Принципы усиления сигналов в усилителе
Схема резистивного усилителя наиболее простая из всех существующих усилителей. Поэтому принципы усиления сигналов в любом усилителе можно рассмотреть на примере резистивного усилителя.
Принцип построения усилителя. Состав и назначение элементов схемы
ВОПРОС №1
Резистивно-емкостной усилитель
ЛЕКЦИЯ №3
Усиление электрических сигналов является основным процессом, протекающим во многих радиоэлектронных устройствах: радиопередатчиках, радиоприемниках, радиостанциях. Принцип усиления одинаков для всех типов усилителей, независимо от их составных элементов, поэтому материал данной лекции можно считать базисным в дисциплине «Основы схемотехники».
Кроме принципа построения усилителя в лекции будет рассмотрен и вопрос стабилизации положения рабочей точки на ВАХ, что особенно актуально при работе транзисторных усилителей при различных температурных режимах.
Принцип усиления электрических сигналов.
Согласно классификации усилителей (см. лекцию №1) все усилители по виду нагрузки разделяются на апериодические и избирательные усилители.
Определение.Апериодическим называется усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот.
В качестве нагрузки в таком усилителе используется резистор, трансформатор или дроссель. Сопротивление такой нагрузки (резистора, трансформатора или дросселя) практически не зависит от частоты. Поэтому апериодический усилитель – это усилитель, нагрузка которого не имеет ярко выраженных резонансных свойств.
По характеру применяемой нагрузки различаются следующие виды апериодических усилителей:
– резистивно-емкостные (резистивные),
– трансформаторные,
– дроссельные.
Определение. Резистивный усилитель — апериодический усилитель, нагрузкой усилительного элемента (УЭ) которого является резистор.
На рисунке 3.1 приведена простейшая схема резистивного усилителя на триоде с косвенным накалом катода (если применяется прямой накал катода, то для его нагрева включается батарея накала). Триод включен по схеме с общим катодом.
Ниже рассмотрено назначение элементов.
Электронная лампа (VL) служит для управления потоком источника анодного питания ЕА (лампа – усилительный элемент).
Сопротивление нагрузки RА предназначено для выделения на нём усиленного переменного напряжения.
Анодная батарея ЕА является источником электрической энергии, за счёт которой происходит усиление (источники питания).
Резистор утечки в цепи управляющей сетки RС обеспечивает постоянную по величине проводимость между управляющей сеткой и катодом лампы. Через этот резистор подаётся напряжение смещения Eg на управляющую сетку. Напряжение смещения на управляющую сетку подается для выбора положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике усилительного элемента (УЭ). От выбора положения рабочей точки зависит режим работы УЭ. В данной схеме смещение подается автоматическим способом (нет специального источника смещения).
Uвх
СБЛ
IK
Рис.3.1. Резистивно-емкостной усилитель
Постоянная составляющая катодного тока создает на резисторе RК падение напряжения. Это напряжение через резистор RС подается на управляющую сетку в отрицательной полярности относительно катода. Под действием этого напряжения, называемого напряжением смещения Eg, рабочая точка занимает определенное положение на вольт-амперной характеристике лампы. От местоположения рабочей точки на характеристике зависят многие качественные показатели усилителя.
Конденсатор СК шунтирует резистор RK по переменному току. Через СК протекает переменная составляющая катодного тока. Если бы эта составляющая тока проходила через RK (например, при обрыве конденсатора СК или его отсутствии), то на RK создавалось бы напряжение и за счет этой переменной составляющей катодного тока. Это напряжение, находясь в противофазе к напряжению входного сигнала, воздействовало бы на участок «сетка-катод» лампы, создавая отрицательную обратную связь (ООС), вызывающую уменьшение коэффициента усилителя.
Через RС обеспечивается путь для стекания с сетки части электрических зарядов. При работе лампы часть электронов, испускаемых катодом, по пути к аноду оседает на управляющей сетке, увеличивая тем самым ее отрицательный потенциал. Если не обеспечить стока этих статических зарядов на корпус (землю), то через некоторый промежуток времени отрицательный потенциал управляющей сетки увеличится настолько, что лампа может запереться и усиление сигналов будет невозможным. Через резистор RС осуществляется также сток токов, образующихся в баллоне лампы. Величина сопротивления RС должна быть большой (сотни кОм), чтобы оно не шунтировало источник входного напряжения.
Разделительный конденсатор СР соединяет по переменному току анод лампы данного каскада с управляющей сеткой лампы следующего каскада. В то же время он разделяет их по постоянному току, то есть разделительный конденсатор не пропускает на вход следующего каскада постоянную составляющую тока. Конденсатор СР должен иметь сравнительно большую емкость и хорошую изоляцию между обкладками. При малой емкости на нём будут большие потери полезного переменного напряжения, а при плохой изоляции − большой ток утечки. Этот ток опасен тем, что он создает положительное падение напряжения на резисторе утечки следующего каскада, которое может значительно изменить исходное напряжение смещения на управляющей сетке лампы следующего каскада.
Блокировочный конденсатор СБЛ уменьшает паразитную связь между каскадами усилителя через общий источник анодного питания. Переменная составляющая анодного тока, протекая через СБЛ, не попадает в источник питания и общие цепи питания. Если эта составляющая из-за недостаточной фильтрации все же попадает в источник питания, а значит, и в общие цепи питания, то по анодным цепям питания она сравнительно легко проходит в сеточные цепи всех тех каскадов, которые питаются от данной цепи питания. В результате этого могут образоваться паразитные положительные обратные связи между анодными и сеточными (то есть выходными и входными) цепями нескольких каскадов, что может привести их к самовозбуждению или к неустойчивой работе. Емкость СБЛ должна быть большой, чтобы его сопротивление переменному току было гораздо меньше, чем сопротивления источника анодного питания ЕА.
В данной схеме сопротивление нагрузки RА и источник анодного питания ЕА включаются последовательно с лампой. Такая схема называется схемой с последовательным питанием. Если эти элементы соединены параллельно, то схема называется схемой с параллельным питанием.
Далее будут рассмотрены физические процессы в резистивном усилителе на лампе, то есть процесс работы резистивного усилителя.
При включении напряжения анодного питания ЕА через лампу течет ток. Постоянная составляющая катодного тока создает на резисторе RК напряжение смещения, которое через резистор RС в отрицательной полярности относительно катода подается на управляющую сетку лампы. Под действием напряжения смещения рабочая точка, точка «А», займет на вольт-амперной характеристике (ВАХ) определенное положение (рис.3.2).
Так как увеличение амплитуды входного сигнала в усилителе должно быть обеспечено при минимальных искажениях формы сигнала, то рабочая точка «А» выбирается примерно посредине линейного участка ВАХ лампы так, чтобы амплитуда входного сигнала UВХ =Umg ∙ sinωt не выходила за пределы линейного участка ВАХ (рис.3.2).
ig iA
Рабочая
точка «А»
0 ωt
Ug
Еg UA
Umg EA
UA0 ωt
ωt ВЫХ
0 ωt
Рис. 3.2. Эпюры напряжений и токов, поясняющие принцип усиления
При отсутствии входного сигнала напряжение на выходе каскада (после разделительного конденсатора СР) равно нулю. При этом в анодной цепи лампы протекает постоянный ток IА0, а на аноде лампы создаётся постоянное анодное напряжение UА0
.(3.1)
На вход каскада подано переменное напряжение
. (3.2)
Под действием этого напряжения между сеткой и катодом создается переменное электрическое поле, которое вызывает значительное изменение анодного тока. Переменное напряжение на сетке управляет анодным током лампы, который становится пульсирующим
. (3.3)
Ток iА имеет в своём составе переменную (IAm) и постоянную (IA0) составляющие. Так как лампа работает в линейном режиме (входной сигнал проходит УЭ без искажений), то переменная составляющая анодного тока прямо пропорциональна переменному напряжению на управляющей сетке
, (3.4)
где S − крутизна ВАХ лампы.
На сопротивлении RА анодный ток создаёт пульсирующее напряжение
. (3.5)
При этом выражение RАS представляет собой коэффициент усиления (К)
Ra · S = K. (3.6)
Следовательно UR = RAIA0 + KUgm sinωt . (3.7)
Напряжение на аноде лампы равно разности напряжения источника питания (ЕА) и напряжения на сопротивлении нагрузки (UR)
UA = EA− UR = EA− RA· IA0 − KUmg sinωt , (3.8)
так как UA0 = EA − RAIA0 . (3.9)
Так как UA0 − постоянное напряжение на аноде лампы, то выражение (3.8) можно переписать так: UA = UA0 − KUmg sinωt. (3.10)
Разделительный конденсатор СР пропускает только переменную составляющую тока, поэтому напряжение на выходе каскада равно
Uвых = −КUmg sinωt = KUmg sin(ωt + π) . (3.11)
Из последней формулы и эпюр (рис.3.2) можно сделать важные выводы:
1. Переменное напряжение на входе резистивного усилителя в К раз больше переменного напряжения на выходе, следовательно, К − это коэффициент усиления
. (3.12)
В усилительных каскадах коэффициент усиления во много раз больше единицы. Этого можно добиться, выбрав достаточно большое RА.
2. Переменное напряжение на выходе резистивного усилителя, собранного по схеме с общим катодом, находится в противофазе с входным напряжением.
3. Выходной сигнал по форме повторяет входной. При этом увеличение (усиление) выходного напряжения происходит за счёт энергии источника анодного напряжения ЕА.
4. Коэффициент усиления каскада зависит от крутизны S ВАХ. Чем больше крутизна, тем больше усиление.
Аналогичным образом можно описать и принципы усиления резистивным усилителем на транзисторе (рис.3.3).
 |
RН
Uвх
СБЛ
Рис.3.3. Резистивный усилитель на транзисторе
Назначение элементов в этой схеме аналогично назначению элементов в анодном усилителе.
Конденсаторы СР разделяют переменную и постоянную составляющие тока.
Резисторы R1, R2 − делитель напряжения, устанавливают рабочую точку на ВАХ транзистора, обеспечивают подачу смещения. Кроме того, делитель напряжения R1, R2 участвует в обеспечении температурной стабилизации работы транзистора в усилительном каскаде (см. вопрос №2 данной лекции).
Резистор RН − нагрузочное сопротивление, с которого снимается усиленное напряжение.
Конденсатор СБЛ уменьшает паразитную связь через источник питания.
Работа усилителя на транзисторе аналогична работе лампового усилителя. Отличие состоит в том, что входной сигнал подаётся на базу транзистора, а выходной снимается с коллектора (в схеме с общим эмиттером).
Известно, что наибольшее применение в усилителях в качестве УЭ находят лампы и транзисторы, которые обладают как положительными, так и отрицательными свойствами.
Электронные лампы исторически появились первыми, но своего значения не потеряли до сих пор. Это обусловлено рядом их положительных свойств:
1. Практическим отсутствием зависимости параметров лампы от частоты.
2. Малым разбросом параметров и их практической независимостью от температуры и других внешних факторов.
3. Малыми обратными связями через проходные межэлектродные емкости.
4. Усилители на лампах работают на частотах до 2−3 ГГц.
В то же время, лампы обладают недостатками, которых лишены транзисторы. Достоинства транзисторов:
1. Меньшие номиналы напряжений источников питания и меньшая потребляемая мощность (то есть более экономичны).
2. Отсутствуют цепи накала, что обеспечивает мгновенность действия после включения питания. Меньшее выделение тепла. Все это упрощает монтаж и уменьшает паразитные связи.
3. Более высокая надежность и более длительный срок службы.
4. Возможность миниатюризации, что уменьшает габариты и вес аппаратуры.
Недостатки транзисторов:
1. Большой разброс параметров транзисторов и их сильная зависимость от температуры.
2. Зависимость параметров от частоты.
3. Относительно низкий коэффициент усиления.
4. Наличие бóльших обратных связей, чем в лампах, что ограничивает частотный диапазон использования транзисторов.
Тем не менее, следует помнить, что процесс развития транзисторной техники непрерывен. Совершенствуются не только технология производства и сама конструкция транзисторов, но и используются технические решения, позволяющие если не устранить, то существенно уменьшить проявление указанных недостатков. В целом же, в силу своих замечательных свойств, транзисторы получили широкое применение в радиотехнике. Поэтому в дальнейшем основное внимание в этом пособии будет уделяться устройствам на транзисторах.
Выводы по 1-му вопросу:
1. Усиление электрических сигналов в усилителе происходит за счет энергии источника питания. Усилительный же элемент играет роль преобразующего устройства, в котором энергия малого входного сигнала преобразуется в большую энергию источника питания.
2. Закон изменения сигнала на выходе усилителя такой же, как и на входе.
3. Нагрузкой резистивно-емкостного усилителя является элемент без ярко выраженных резонансных свойств, например, активное сопротивление – резистор.