2. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

1. Усилительные устройства

2.1.1 Классификация усилителей

Усилителями называют устройства, осуществляющие однозначное и непрерывное преобразование электрических сигналов малой величины в сигналы значительно большие по величине. 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, в основном различают:

1. Резистивно-емкостные связи;

2. Трансформаторные связи.

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

1. Усилители постоянного тока (УПТ) – для усиления медленно изменяющихся сигналов;

2. Усилители низкой частоты (УНЧ) – для усиления сигналов до сотен кГц;

3. Высокочастотные усилители (УВЧ) – для усиления сигналов до сотен МГц.

Рис. 2.1. Блок-схема усилителя.

А также различают широкополосные и избирательные усилители.

Любой усилитель имеет структуру (рис. 2.1.): входную и выходную цепи, к которым подключается источник сигнала Е_Г и нагрузочное устройство R_H, источник питания – ИП и усилительный элемент – УЭ (транзистор, микросхема). Процесс усиления связан с преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала U_вых усилителя.

2.1.2. 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 ЭДС Е, пропорциональной U_вх, и выходным сопротивлением R_вых, т.е. R_вых – это сопротивление усилителя относительно выходных зажимов.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя называется зависимость коэффициента усиления (его модуля) от частоты.

В реальных усилителях АЧХ имеет вид (рис. 2.2):

Рис. 2.2 Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Рис. 2.3 Амплитудная характеристика усилителя

Полоса частот ∆f , 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, называется полосой пропускания усилителя.

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

М_н = К_о / К_н или М_в = К_о / К_в

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают величину .

У большинства усилителей полоса пропускания частот составляет f= (10² – 10⁷) Гц поэтому они называются широкополосными.

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

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 2.3) 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 U_вых должен в 2-3 раза превышать уровень шума усилителя U_ш. 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 U _. При дальнейшем увеличении амплитуды входного напряжения появляются значительные искажения формы выходного сигнала, так называемые нелинейные искажения усилителя.

2.1.3. 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 (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 ЭДС E_К и резисторы R_К и R_б), задающие определенные постоянные потенциалы на электродах усилительного элемента, т.е. режим работы по постоянному току, так называемую рабочую точку на ВАХ транзистора. 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.

Рис. 2.4. Схема включения биполярного транзистора

Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника включается

нагрузочный резистор R_К. 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. 2.4.

Значения постоянных напряжений U_кэо и U_бэо и тока I_бо транзистора в режиме покоя определяются с помощью, приведенных на рис.2.5, статических переходных характеристик.

Рис. 2.5 Характеристика Uкэ = f(Uбэ)

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