Электронные усилители

 

Усилитель электрических колебаний можно рассматривать как черный ящик с шестью клеммами: 2 клеммы для подключения источника сигнала, 2 клеммы для подключения нагрузки и 2 клеммы для подключения источника питания (рис. 5.1). Одна из клемм источника сигнала, нагрузки и источника питания соединяется с корпусом усилителя.

Усилители электрических колебаний могут усиливать колебания по напряжению, по току, по мощности. Усиление электрических колебаний осуществляется за счет энергии источника постоянного тока. Таким образом, в усилителе происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию усиливаемого сигнала.

 

Усилители служат для усиления электрических сигналов по величине. Они являются наиболее универсальными электронными устройствами и в той или иной форме используются практически в любых электрон­ных системах. На рис.31 дано общее функциональное обозначе­ние усилителя.

Рис. 31 Общее функциональное обозначение усилителя

Классификация усилителей электрических сигналов проводится:

• по виду используемых актив­ных элементов - усилители электронные, магнитные, оптико-электронные и др.,
• по виду основного усиленного сигнала - усилители напряжения, тока или мощности,
• по виду связи между каскадами - усилители с непосредственными связями, реостатные или резистивные, резистивно-емкостные (RC-усилители), трансформаторные, резистивно-трансформаторные,
• по характеру зависимости между входным и выходным сигнала­ми - усилители линейные и нелинейные (с отсечкой, логарифмические и др.),
• по полосе пропускания: усилители широкополосные или видеоусилители, звуковые, узко­полосные, усилители постоянного тока.

В общем виде усилитель рассматривают в виде четырёх­полюсника (рис. 32), на вход которого подан сигнал от внеш­него источника с ЭДС и с внутренним сопротивлением R_U, а к выходу подключена внешняя нагрузка R_Н .

 

 

Замещение усилителя четырехполюсником

 

Входными параметрами усилителя являются напряжение U_ВХ, ток i_ВХ, сопротивление R_ВХ и мощность P_ВХ, а выходными параметрами - напряжение U_ВЫХ, ток i_ВЫХ, сопротивле­ние R_ВЫХ и мощность P_ВЫХ .

Проходные параметры усилителя - коэффициенты усиления по напряжению , по току , по мощности .

В общем случае параметры усилителя - величины комплексные. При работе усилителя с характерными для измерительных устройств сигналами средних частот (1-3) кГц влияние реактивных элементов пренебрежимо мало, и параметры можно считать действительными. При анализе цепей на нижних и средних частотах используют модули параметров и их зависимости от частоты.

Частотная характеристика усилителя K(f) – это зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты (рис.33). Идеальная характеристика - горизонтальная в диапазоне частот f_Н...f_В, который называют полосой пропускания усилителя. Реальная характеристика имеет завалы, они вызываются влиянием реактивных элементов главным образом в цепях межкаскадной связи.

Частотная характеристика усилителя.

Амплитудная характеристика U_ВЫХ = f(U_ВХ) – зависимость между выходным и входным напряжением (рис. 34) Идеальная характеристика 1 линейного усилителя - прямолинейная. Реальная характеристика 2 при больших сигналах нелинейная.

 

Амплитудная характеристика

 

.

В усилителях на вход подают исходный сигнал от внешнего источника, а на выходе получают усиленный выходной сигнал. Часто часть этого сигнала через специальную цепь обратной связи подают также на вход усилителя (рис. 36).

Рис. 36. Усилитель с обратной связью

Такую передачу сигнала называют обратной связью (ОС). В результате на входе усилителя с ОС действуют два сигнала: исходный сигнал U_ВХ и сигнал ОС- U_ОС. Обратные связи влияют на параметры и характеристики усилителя. Классификация обратных связей проводится:

по характеру совместного дейст­вия двух сигналов на входе усилителя - обратные связи по­ложительные (ПОС) и отрицательные (ООС). При ПОС исходный входной сигнал и сигнал ОС совпадают по знаку или фазе, суммируются и увеличивают результирующий сигнал на выходе усилителя. ПОС применяют во всех генераторах гармонических и импульсных колебаний. Для усилителей характерна отрицательная обратная связь, при которой сигнал ОС противоположен по знаку или фазе входному сигналу, вычитается из него и уменьшает результирующий сигнал на выходе усилителя;

по способу образования сигнала ОС на выходе усилителя - обратная связь по напряжению и по току. Включение или исключение элементов цепи ОС не должно влиять на выходную цепь

ОС по напряжению

R1,R2-резистивный делитель цепи ОС (R1+R2) »Rн –условие, исключающее влияние

цепи ОС на выходную цепь усилителя.

ОС по току

образцовое сопротивление Rобр<<Rн -условие, исключающее влияние

цепи ОС на выходную цепь усилителя.

 

· Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе транзистора V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер - через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база - эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей. Коэффициент усиления по току и напряжению - 20…200. Недостаток - сравнительно малое входное сопротивление - всего 500…1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р - n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2…20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств транзистора.

·

Схемы включения транзисторов.

Включение транзистора по схеме ОКпоказано на (рис. б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора - ОК. Коэффициент усиления по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 - 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор - эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.

Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению - такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 - 200) из - за очень малого входного сопротивления БК, превышающего нескольких десятков Ом (30-100) Ом. Включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний.