Основные определения

Во многих областях науки и техники часто применяются методы пе­редачи различной информации с помощью электрических сигналов. Элек­трическим аналоговым сигналом называют изменяющиеся по определенному закону напряжение или ток, отображающие передаваемую информацию. Ве­личины этих передаваемых сигналов как правило настолько малы, что не мо­гут быть восприняты человеком или привести в действие устройства на кото­рые они поступают. Такие сигналы требуют усиления по напряжению или току, а следовательно по мощности.

Устройство, предназначенное для увеличения мощности электриче­ских сигналов, называется усилителем. В усилителе осуществляется процесс непрерывного управления энергией источника сигнала и таким образом энер­гия источника питания преобразуется в энергию усиливаемых сигналов.

В качестве источника электрических сигналов могут применяться различные устройства: микрофон, магнитные считывающие головки, фото­элементы, передающие электронно-лучевые трубки, полупроводниковые и другие датчики сигналов, первичные преобразователи измерительных прибо­ров и систем и другие.

Наиболее часто применяются электронные усилители - то есть уси­лители построенные на основе электронных приборов, например транзисто­ров.

Электрический сигнал, который надо усилить подается в управляю­щую цепь, называемую входной цепью или входом усилителя. Поэтому сиг­нал, подаваемый на входную цепь принято называть входным сигналом, ко­торый характеризуется соответственно входным напряжением, входным то­ком, входной мощностью.

Усиленный сигнал подается в нагрузку, потребляющего энергию уси­ленного сигнала. Электрическая цепь, в которую включается нагрузка и ис­точник питания называется выходной цепью, то есть выходом усилителя, а мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку называется выходной мощно­стью Р_вых Р_вых = U_вых * I_вых. Изложенное выше можно представить графически в виде структурной схемы.

§2. Классификация усилителей

Так как область применения электронных усилителей очень большая то возможны различные признаки классификации. Перечислим основные признаки.

По характеру усиливаемых сигналов они разделяются на две группы: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

По диапазону частот подразделяются на усилители постоянного тока (или медленно изменяющегося) и усилители переменного тока.

В свою очередь усилители переменного тока необходимо разделить

на:

- усилители звуковых частот 10 - 20000Гц

- усилители высоких частот 100 кГц - 100 МГц

- широкополосные усилители (видеоусилители) 1 кГц - 1МГц.

и некоторые другие узкоспециальные виды.

По электрическому параметру можно выделить:

- усилители напряжения

- усилители тока и мощности

Возможны также другие признаки классификации, например по на­значению и областям применения:

- аудиоусилители

- телевизионные

- измерительные

- трансляционные и т.п.

§3. Принцип усиления

Простейший усилитель содержит один активный усилительный эле­мент и несколько пассивных элементов, обеспечивающих создание необхо­димых условий и режимов для работы активного элемента.

Совокупность усилительного элемента с нагрузкой и со всеми допол­нительными элементами называется каскадом усиления. Для обеспечения получения сигнала необходимой мощности возможно последовательное включение нескольких каскадов.

Принцип усиления можно понять на примере однокаскадного усили­теля блок схема которого может быть представлена в виде

§5. Искажения в усилителях

Если вход усилителя подается сигнал представляющий одно гармо­ническое колебание синусоидальной формы, то при линейной характеристи­ке усилительного элемента на входе получается усилительный сигнал то же формы, что и на входе что видно из рисунка 40.

Но как правило на вход усилителя подается сложный сигнал - со многими гармоническими составляющими различных частот. Чтобы такой сложный сигнал воспроизводился без искажений надо чтобы каждая входя­щая в него гармоника усиливалась одинаково. Но в усилителе имеются реак­тивные элементы, сопротивление которых зависит от частоты подведенного к ним колебания.

Поэтому усиление суммарного сигнала с различными частотами бу­дет различным. В результате форма сигнала на выходе будет несколько от­личаться от формы сигнала на входе.

Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала называется искажениями.

Искажения, вызываемые неодинаковым усилением на различных час­тотах называются частотными искажениями. Для определения работоспособ­ности усилителя на различных частотах исследуется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). - зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Для удобства построения и охвата большого диапазона частот обычно АЧХ строится в логарифмическом масштабе то есть на оси х откла­дывается не частота f, которая может изменяться от 0 Гц до 10⁶ Гц, а лога­рифм частоты lgf. АЧХ имеет вид.

На рисунке 41 прямая линия 1 соответствует идеальной частотной ха­рактеристике, а кривая 2 это реальная характеристика, показывающая ослаб­ление коэффициента усиления на верхних и нижних частотах. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М  

то есть это отношение коэффициента усиления на средних частотах к коэффициенту усиления на заданной частоте. Однако как правило для усили­теля задается диапазон рабочих частот от нижнего значения f_н до верхнего значения f_B в котором и устанавливается предельное допустимое значение М, обычно задаваемое в дБ (децибелах) М дБ = 201gM

допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. Для усилителей звуковой (аудиоусилители) в диапазоне 30 - 20000Гц М не должен превышать 2 дБ, а для телефонии в диапазоне 30... 3400Гц М ~ЗдБ; в других областях применения в соответствии с установ­ленными техническими нормами.

Частотные искажения создаются элементами имеющими линейные электрические характеристики (элементы L и С) и поэтому они называются линейными искажениями.

Кроме этого в усилителях могут наблюдаться нелинейные искажения, вызванные нелинейностью ВАХ активных элементов; фазовые искажения, возникающие вследствие зависимости угла сдвига фазы от частоты, а для ви­деоусилителей импульсных сигналов имеют место переходные искажения.

Для более углубленного изучения явлений вызывающих искажения в усилителях рекомендуется к самостоятельной проработке:

Тема 2.2. Принципиальная схема усилителя на транзисторах. Назначение элементов схемы усилителя.

Принцип усиления

1.1. Принципиальная схема усилителя.

В настоящее время схемы усилителей в основном строятся на исполь­зовании транзисторов и дискретных пассивных элементов (резисторов и кон­денсаторов) или создаются в виде интегральных схем. Наиболее удобным объектом для практического изучения работы усилителя является каскад предварительного усиления, который может быть выполнен на одном или более транзисторах. Основное требование, предъявляемое к каскаду предва­рительного усиления - это получение наибольшего усиления. Это требование реализуется при применении схемы включения транзистора с общим эмитте­ром так как при таком включении имеет место усиление по току К| и по на­пряжению К_и и соответственно усиление по мощности Р максимально т.к.

При выборе схемы предварительного каскада усиления необходимо также обеспечить:

минимальность нелинейных искажений - что достигается соответст­вующим подбором рабочей точки усилительного элемента

минимальность линейных искажений, что возможно при ограничении применения в схеме элементов L и С.

Эти условия реализуются в резисторной схеме предварительного уси­ления рис. 42.

Работу данного усилительного каскада для наглядности луч­ше представить графически в виде вольт - амперных зависимостей во вход­ной и выходной цепи:

Из графиков видно что для получения неискаженного усиленного сигнала надо на входной характеристики транзистора на ее линейном участке выбрать точку покоя П и установить диапазон входного сигнала U_{вх мин} - U_{вх мах}, при этом для фиксации положения точки П надо подать на базу тран­зистора напряжение смещения U_бо, которое не должно зависеть от наличия входного сигнала и тогда через базу будет протекать постоянный ток базы I_бо, который вызывает в цепи коллектора постоянный ток напряжения сме­щения. В данной схеме используется делитель напряжения на резисторах R₁ R₂, который делит напряжение источника питания Е таким образом чтобы большая его часть падала на резисторе R₁, а на R₂ выделялось напряжение равное и_бэ. (Возможны и другие способы задания точки П, например от до­полнительного источника напряжения, с использованием в цепи базы стаби­литрона или токоограничительного резистора). Для того чтобы положение точки П не изменялось в зависимости от входного сигнала необходима галь­ваническая развязка цепи базы с цепью источника сигнала. Для этого ставит­ся конденсатор С_Р1(разделительный конденсатор) величина емкости которого выбирается такой, чтобы она обеспечивала прохождение переменного сигна­ла в требуемом диапазоне частот. Резистор R_K является токоограничивающим

в цепи коллектора, чтобы при переходе режима работы из точки ГГ в точку М транзистор не вышел в область превышения электрических режимов и не сгорел.

Резистор Rэ обеспечивает температурную стабилизацию режима по­коя данного усилительного каскада. При увеличении окружающей темпера­туры ток коллектора возрастает за счет дополнительной генерации носителей заряда в полупроводнике. Увеличение тока приводит к увеличению потен­циала Uэ. относительно земли, что равносильно уменьшению Uбо и точка П несколько смещается вниз. Соответственно уменьшается ток покоя коллек­тора и точка П' остается в прежнем положении. При уменьшении окружаю­щей температуры и снижении тока коллектора потенциал Uэ уменьшается, в результате точка П' остается стабильным. Таким образом наличие сопротив­ления Rэ обеспечивает отрицательную обратную связь по току и напряжению и обеспечивает температурную стабилизацию положений точек П и П'.

Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, исклю­чая отрицательную обратную связь по переменному току, а также частичное падение усиливаемого переменного сигнала на Rэ. Отсутствие Сэ вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада по напряжению в 1,5 раза.

Конденсатор С_р2 также разделительный. Он не пропускает постоян­ную составляющую напряжения источника питания Е_к на базу следующего транзистора. Обычно в качестве С_р2 используется конденсатор большой ем­кости, чтобы усиленный сигнал проходил через него без ослабления.

Элементы Rф1 и Сф1 предназначены для фильтрации напряжения пи­тания и исключения паразитных связей по цепи питания при последователь­ном включении нескольких каскадов усиления.

Дата добавления: 2014-01-03