Усилительные устройства.

Усилителями называют устройства, позволяющие преобразовывать малые входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе. Это преобразование происходит за счет энергии источника питания.

Усилители находят применение в самых различных областях науки и техники, например, при измерениях неэлектрических величин, контроле и автоматизации производственных процессов, в системах управления, в радиотехнических устройствах и т. п.

В качестве усилительного элемента в современных усилительных устройствах используются преимущественно биполярные и полевые транзисторы. Все большее применение в настоящее время находят микросхемы, содержащие как усилительные элементы, так и резисторы. Они осуществляют не только усиление, но и другие преобразования входных сигналов, например, выполняют математические преобразования сигналов (суммирование, интегрирование, логарифмирование). Это так называемые операционные усилители.

По количеству используемых усилительных элементов различают:

1. Однокаскадные усилители, имеющие один усилительный элемент.

2. Многокаскадные усилители. Как правило схема усилителя выполняется из нескольких каскадов.

По роду усиливаемой величины усилительные каскады классифицируют на 3 типа:

1. Усилители напряжения.

2. Усилители тока.

3. Усилители мощности.

Эта классификация удобна на практике, хотя и условна, поскольку во всех трех типах усилителей имеет место усиление мощности сигнала.

Усилители мощности обычно являются оконечными каскадами, а усилители напряжения - каскадами предварительного усиления. Нагрузкой каждого каскада предварительного усиления является входное сопротивление следующего каскада, нагрузкой оконечного каскада может быть обмотка электромагнитного реле, обмотка управления электродвигателя, отклоняющая система электроннолучевой трубки, обмотка громкоговорителя и т.п.

Следует отметить, что может иметь место параллельное включение усилительных элементов в пределах одного каскада с целью увеличения мощности (например: в двухтактном усилителе мощности).

По типу элементов, объединяющих усилительные каскады друг с другом, различают:

1. Резистивно-конденсаторные связи.

2. Гальванические связи

3. Связи через избирательный контур

4. Трансформаторные связи

В зависимости от диапазона частот, в котором используются усилители, их разделяют на

1. Усилители низкой частоты.

2. Усилители средней частоты.

3. Высокочастотные усилители.

А также различают широкополосные и избирательные усилители.

Параметры и характеристики усилителей.

Основным параметром усилительного устройства является его коэффициент усиления.

В соответствии с разделением усилителей на усилители напряжения, тока и мощности различают:

1. Коэффициент усиления по напряжению.

К_u = U_вых / U_вх

где, U_вых – выходное напряжение усилителя; U_вх – напряжение сигнала или входное напряжение усилителя.

1. Коэффициент усиления по току.

К_i = I_вых / I_вх

где, I_вых – ток в нагрузке; I_вх – ток на входе усилителя.

1. Коэффициент усиления по мощности.

К_р = Р_вых / Р_вх

где, Р_вых – активная мощность, выделяемая в нагрузке, Р_вх – мощность, потребляемая входной цепью усилителя.

Эти коэффициенты связывает соотношение:

К_u  К_i = К_р

Выходной мощностью Р_вых усилителя или его номинальной мощностью называют полезную мощность, которая выделяется на нагрузке R_н при заданном уровне нелинейных искажений:

Р _вых = U²_{вых max} / R _н

где, U_{вых max} - максимально допустимое действующее значение выходного напряжения.

Коэффициент полезного действия усилителя позволяет оценить его экономичность, он равен

= Р_вых / Р_потр  100%

где, Р_потр – мощность, потребляемая от источников питания усилителя.

Входное сопротивление усилителя:

R_вх=dU_вх/di_вх

т.е. сопротивление со стороны входных зажимов усилителя.

Со стороны выходных зажимов усилитель можно представить источником напряжения с э.д.с. е, пропорциональной u_вх, и выходным сопротивлением R_вых, т.е. R_вых – это сопротивление усилителя относительно выходных зажимов.

Частотной характеристикой усилителя (или амплитудно-частотной) называется зависимость коэффициента усиления (модуля) от частоты.

В реальных усилителях эта характеристика имеет вид (рис. 1):

К_u,

о тносит. един.

1

Кн₀

Кu_н Кu_в

1

f , Гц

f_н f_в

Рис.1 Частотная характеристика усилителя.

Полоса частот ∆f (полоса пропускания), в которой Кu изменяется в допустимых пределах, ограничена высшей и низшей граничными частотами f_в и f_н, т.е. ∆f= f_в - f_н.

Мерой частотных искажений, определяющих граничные частоты усилителя, служит коэффициент частотных искажений М, равный отношению коэффициента усиления Кu_о на средних частотах к коэффициенту усиления на граничной частоте Кu_н или Кu_в, т.е.

М_н = Кu_о / Кu_н или М_в = Кu_о / Кu_в

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают величину .

Полоса частот для усилителей низкой частоты составляет, например, от 50~150 Гц до 5~10 кГц.

Амплитудной характеристикой называют зависимость выходного напряжения усилителя U_вых от величины входного напряжения на средних звуковых частотах.

Амплитудная характеристика (рис. 2)

Uвых, B

C

B

Uвых_max

Uвых_min A

A^/

Uш Uвх_min Uвх_max Uвх, мВ

Рис. 2 Амплитудная характеристика усилителя.

Амплитудная характеристика усилителя (рис.2) имеет несколько участков: участок АА^/, обусловленный внутренними шумами усилителями и помехами; прямолинейный участок А-В – рабочий участок характеристики; и участок ВС, обусловленный нелинейностью усилительных элементов при большом уровне сигнала.

Минимальный уровень выходного полезного сигнала Uвых min должен в 2-3 раза превышать уровень шума усилителя Uш. На рабочем участке характеристики в силу его линейности коэффициент усиления К_о=const и выходное напряжение усилителя пропорционально входному (линейный режим работы). Точка В характеристики соответствует предельно допустимому значению выходного напряжения Uвых_max. При дальнейшем увеличении амплитуды входного напряжения появляются значительные искажения формы выходного сигнала, так называемые нелинейные искажения усилителя.

Принцип работы усилителя.

Усилительные устройства предназначены для усиления переменных сигналов и, в частности, синусоидальных сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Наличие одного только усилительного элемента (биполярного или полевого транзистора) без других элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) не может обеспечить усиление переменного сигнала. Связано это с тем обстоятельством, что усилительный элемент требует определенной полярности на всех электродах, т.е. он может преобразовывать сигналы только пульсирующие (т.е. одной полярности). Следовательно, усилительное устройство должно содержать элементы, позволяющие преобразовывать переменные сигналы на входе усилительного устройства в пульсирующие сигналы на электродах усилительного элемента. Такими элементами являются источник питания (с постоянной э.д.с. Eк и резисторы Rк и Rб), задающие определенные постоянные потенциалы на электродах усилительного элемента, т.е. режим по постоянному току, так называемый “режим покоя”. Переменный электрический сигнал, подаваемый на вход, складывается с постоянной составляющей от источника питания и вызывает изменение потенциалов необходимой полярности на всех электродах усилительного элемента. В результате на выходе также будет получен усиленный переменный сигнал.

Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника включается нагрузочный резистор Rк. При этом в соответствии со 2-м законом Кирхгофа изменение напряжения на этом резисторе будет иметь такой же характер как и на усилительном элементе, но только противоположной полярности. Включение источника питания Е_к и нагрузочного резистора R_к к биполярному транзистору показано на рис.3

I_б

+Е_к Uкэ I_б

В

I_k R_k В

Р.Т.

i_b Uкэ_о

U_кэ

Uбэ_о А Uбэ

U_бэ

Рис.4 Характеристика Uкэ = f(Uбэ)

Рис.3 Схема включения

биполярного транзистора

Значения постоянных напряжений Uкэ_о и Uбэ_о и тока Iб_о транзистора в режиме покоя определяются с помощью приведенных на рис.4 статических характеристик.

Следует отметить, что поскольку параметры транзисторов сильно зависят от температуры, положение рабочей точки может сильно колебаться при изменениях температуры. Поэтому в реальных схемах усилителей должна быть предусмотрена температурная стабилизация положения рабочей точки.

Усилители напряжения.

Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой.

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с коллекторной нагрузкой. Транзистор в этом усилительном каскаде соединен по схеме с общим эмиттером, поэтому этот каскад часто называют усилительным каскадом с общим эмиттером (ОЭ), нагрузочный резистор Rk включен в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания с э.д.с. Ек по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.5 полярность источника питания соответствует транзистору типа n-p-n.

+Ек

R_б R_к

i_вых

i_вх i_б С₂

С₁

u_вых

u_вх R^//_б

R_э С_э

Рис.5 Схема усилительного каскада с коллекторной нагрузкой.

Величина Ек зависит от типа транзистора и составляет от 3-х до сотен вольт.

Делитель напряжения R^/б R^//б задает напряжение Uбэ_о и ток Iбэ_о, фиксируя положение рабочей точки усилительного каскада. Значения сопротивлений резисторов R^/б R^//б составляют десятки кОм.

Разделительный конденсатор С₁ включается во входную цепь усилительного каскада с целью не допустить постоянную составляющую тока к источнику переменного сигнала, подключаемого к входным клеммам усилителя. В выходную цепь усилителя также включается разделительный конденсатор С₂, он обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей на выходных клеммах, которая подается на нагрузочный резистор Rн (или другое нагрузочное устройство).

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором С_э. Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора Iб₀ и Iк₀. В соответствии с зависимостью Uкэ=f(Uбэ) на рис.3 напряжение Uкэ начинает уменьшаться (точка B^/) при увеличении напряжения Uбэ, с того значения, когда начинает расти ток Iб (Iб=f(Uбэ)). Объясняется это тем, что увеличение Iб вызывает рост тока Iк через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе Rк по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора Uкэ: Uкэ=Eк-IкRк (участок BA характеристики). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений Uбэ₀ и Uкэ₀. Таким образом, эти значения Uбэ₀ и Uкэ₀ лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике Iб=f(Uбэ) определяется ток покоя базы Iб₀ , ему соответствует ток покоя коллектора Iк₀=Iб₀. Совокупность значений Uбэ₀, Uкэ₀, Iб₀, Iк₀ транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.