Краткие сведения из теории

В большинстве электронных устройств необходимо обеспечить усиление электрических сигналов. Это объясняется, как правило, несоответствием параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании различных неэлектрических физических величин в электрические, параметрам, необходимым для нормальной работы большинства исполнительных устройств. Для этих целей используют устройства, называемые усилителями.

Усилитель – это устройство, предназначенное для усиления (увеличения) входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности с сохранением их формы и частоты за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Выходной сигнал должен либо соответствовать входному, либо отличаться от него в определенных заданных пределах. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник энергии; тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно представить как показано на рисунке 1.

Суть процесса усиления электрических сигналов состоит в преобразовании энергии источника питания усилителя в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи усилительного элемента.

Усилительный элемент(УЭ) – основной элемент усилителя. Для связи его с нагрузкой и источником сигнала в усилителе предусматриваются специальные цепи связи. Рабочий режим УЭ обеспечивается дополнительным источником питания. Поскольку иметь в одном усилителе несколько источников питания невыгодно, стремятся использовать один, а вспомогательные напряжения, необходимые для обеспечения режима работы УЭ, получать с помощью делителей напряжения. Усилительный элемент вместе с остальными элементами, обеспечивающими режим работы усилителя и его связь с источником сигнала и нагрузкой, образуют усилительный каскад.

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема усилителя

Усилительный каскад представляет собой минимальную часть усилителя, сохраняющую его функции. В простейшем случае усилитель имеет один каскад, вариант структурной схемы которого показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема однокаскадного усилителя

При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных транзисторах, использующие схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором. Схемы включения с общей базой находят применение только в узком классе устройств.

Процесс усиления в схемах на биполярных транзисторах состоит в преобразовании энергии постоянного тока в энергию переменного тока. При этом транзистор является своеобразным регулятором. Под действием напряжения (или тока) входного сигнала он управляет током источника питания. При этом величина и форма управляемого тока зависит не только от амплитуды и формы входного сигнала, но и от выбранного режима работы транзистора, то есть от положения рабочей точки на характеристиках транзистора.

Простейшая схема каскада на биполярном транзисторе (рисунок 3, а) содержит транзистор VT и нагрузочный резистор R _к, включенный в цепь коллектора последовательно с источником питания E _п. Во входной цепи последовательно с источником переменного усиливаемого напряжения u _вх включен источник постоянного напряжения смещения U _см. Источники постоянного напряжения зашунтированы разделительными конденсаторами (на схеме не показаны). Переменная составляющая тока коллектора, протекая через резистор R _к, выполняющий функции коллекторной нагрузки, создает на нем выходное напряжение.

Рассмотрим работу каскада. В исходном состоянии или режиме покоя u _вх= 0. При этом напряжение на базе равно U _см, а ток коллектора и напряжение на нем в исходной рабочей точке равны I _к0 и U _к0 = E _п – I _к0 R _к.

При подаче входного переменного напряжения u _вх= U_m _вх sin w t (рисунок 3, б). Оно дополнительно открывает транзистор в первый полупериод и частично закрывает его во второй. В результате ток коллектора изменяется около значения в исходной рабочей точке по закону: i _к = I _к0 + I_m _к sin w t.

Мгновенное значение напряжения коллектор – эмиттер

u _к= E _п – R _к i _к = U _к0 – U_m _к sin w t,

где U_m _к = I_m _к R _к – амплитуда его переменной составляющей. В первый полупериод u _к уменьшается из-за увеличения тока i _к и падения напряжения на R _к. Здесь R _к играет роль преобразования тока в напряжение.



Рисунок 3 – Принцип работы электронного усилителя

При достаточно большом R _к оказывается U_m _к > U_m _вх, то есть каскад дает усиление по напряжению. Благодаря большому внутреннему сопротивлению выходной цепи транзистора включение сопротивления R _к почти не уменьшает амплитуду переменного тока коллектора, то есть транзистор выступает в роли управляемого генератора сигнального тока, а сопротивления R _к – в роли преобразователя этого тока в сигнальное напряжение u _к.

Процесс управления током i _к выходной цепи транзистора можно рассматривать также, как результат изменения его мгновенного внутреннего сопротивления постоянному току (рисунок 3, в). Благодаря этому происходит непрерывное перераспределение напряжения источника питания между транзистором и нагрузкой. Управление внутренним сопротивлением транзистора осуществляется входным напряжением.

Полупроводниковая техника на отдельных компонентах содержит ряд вариантов выполнения усилительного каскада на транзисторе с ОЭ. Принцип действия усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере наиболее распространенной схемы рисунок 4. На входе каскада действуют усиливаемые переменные ток i _вх и напряжение u _вх, а на выходе – усиленные переменные ток i _ни напряжение u _вых. Питание схемы осуществляется от одного источника – источника питания коллекторной цепи E _к.

Для обеспечения нормального режима работы необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянное напряжение, называемое напряжением смещения базы (0,5–0,7 В). Это напряжение подают на базы с помощью делителя R1 и R2. Основная часть напряжения E _к падает на резисторе R1, а небольшая часть, являющаяся напряжением смещения u _бэ0, падает на резисторе R2, который подключен ко входу транзистора.

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы C1 и C2 – разделительные. Конденсатор C1 служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения. Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе С1 была незначительной, его емкостное сопротивление для самой низкой частоты должно быть достаточно малым. Емкость конденсатора – единицы и десятки микрофарад. Поэтому в качестве конденсатора C1 в низкочастотных схемах применяются малогабаритные электролитические конденсаторы. Также конденсатор C1 препятствует протеканию постоянного тока от источника питания E _к в цепь источника входного сигнала и исключает попадание на вход транзистора постоянного напряжения, если оно имеется в источнике колебаний (во входном усиливаемом сопротивлении). Кроме того, при отсутствии разделительного конденсатора C1 и малом сопротивлении источника колебаний эмиттерный переход оказывается замкнут накоротко по постоянному напряжению и напряжение смещения равно нулю, то есть исключается нормальный режим работы (режим усиления) транзистора.

Конденсатор C2 обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменой составляющей, поступающей на резистор нагрузки R _н. Емкостное сопротивления этого конденсатора на низких частотах также должно быть небольшим.

Рисунок 4 – Усилительный каскад с ОЭ

Для обеспечения стабилизации данной схемы используется эмиттерная стабилизация, предполагающая включение последовательно с эмиттерным электродом резистора R _э. Резистор R _э и делитель R1, R2 составляют цепь отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, предназначенную для термостабилизации (под обратной связью понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилительного каскада).

Для того чтобы резистор R _э не создавал отрицательной обратной связи по переменному току (то есть не уменьшал коэффициент усиления «полезного» переменного сигнала), он зашунтирован конденсатором C _э достаточно большой емкости. Его сопротивление на низких частотах должно быть во много раз меньше R _э. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему, а не через R _э, и, следовательно, не создает падение напряжения на резисторе. В усилителях низкой частоты в качестве C _э обычно выбирают электролитический конденсатор с емкостью от десятков до сотен микрофарад.

Резистор R _к, включенный последовательно с коллекторным электродом, является нагрузочным для коллекторного перехода и ограничивает мощность, выделяемую в коллекторном переходе, и тем самым защищает переход от теплового пробоя.

Электронные усилители, применяемые в автоматике, телемеханике и связи, должны удовлетворять определенным техническим требованиям. Достаточно полные сведения о характеристиках усилителей позволяют без электрических испытаний выяснить степень пригодности к работе конкретного усилителя, быстро и правильно выбрать или спроектировать его с учетом определенных условий эксплуатации, а также оценить предполагаемую технико-экономическую эффективность аппаратуры.

Важнейшими характеристиками усилителей являются:

– коэффициент усиления;

– входное и выходное сопротивления;

– выходная мощность;

– амплитудная и амплитудно-частотная характеристики;

– полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилителя);

– степень искажения усиленного сигнала и др.

Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителей. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по напряжению K_U, току K_I или мощности K_P:

K_U = U _вых /U _вх , K_I = I _вых /I _вх , K_P = P _вых /P _вх,

где U _вх, I _вх – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U _вых, I _вых – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

P _вх, P _вых – мощности сигналов соответственно на входе и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:

K_U (дБ) = 20lg K_U, K_I (дБ) = 20lg K_I, K_P (дБ) = 10lg K_P.

Рисунок 5 – Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость амплитудного (или действующего) значения выходного напряжения от амплитудного (или действующего) значения входного напряжения при воздействии на вход усилителя гармонического колебания постоянной частоты (рисунок 5).

Идеальная АХ представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат под некоторым углом a, который определяется коэффициентом усиления по напряжению.

Реальная АХ совпадает с идеальной лишь в области средних напряжений (участок Б-В). При бόльших значениях напряжения изгиб АХ обусловлен нелинейностью характеристик элементов усилителя и сопровождается появлением нелинейных искажений. Изгиб АХ при малых напряжениях (участок А-Б) связан с наличием в усилителе собственных помех, действующих на выходе при отсутствии сигнала. Помехи могут полностью забивать или сильно маскировать слабый сигнал. Для нормальной работы усилителя наименьшее выходное напряжение U _{вых. min} должно в несколько раз превышать напряжение помех. Этому выходному напряжению соответствует минимально возможное входное напряжение U _{вх. min}. Лишь в пределах U _{вх. min} ≤ U _вх ≤ U _{вх. max} усилитель можно считать линейным. Величина D = U _{вх. max}/ U _{вх. min} (D _дБ = 20lg(U _{вх. max}/ U _{вх. min})) характеризует динамический диапазон усилителя.

Причинами собственных помех являются фон, наводки, тепловые шумы резисторов и элементов с активными потерями, шумы усилительного элемента.

Амплитудно-частотная характеристика представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления от частоты при воздействии на входе усилителя гармонического сигнала (рисунок 6). При построении АЧХ по вертикальной оси откладывают значение K_U в линейном масштабе, а по горизонтальной оси – частоту f (или круговую частоту w = 2p f). При экспериментальном снятии АЧХ измерения U _вых(f) производят при неизменном входном напряжении на всех частотах U _вх(f) = const.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе (рисунок 7). В этом случае она называется ЛАЧХ (то есть логарифмическая АЧХ), коэффициент усиления выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот, отличающихся на порядок, например 1 и 10 Гц и т. д.). Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие степеням десятки. Использование логарифмического масштаба обусловлено тем, что современные усилители усиливают сигнал в очень большом диапазоне частот.


Рисунок 6 – АЧХ усилителя	Рисунок 7 – ЛАЧХ усилителя

Идеальная АЧХ изображена на рисунке 6 (линия 1), параллельна горизонтальной оси, то есть K_U (f)=const. Реальная АЧХ (линия 2) показана на том же рисунке сплошной линией. Как видно из рисунка, в реальном усилителе в областях малых и высоких частот коэффициент усиления уменьшается, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты.

Область АЧХ, в которой коэффициент усиления практически не зависит от частоты, называют областью средних частот. Нижней f _н или верхней f _в граничной частотой называют частоту, на которой коэффициент усиления уменьшается до заданного (допустимого) значения относительно коэффициента на средних частотах K ₀, то есть

Если коэффициент усиления измеряется в децибелах, то значениям граничных частот усиления соответствует уменьшение коэффициента усиления на 3 дБ (см. рисунок 7).

Область частот от f _н до f _в называют диапазоном рабочих частот или полосой пропускания усилителя. За среднюю частоту обычно принимают

Область АЧХ, где расположена f _н или f _в, называют соответственно областью нижних или верхних частот.

Для сравнения АЧХ усилителей с различными значениями максимального коэффициента усиления (коэффициента на средних частотах) K ₀ или для оценки изменений АЧХ усилителя удобно пользоваться нормированной АЧХ. Ось ординат представляют в виде относительной величины

Для оценки амплитудно-частотных искажений используют коэффициент частотных искажений M, численно равный отношению коэффициента усиления в области средних частот к коэффициенту усиления на заданной частоте: