распространяются все свойства линейных цепей. Если же усилительный элемент работает в нелинейном режиме, то усилитель является нелинейным устройством, хотя по форме выходной и входной сигналы практически всегда совпадают. Один из нелинейных режимов работы – ключевой.
По форме усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.
В зависимости от значения нижней граничной частоты усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока . Современные УПТ способны усиливать и переменные сигналы, верхняя частота спектра которых достигает значения 100МГц.
Усилители переменного тока усиливают лишь гармонические составляющие в определенной полосе частот: от нижней f н до верхней f в. Среди усилителей переменного тока различают усилители низких частот (звуковых)(УНЧ), усилители промежуточных частот (УПЧ), усилители высоких частот (УВЧ), усилители сверхвысоких частот (УСВЧ), Узкополосные(избирательные) и широкополосные (импульсные) усилители. УНЧ свойственно усиление в частотном диапазоне от десятков Гц до десятков кГц. УПЧ обычно применяются в диапазоне от сотен кГц до десятков МГц. УВЧ и УСВЧ усиливают сигналы от сотен МГц до десятков ГГц.
Избирательные усилители работают в очень узкой полосе частот: они подразделяются на резонансные и полосовые усилители. На выходе резонансных усилителей, как правило, включены колебательные контуры.
Усилительный каскад, работающий непосредственно на нагрузку, принято называть выходным каскадом (усилителем мощности) . Остальные каскады усилителя относят к входным и предварительным.
Основные параметры и характеристики усилителей.
Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.
Коэффициент усиления . Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигналов, к входной величине. В качестве таких величин могут употребляться напряжение, ток или мощность. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению , по току или по мощности .
Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):
(8.1)
Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов (L,C) коэффициенты усиления по напряжению и току являются комплексными величинами и зависят от частоты усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления по мощности показывает, во сколько раз активная мощность Р вых, отдаваемая усилителем в нагрузку R н, больше активной мощности Р вх, подводимой к входным зажимам:
Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах – децибелах: К р дБ= 10lgK p .
В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл рассматривать только коэффициент усиления по напряжению, так как входной ток чрезвычайно мал. В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере. Однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению.
Входное и выходное сопротивления.
Под входным сопротивлением усилителя понимается сопротивление между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе:
Входное сопротивление усилителя является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от ее величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала.
Выходным сопротивлением усилителя называется сопротивление между выходными клеммами при подключено источнике сигнала на входе:
. (8.5)
Знание и позволяет правильно согласовывать усилитель с источником сигнала и с последующим каскадом.
Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики.
Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные искажения.
Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивления которых зависят от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения оценивают с помощью амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.
Поскольку коэффициент усиления по напряжению (току) в общем случае является комплексной величиной, то можно записать
(8.6)
где - модуль коэффициента усиления, - аргумент коэффициента усиления.
Под АЧХ усилителя понимают зависимости модуля коэффициента усиления от частоты сигнала (рис. 5.2а).
Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты.
Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями называются искажения сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных элементов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармониками составляющих входного сигнала, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений К г. Этот коэффициент измеряется на выходе усилителя при подаче гармонического колебания и определяется следующим соотношением:
(8.7)
где Р 2 , Р 3 ,… Р n , - мощности второй, третьей и т.д. гармоник выходного тока.
При чисто резистивной нагрузке усилителя отношение мощностей можно заменить отношением квадратов амплитуд напряжений или токов, тогда
(8.8)
Амплитудная характеристика, динамический диапазон, КПД усилителя. О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного U m вых =f(U m вх) (рис.5.2б). Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейные, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.
Динамический диапазон усилителя оценивается как
(8.9)
В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.
При оценке мощных выходных усилителей существенную роль играет коэффициент полезного действия η, который определяется как отношение мощности Р вых полезного сигнала на выходной нагрузке усилителя к мощности Р 0 , потребляемой от источника сигнала
Классы усиления
Режимы работы усилителей принято делить на следующие классы: А, В, АВ,С, D. При работе в классе А (рис.8.3а) переменный ток протекает в выходной цепи в течение всего периода, т.е. в процессе работы не происходит запирание транзистора (отсечки выходного тока). От источника питания непрерывно, независимо от уровня сигнала, потребляется приблизительно одна и та же мощность, пропорциональная току в рабочей точке (ток покоя) транзистора. Поскольку КПД при этом невелик, режим А применяется, как правило, в маломощных линейных усилителях.
При работе транзистора в режимах В, АВ, С, D ток покоя мал, усилительный элемент работает с отсечкой тока, т.е. в некоторые промежутки времени транзистор закрыт. Ток протекает в течение части периода, равной 2θ (θ- угол отсечки). В режиме А отсечка отсутствует, что соответствует углу θ=180 0 .
Режим В (рис8.3б) характерен тем, что ток покоя равен), угол отсечки θ=90 0 ; ток протекает в течение одного полупериода колебания, поданного на вход усилителя (рис.8.3б). При отсутствии сигнала усилитель не потребляет мощность от источника питания. При наличии сигнала на входе потребляемая мощность пропорциональна среднему значению потребляемого тока. Режим В характеризуется боле высоким КПД и применяется в усилителях мощности.
Режиму АВ соответствует угол отсечки 90 0 < θ < 180 0 . Энергетические показатели режима АВ уступают показателям режима В, но лучше, чем показатели режима А. Режим В и АВ приводят к сильному искажению формы сигнала, поэтому они используются обычно в двухтактных усилителях, в которых уменьшение тока одного транзистора компенсируется увеличением тока другого транзистора.
Апериодический усилитель.
Апериодическими усилителями называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Эти усилители также называются усилителями с RC – связями или резисторными. В качестве активных элементов используются биполярные и полевые транзисторы. Для усиления напряжения чаще всего применяются схемы включения с ОЭ или с ОИ.