Тема 2.5 Электронные усилители

 

Назначение и классификация электронных усилителей. Технические характеристики и параметры усилителей:

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Переходная характеристика усилителя:

Переходная характеристика усилителя — это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Основные параметры усилителей:

Основным количественным параметром усилителя яв­ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци­онального назначения усилителя различают коэффициен­ты усиления по напряжению К _u, току K _i или мощности К_р:

 ,  ,

 

где  - амплитудные значения переменных состав­ляющих соответственно напряжения и тока на входе;

 амплитудные значения переменных сос­тавляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

 — мощности сигналов соответственно на вхо­де и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Кu (дБ)= 201gKu; Кi (дБ) = 201gKi; Кр(дБ) = lOlgKp.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиле­ния отдельных его каскадов:

К = K₁  К₂  К_n.

Если ко­эффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициен­тов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где  - модуль коэффициента усиления;

 - сдвиг фаз между входным и выходным напряже­ниями.

Помимо коэффициента усиления важным количест­венным показателем является коэффициент полезного действия

где   — мощность, потребляемая усилителем от источ­ника питания.

К количественным показателям усилителя относятся также входное  и выходное  сопротивления усили­теля:

 ,

где  и   — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

 ,  приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

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 f₁ в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f₂=2f₁, f₃=3f₁ 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%.

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.