Тема 2.4. Электронные усилители

Структура электронного усилителя

Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы. Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.

Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала.

Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых – сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее десятков – сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой. В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Электронный усилитель может быть однокаскадным, двухкаскадным или многокаскадным. В общем случае усилитель состоит из нескольких каскадов, к первому из которых подключают источник сигнала, а к выходу последнего – нагрузку. Необходимость в использовании нескольких каскадов обусловлена, в первую очередь, тем, что сигнал, передаваемый от источника к нагрузке предварительно необходимо усилить в тысячи – десятки тысяч и более раз. При использовании в усилителе в качестве активного элемента, например, биполярного транзистора с коэффициентом передачи тока базы 50 … 100, задача может быть решена только в том случае, если последовательно включить несколько каскадов усиления. Кроме этого часто возникает необходимость согласовывать выходное сопротивление источника сигнала со входным сопротивлением усилителя, либо выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки.

Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.

В состав усилителя входят следующие элементы:

- оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);

- предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным, то предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;

- каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления напряжения), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;

- выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;

- входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;

- цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или частъ каскадов предварительного усиления;

- устройство безынерционной защиты (УБЗ) – для защиты транзисторов оконечного каскада усилителя от перегрузки;

- источник питания и фильтры (ФП)в цепях питания каскадов предварительного усиления.

Однако в каждом частном случае структурная схема усилителя может содержать не все элементы, показанные на рисунке. Так, в случае использования однотактного оконечного каскада небольшой мощности предоконечный каскад не отличается от обычного каскада предварительного усиления и потому не должен рассматриваться как особый элемент структурной схемы. Кроме того, могут отсутствовать устройства безынерционной защиты или другие элементы, показанные на рисунке 2.2.

Классификация усилителей

Электронные усилители находят применение в самых различных областях науки, техники и производства. Являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью более сложных устройств и систем, усилители нашли широкое применение в радиовещании, звуковом кино, технике звукозаписи, телевидении, радиолокации и радионавигации, ядерной физике, медицине и биологии, вычислительной технике, в системах автоматики, в измерительной технике и т. д. Несмотря на такой широкий спектр областей приложения, усилители, предназначенные для совершенно различных целей, могут обладать идентичными свойствами. Поэтому классификация усилителей по назначению, как правило, не применяется, так как дает мало сведений для суждения о свойствах и особенностях таких устройств.

Обычно при классификации усилителей учитывают:

- характер (форму) входного сигнала;

- диапазон усиливаемых частот;

- функциональное назначение;

- тип усилительных элементов.

По форме усиливаемых сигналов различают усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т. д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По диапазону частот усилители делят на усилители постоянного тока(УПТ) и усилители переменного тока. Усилителями постоянного тока называются такие усилители, которые усиливают колебания с частотами, начиная с f_н = 0 до некоторой (обычно не очень высокой) частоты f_в, то есть способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала (рисунок 2.3, а. Буквой K на рисунке 2.3 обозначен коэффициент усиления усилителя). Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания в диапазоне частот от нижней граничной частоты f_н до верхней граничной частоты f_в. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня (рисунок - б, в).

Среди усилителей переменного тока выделяют:

- усилители звуковой частоты, рабочий диапазон которых находится в пределах 20 Гц ... 20 кГц, причем f_н << f_в (рисунок - б);

- усилители радиочастоты, у которых отношение f_в / f_н близко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых (рисунок 2.3, в). Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах. В выходные цепи каскадов здесь включаются колебательные контуры, резонансная частота которых f_p » (f_н + f_в) / 2. Поэтому они называются также резонансными усилителями. Их полоса пропускания Df = f_в – f_н << f_р. Остальные усилители, в отличие от резонансных, иногда называют апериодическими;

- широкополосные усилители (ШУ), у которых f_в > 100 кГц, a f_н – десятки герц. К ним относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных приемников и т. д.

По функциональному назначению усилители условно делят на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Такое деление в значительной степени является условным. Как отмечалось ранее, усиление мощности может быть достигнуто за счет усиления напряжения, за счет усиления тока, либо за счет усиления и напряжения и тока. Однако принято считать, если главным назначением усилителя является повышение напряжения до необходимого уровня, то он называется усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока. Усилителями мощности обычно называют выходные каскады многокаскадного усилителя, способные отдавать во внешнюю нагрузку требуемую мощность.

По типу усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, диэлектрические, магнитные усилители и усилители на интегральных микросхемах.

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейные, сетевые и т. д.), по числу каскадов, по конструктивному исполнению (переносные, стационарные) и т. д.

Основные параметры и характеристики усилителей

Сумму сведений, характеризующих основные свойства технического устройства, называют его показателями. Технические показатели электронного устройства характеризуют усиление, искажения, точность преобразования, уровни сигналов на входе и выходе и т. д. и позволяют оценить степень пригодности устройства для того или иного применения.