Общие сведения об электронных усилителях

Усилителями называют устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов. Непосредственно усиление сигналов осуществляется усилительными элементами за счет электроэнергии, потребляемой от источников питания.

Свойства усилителей характеризуют рядом эксплуатационных и качественных показателей. К эксплуатационным показателям относят коэффициенты усиления, чувствительность, мощность на выходе и коэффициент полезного действия. Качественными показателями работы усилителя являются диапазон усиливаемых частот, вносимые усилителем искажения, уровень помех и т.д.

Коэффициент усиления по напряжению, току или мощности показывает, во сколько раз напряжение, ток или мощность на выходе усилителя больше, чем его значения на входе. Коэффициент усиления определяется как отношение напряжения, тока или мощности на выходе усилителя к его одноимённому значению на входе:

(1)

Основной задачей усилителя является усиление электрического сигнала (по току, напряжению или мощности), создаваемого датчиком сигнала, до величины, необходимой для приведения в действие какого-либо устройства (нагрузки), например, реле, элементов индикации, акустических излучателей, электроприводов и т.д. Простейший усилитель, в котором используется усилительный элемент, в большинстве случаев не может обеспечить требуемого усиления. Поэтому современные усилители содержат несколько усилительных приборов, каждый из которых в сочетании с различными пассивными элементами образует каскад усиления. На рис. 1 показан многокаскадный усилитель, состоящий из каскадов предварительного усиления и выходного (оконечного) каскада.

Рис. 1. Структурная схема многокаскадного усилителя

В каскадах предварительного усиления от каскада к каскаду происходит повышение уровня сигнала (обычно по напряжению) до величины, при которой выходной каскад создает в нагрузке заданную выходную мощность. В многокаскадных усилителях выходкой сигнал предыдущего каскада является входным для последующего.

Существует три основных способа связи между каскадами в многокаскадном усилителе: связь через разделительные конденсаторы, или RС -связь, непосредственная или гальваническая связь и связь с помощью трансформаторов (трансформаторная связь). Наибольшее распространение в схемах усилителей переменного тока получила R С–связь.

Если усилительное устройство состоит из нескольких последовательно включённых каскадов, то его общий коэффи­циент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов

К = К ₁ × К ₂ × К ₃ × … × К_n, (2)

где n – число каскадов.

Выходная мощность усилителя зависит от напряжения на его входе. Номинальное входное напряжение U _ВХ, при котором усилитель отдает в нагрузку заданную выходную мощность, называют чувствительностью усилителя.

Номинальная выходная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, Р _Н при синусоидальной форме выходного напряжения и тока равна

Р _ВЫХ = I _ВЫХ × U _ВЫХ = I ²_ВЫХ × R _Н = U ²_ВЫХ / R _Н, (3)

где U _ВЫХ, I _ВЫХ – действующие значения напряжения и тока на резисторе нагрузки R _Н.

Работа усилителя описывается двумя характеристиками: амплитудной и частотной (её часто называют амплитудно-частотной), приведенными на рис. 2.

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения от входного U _ВЫХ = f (U _ВХ) при f _ВХ=const (рис. 2, а). Иногда определяют амплитудную характеристику как зависимость коэффициента усиления по напряжению от входного сигнала постоянной частоты K _U = f (U _ВХ). Обе эти зависимости приведены на рис.2, а.

Отклонение реальной амплитудной характеристики от идеальной прямой (см. пунктирные линии на рис. 2, а) в области малых входных сигналов (левее точки а) происходит за счет напряжения собственных шумов U _Шв выходной цепи усилителя. Напряжение шумов обусловлено пульсациями напряжения источника питания, а также напряжением нестационарных процессов, определяемых структурой активных и пассивных элементов схемы.

При слишком больших значениях входного сигнала (правее точки б) амплитудная характеристика искривляется из-за перегрузки усилительных элементов. Это значит, что усилительный элемент работает на нелинейных участках своих характеристик, что обусловливает ограничение амплитуды выходного сигнала и искажение его формы.

Отношение максимального к минимальному значению входных напряжений, усиливаемых усилителем без искажений, характеризует динамический диапазон усилителя.

. (4)

Динамический диапазон можно определить по амплитудной характеристике усилителя. В пределах динамического диапазона коэффициент усиления практически не изменяется (см. затененную область на рис. 2, а).

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала U _{ВХ МАКС} – U _{ВХ МИН} амплитудная характеристика имеет форму практически прямой линии (участок а - б), что свидетельствует о линейной зависимости U _ВЫХ = f (U _ВХ), а угол ее наклона a определяется значением коэффициента усиления усилителя на данной частоте (tg a = D U _ВЫХ / D U _ВХ).

Частотная характеристика усилителя представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемых колебаний K _U = f (f) при U _ВХ= const. Графическое изображение частотной характеристики усилителя с RС–связью показано на рис. 2, б. Как видно из графика, коэффициент усиления не остается постоянным на разных частотах, а имеет явно выраженный “завал” (снижение) на низких и высоких частотах. Это свойство усилителя обуславливает частотные искажения – отклонение формы выходного сигнала от входного с изменением его частоты.

В области средних частот коэффициент усиления практически не зависит от частоты. Снижение коэффициента усиления на низких и высоких частотах связано с влиянием на сигнал реактивных элементов, входящих в состав усилителя и объясняется следующим.

С переходом в область низких частот заметно увеличивается падение напряжения на разделительных конденсаторах межкаскадной связи (см. конденсатор С _Р1-2 на рис. ниже). Это вызвано тем, что с уменьшением частоты емкостное сопротивление конденсатора увеличивается, как видно из формулы:

. (5)

где Х _С– емкостное сопротивление конденсатора;

f – частота входного сигнала;

С – емкость разделительного конденсатора.

Следовательно, на входном сопротивлении R _ВХ2 следующего каскада (см. рис. слева), составляющем с конденсатором связи делитель напряжения, создастся меньшее входное напряжение (вспомнить принцип действия делителя напряжения), что, естественно, приведет к умень-шению U _ВЫХ каскада и коэффициента усиления.

Действительно, из свойств расмотренного делителя напряжения,

(6)

откуда видно, что с ростом X _СР (при снижении частоты f входного сигналав формуле 5) напряжение U _ВХ2 уменьшается, а значит уменьшается и общий выходной сигнал усилителя.

В области верхних частот на работу усилителя, а следовательно и на коэффициент усиления, существенно влияют междуэлектродные ёмкости транзисторов и других элементов схемы. Для уяснения этого явления рассмотрим обобщённую схему выходной цепи транзисторного усилителя, приведённую на рис. 3, на которой показаны основные междуэлектродные ёмкости транзистора и входная ёмкость следующего каскада С _ВХ2.

Межэлектродные ёмкости представляют собой ёмкости p-n переходов, в которых запирающий слой играет роль диэлектрика, а примыкающие к нему ионные слои являются обкладками конденсаторов. Из рисунка видно, что выходная ёмкость C _КЭ определяется значениями ёмкостей коллекторного C _КБ и базового C _БЭ p-n переходов. Из правила последовательного соединения емкостей известно, что эквивалентная им ёмкость определяется выражением

(7)

и будет меньше наименьшей из них. Поскольку коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, ширина запирающего слоя велика и, следовательно, ёмкость С_КБ очень мала (для НЧ транзисторов она порядка 20…60 пФ).

Напомним, что ёмкость плоского конденсатора может быть найдена по формуле: С = e× S / h, где e – диэлектрическая постоянная, S – площадь обкладок (p-n перехода), h –толщина диэлектрика (ширина запирающего слоя).

Следовательно, ещё меньше будет выходная ёмкость С_КЭ, емкостное сопротивление которой в соответствии с формулой (5) на низких и средних частотах огромно и не влияет на работу транзисторного каскада усиления.

Из рис. 3 также видно, что переменная составляющая сигнала с коллектора транзистора поступает на следующий каскад через разделительный конденсатор С _Р1-2 и выделяется на входном сопротивлении каскада R _ВХ2. Поскольку ёмкость разделительного конденсатора С_Р1-2 обычно велика и составляет десятки микрофарад, его емкостное сопротивление (в соответствии с формулой 5) на высокой частоте ничтожно и им в рассуждениях можно пренебречь. В то же время параллельно входному сопротивлению каскада R _ВХ2 на частоте сигнала оказываются подключёнными ёмкости С _КЭ транзистора и входная ёмкость следующего каскада С _ВХ2, общая ёмкость которых равна сумме их емкостей. “Невидимые” на низких и средних частотах из-за своей малости, на высокой частоте они начинают шунтировать (уменьшать, см. формулу 5) сопротивление R _ВХ2, являющееся нижним плечом делителя напряжения R _K – R _ВХ2. Следствием этого является снижение напряжения U _ВХ2 и, соответственно, общего коэффициента усиления, о чём свидетельствует “завал” частотной характеристики в области высоких частот.

Непостоянство коэффициента усиления по частоте приводит к частотным искажениям, которые оцениваются коэффициентом частотных искажений. Коэффициент частотных искажений М равен отношению коэффициента усиления на средней частоте К _СР, к коэффициенту усиления на данной частоте К _f

. (8)

Диапазон рабочих частот усилителя, или полоса пропускания, равная D f = f _В – f _Н (см. рис. 2, б), оценивается областью частот, в пределах которой частотные искажения не превышают заданной величины. Обычно полоса пропускания лежит между верхней f _В и нижней f _Н граничными частотами, на которых коэффициент усиления уменьшается до 0,7 от его значения на средних частотах (или от максимального значения). В усилительной технике широко применяется логарифмический масштаб, в котором уменьшение коэффициента усиления от значения К _МАКС в пределах полосы пропускания усилителя не превышает 3 децибел:

D К _U(ДБ) = 20 lg K _max / 0,7 K _max = 20 lg 1,43» 3 дб. ( 9 )

Для этих частот коэффициенты частотных искажений равны

, ( 10 )

где К _Н, К _В – коэффициенты усиления соответственно на нижних

верхних частотах.

Из определения коэффициента частотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал, а если М < 1, то – подъем.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного уси­лителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов

М = М ₁ × М ₂ × М ₃× … × М_n.. (11)

Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, чтобы общий коэффициент частотных искажений не выходил за пределы заданного.

Свойства усилителя существенно изменяются при введении отрицательной обратной связи (ООС), что находит отражение и во внешнем виде обеих рассмотренных характеристик.

Основным действием ООС, на котором базируются все её проявления, является снижение коэффициента усиления усилителя. Напомним вкратце суть действия ОС.

На рис. 4 приведена упрощенная структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного цепью обратной связи с коэффициентом передачи b = U _ОС/ U _ВЫХ (не путать с коэффициентом усиления по току b для транзистора в схеме с общим эмиттером).

Если сигнал обратной связи U _ОС, поступающий с выхода усилителя на его вход, противодействует входному сигналу U _ВХ (т.е. их действия находятся в противофазе), то такая ОС называется отрицательной [3]. Коэффициент усиления (по напряжению) усилителя, охваченного ООС, определяется выражением:

, (12)

из которого видно, что коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью К ^ООС, в 1/(1+ bК) меньше коэффициента усиления самого усилителя К.

Используя в своих рассуждениях выражение (12), мы сможем обнаружить влияние ООС на характеристики усилителя.

Так, при построении амплитудной характеристики усилителя с ООС, каждому значению U _ВХ будет соответствовать напряжение U _ВЫХ меньшее, чем при отсутствии ООС. Следовательно, экспериментальные точки и сама кривая пройдут ниже характеристики ЭУ без ООС (на рис. 2, а не показано), а динамический диапазон усилителя (см. формулу 4) расширится.

Изменения частотной характеристики при введении ООС обусловлены следующим:

В средней области частот, где выходное напряжение является наибольшим, напряжение обратной связи, определяемое выражением U _OC =b × U _ВЫХ (см. рис.2), оказывается также наибольшим. Это приводит к значительному спаду усиления и результирующего выходного напряжения на средних частотах. В области нижних и верхних частот действие ООС сказывается слабее вследствие меньшего значения выходного напряжения и соответственно меньшей величины U _OC. Поэтому влияние отрицательной обратной связи на средних частотах сказывается сильнее, чем на крайних частотах. Вследствие этого частотная характеристика усилителя с ООС (см. рис. 2, б) располагается ниже кривой АЧХ без ООС и становится более прямолинейной (сглаженной). В том случае, когда на частотной характеристике усилителя имеется локальный подъем, то есть возрастает коэффициент усиления, действие ООС носит обратный характер и также вызывает спрямление частотной характеристики. Совершенно очевидно, что спрямление формы частотной характеристики усилителя, вызванное действием ООС, сопровождается расширением полосы пропускания (то есть D f _ООС > D f, где D f _ООС = f _В^ООС – f _Н^ООС) и, следовательно, уменьшением частотный искажений в соответствии с формулой (8).

Нелинейные искажения проявляются в искажении формы выходного сигнала. Они обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов (транзисторов, электронных ламп), а также наличием в схеме других нелинейных элементов. ООС также уменьшает и нелинейные искажения.

Для подтверждения этого, допустим, что при входном напряжении U _ВХ усилительный каскад без обратной связи дает на выходе, кроме напряжения такой же формы, как входное, еще напряжение искажений U _И. При охвате каскада отрицательной обратной связью на его вход, кроме напряжения сигнала U _ВХ, будет подаваться с выхода также напряжение искажений U _И. При неизменном значении напряжения входного сигнала, поступающего на вход каскада, охваченного ООС, уменьшения нелинейных искажений не наблюдается так как обратная связь уменьшает примерно одинаково как полезный сигнал, так и напряжение искажений U _И. Однако напряжение полезного сигнала на входе можно довести до прежнего уровня увеличением коэффициента усиления предыдущего каскада. Поэтому уровень полезного сигнала на выходе каскада повысится, а все мешающие напряжения, возникающие толь­ко в каскаде, охваченном ООС, уменьшатся. Это приведет к уменьшению уровня нелинейных искажений. Действительно, при введении ООС на выходе каскада возникает новее напряжение искажений U _И^ООС, равное разности напряжения U _И, вносимого усилительным каскадом, и напряжения U _И^ООС прошедшее через цепь ОС усилителя:

U _И^ООС = U _И – b К U _И^ООС. (13)

Отсюда

. (14)

Таким образом, ООС уменьшает искажения, вносимые усилительным каскадом, в (1 + b К) раз.

Коэффициент полезного действия усилителя характеризует его экономичность и определяется как отношение полезной мощности сигнала Р _ВЫХ, отдаваемой усилителем нагрузке, к общей мощности Р _О, потребляемой им от источника питания,

. (15)