Усилительные устройства

(серия "Конспекты лекций по радиотехническим дисциплинам", аып. 12) Рскомсиловано "у МО по обратоааиию а обкасти радиотехники, элсктроиики, биомслидииской техники и автоматики ь качссгае учебного пособии дан студФпоа Высших учебных Зааслсннй, обучмоии4хся ио нйираФыйи!о подготвки дипломированных снщиалистоь 6542(Н "'Радиотсхника"'. 2993 ВВЕДЕНИЕ Усилительные устройства входят в состав любой радиоэлектронной аппаратуры, выполняя как функции усиления циркулирующих в ней сигналов, так и их функциональное нреобразование. Изучение и освоение теории и техники усиления электрических сигналов обязательно для каждого специалиста в области радиотехники н электроники.

Предлагаемое учебное пособие ориентировано на компактное изложение основ теории усиления н усилительной техники. Его задача— выработать у студентов цельное представление о предмете, облегчить подготовку к экзаменам, заложить основу для дальнейшего самостоятельного изучения и освоения деталей и нюансов по мере необходимости, могущей возникнуть в практической работе и при изучении последующих курсов Учебное пособие написано на основании чтения соотвсгствующих курсов в Московском авиационном институте и предназначено для студентов специальностей 2007 - радиотехника, 2012- средства связи с подвижными объектами, 2016 — радиоэлектронные системы, 2017 — средства радиоэлектронной борьбы, 2008 — проектирование и технология радиоэлектронных систем. Резонансные, полосовые, малошумящие усилители, нелинейные усилители больших сигналов изучаются в курсах "Радиоприемные устройства" и "Электротехнические устройства радиоаппаратуры".

Приводимые в пособии графики носят иллюстративный характер и не должны использоваться для количественных расчетов 1. РАЗНОВИДНОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Усилитель -- это устройство„увеличивакицее мощность сигнала за счет преобразования мощности источника питания в мощность на частоте сигнала. Функцию преобразователя выполняет активный прибор, управляемый входным сигналом.

Таким образом, в усилителе относительно маломощный входной сигнал управляет передачей большей мощности на частоте сигнала от источника питания в нагрузку, причем выходной сигнал является непрерывной функцией входного. С этой точки зрения усилитель является типичным аналоговым устройством, способным выполнять функциональные преобразования сигнала, из которых простейшим является линейное преобразование с коэффициентом пропорциональности в виде коэффициента усиления. Характерный и обязательный признак усилителя — увеличение мощности.

Прн этом мощность может увеличиваться за счет одновременного увеличения напряжения и тока сигнала или только напряжения, или только тока. Увеличение напряжения или тока в пассивных цепях за счет трансформации или резонансных явлений, не сопровождающееся увеличением мощности, не может рассматриваться как усиление. В этих случаях мощность выходного сигнала может быть только меньше мощности входного, т. е. коэффициент передачи мощности подобных устройств всегда меньше единицы. Сам механизм преобразования энергии источника питания в энергию сигнала. зависит от физической природы активного прибора.

В электронных лампах, полевых и биполярных транзисторах управление передачей энергии от источника питания в нагрузку осуществляется за счет более сильного влияния на поток носителей заряда (электроны, дырки) потенциала управляющего электрода (сетки, затвора, базы) чем потенциала того электрода, в цепь которого включена нагрузка. В результате малые изменения потенциала управляющего электрода приводят к значительным изменениям тока через нагрузку и соответствующим изменениям напряжения на ней.

Подобные активные приборы можно представить в виде источника тока или электродвижущей силы ~ЭДС), управляемого входным напряжением или током. При этом входное напряжение определяется как разность потенциалов между входным электродом и электродом, являющимся.общим для входных и выходных зажимов усилителя. Усилители подобного вида можно отнести к уснлизелям с зависимым (управляемым) генератором на трехполюсных активных приборах с подразделением на ламповые и транзисторные на полевых или биполярных транзисторах. Возможно также построение усилителей регенеративного типа на двухполюсных активных приборах с подразделением на параметрические, квантовые и туннельные (усилитель на туннельном диоде). Активные приборы подобного типа обладают способностью под действием слабого сигнала вырабатывать когерентное с сигналом колебание, повторяющее все его амплитудные, частотные и фазовые изменения, что можно рассматривать как компенсацию потерь в колебательной системе, в которую включен данный активный прибор (эффект регенерации).

Это колебание и является усилительным сигналом. В двухполюсных усилителях нет четкого разделения входа и выхода и при их включении следует использовать внешние невзаимные элементы в цепях ввода входного сигнала и вывода выходного (вентили, циркуля- торы).

Параметрические и квантовые усилители требуют источников питания переменного тока с более высокой частотой колебаний, чем частота сигнала (генераторы накачки). Усилители на туннельных диодах имеют источники питания постоянного тока. Параметрические усилители могут выполняться на переменных емкостях (емкостные ПУ) или на переменных ицдуктивностях (индуктивные ПУ нли ферритовые усилители).

Эффект параметрического усиления может быть также реализован в электронно-лучевых ПУ при реактивном характере взаимодействия электромагнитной (ЭМ) волны, создаваемой генератором накачки, и электронного луча, промодулированного сигналом. Кроме этого существует самостоятельный класс усилителей, использующих активные взаимодействия электронного луча с ЭМ волной сигнала, распространяющейся вдоль замедляющей системы. Это усилители на лампах бегущей волны (ЛБВ) и реже усилители на лампах обратной волны (ЛОВ).

На эффекте взаимодействия электронного луча с полем основано также действие клистронных двухрезонаторных усилителей. Характерной областью применения двухполюсных усилителей и усилителей на ЛБВ являются малошумящие усилители высокой частоты (УВЧ) радиоприемных устройств сверхвысоких частот. В силу своих специфических особенностей двухполюсные и все разновидности электронно-лучевых усилителей рассматриваются отдельно от трехполюсных усилителей, которые считаются "'обычными'*. Все дальнейшее рассмотрение ведется применительно именно к усилителям на трехполюсных активных приборах, причем, как правило, в рамках единой теории для электронных ламп, полевых и биполярных транзисторов. В зависимости от вида усиливаемого сигнала различают усилители непрерывных и импульсных сигналов. Они отличаются требова- ниями к допустимым искажениям, особенностями в выборе рабочих точек активных приборов, особенностями выбора постоянных времени вспомогательных цепей, при отсутствии существенных схемных различий.

Усилители непрерывных сигналов можно подразделить на усилители низких частот (УНЧ) с верхней граничной частотой полосы пропускания ~„<100 кГц и усилители видеочастот — видеоус и лител и (ВУ), у которых /„ достигает единиц, десятков, а иншда и сотен мегагерц. Усилители импульсов, не имеющих высокочастотного заполнения (видеоимпульсов), обычно относятся к видеоусилителям или точнее к видеоимпульсным усилителям. В некоторых случаях усиливаемые сигналы отличаются очень малой скоростью изменения.

При этом из схемы усилителя приходится исключать элементы, ухудшающие воспроизведение нижних частот, включая нулевую. Подобные усилители являются у с и л и тели м и п о— стоянного тока (УПТ) или усилителями постоянного напряжения (УПН).

Одним из важнейших показателей таких усилителей является дрейф нуля — самопроизвольные изменения выходного напряжения при отсутствии входного сигнала, которые могут быть приняты за сигнал. Снижение дрейфа нуля заставляет при разработке УПТ (УПН) использовать специальные схемотехнические приемы„например использование дифференциальных усилителей (ДУ). Иногда элементы связи усилителя с источником сигнала, нагрузкой или между отдельными каскадами, не пропускающие постоянный ток (разделительные конденсаторы, трансформаторы)„исключают из соображений снижения массогабаритных показателей. В этом случае получают усилители с гальваническими связями, способные усиливать медленно изменяющиеся сигналы, но не обязательно предназначенные для этой цели.

Таким образом, любой УПТ (УПН) — усилитель с гальваническими связями, но не наоборот. Если спектр сигнала сосредоточен в районе некоторой центральной частоты А, то используются избирательные усилители, частотные свойства которых определяются резонансными ЕСЛ-нагрузочными цепями или избирательными РС-цепями, включенными в качестве нагрузок или элементов обратной связи.

Искажения сигнала, вносимые усилителем, определяют точность воспроизведения сигнала. Для малосигнальных усилителей можно считать, что точность воспроизведения в основном определяется частотными и фазовыми искажениями, стабильностью амплитудно- частотных и фазочастотных характеристик (АЧХ, ФЧХ), стабильностью коэффициента усиления.

усиления напряжения «(г ) )),7()7 О. 707 усиления мощности )у) О 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ Эффективность усиления можно оценить по величине к о э ф ф и ц ие н т а у с и л е н и я . Различают коэффициенты: усиления тока ° (,„, 1 Кр = — '"" =Ке К„К( (2.3) ю Отметим, что Р„. и Р„„— активные мощности, выделяемые в нагрузке (У„, У„) и во входном сопротивлении (У„„) или проводимости У„„ В пределах полосы пропускания усилителя всегда существует частота и„, иа которой д)ис) — -0 и )К(ис)~=)К ~ . Амплитудно- встотной К(и) характеристикой )АЧХ) усилителя называют кривую М)и) =, а )К„! ' фазочастотной — кривую ~р(в) . Примеры подобных характеристик приведены на рис,2.1. Ю„~Он Ын М~) н Е т С а я х я х М и л я к х М и я С и к х и и ) ) й х ФМ' ! Ю 1 Л ! ~ ~вых„„ И М вх И сложных сигналов на выходе свых усилителя по сравнению с формой входных сигналов, причем разделить их влияние бывает очень непросто.