Раздел 4 Электронные усилители

4.1 Общие сведения об электронных усилителях

Электронные усилители - это устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности электрического сигнала.

Использование усилителей вызвано тем, что обычно электрические сигналы (напряжения и токи), поступающие в элек­тронные устройства, контроля, управления и преобразования, малы по амплитуде и возникает необходимость увеличивать их до требуемой величины, достаточной для дальнейшего использования (преобразования, передачи, подачи на нагрузку).

Структурная схема усилителя

И сточниками входного сигнала могут быть: измерительные датчики, приёмная антенна, микрофон и др.

Нагрузка: акустическая система, исполнительные устройства (электродвигатели, электромагнитные реле и клапаны), передающая антенна, устройства индикации и др.

Мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя, является преобразованной мощностью его источника питания, а входной сигнал только управляет ею.

Обычно усили­тель состоит из нескольких каскадов усиления, соединенных между собой межкаскадными связями, с помощью которых выходной сигнал одного каскада усиления передается на вход следующего. Первые каскады усиления, предназначенные, глав­ным образом для усиления напряжения сигнала, называют предварительными. Их схемное построение определяется типом источника входного сигнала. Каскад, служащий для усиления мощности сигнала, называют оконечным или выходным.

Их схемотехника определяется видом нагрузки. Так же, в состав усилителя могут входить промежуточные каскады, предназначенные для получения необходимого коэффициента усиления и (или) формирования необходимых характеристик усиливаемого сигнала.

Классификация усилителей:

1) в зависимости от усиливаемого параметра входного сигнала

усилители напряжения, тока, мощности

2) по роду усиливаемых сигналов

- усилители гармонических (непрерывных) сигналов;

- усилители импульсных сигналов.

3) по полосе усиливаемых частот

- усилители постоянного тока;

- усилители переменного тока - низкой частоты, высокой, сверхвысокой и т.д.

4) по характеру частотной характеристики

- резонансные (усиливают сигналы в узкой полосе частот);

- полосовые (усиливают определенную полосу частот);

- широкополосные (усиливают весь диапазон частот).

5) по числу каскадов усиления

однокаскадные, двухкаскадные, многокаскадные

6) по типу усилительных элементов

- на электровакуумных лампах;

- на полупроводниковых приборах;

- на интегральных микросхемах.

Основные параметры усилителей:

1) Коэффициенты усиления по мощности, по напряжению, по току

- коэффициент усиления по мощности - это отношение мощности, отдаваемой усилителем нагрузке к мощности, подводимой ко входной цепи.

К_р = Р_вых/Р_вх ; К_р(dB) = 10 lg (Р_вых/Р_вх)

- коэффициент усиления по напряжению (по току)

К_u = U_вых/U_вх ; К_I =I_вых/I_вх ; К_u· K_I=K_p

K_U(I)(dB) = 20 lg (U(I)_вых/U(I)_вх)

(коэффициент усиления сильно зависит от f усиливаемого сигнала);

2) Линейные (частотные) искажения - характеризуют неравномерность усиления в полосе пропускания;

3) Нелинейные искажения – характер-т искажение формы усиливаемого сигнала;

4) Рабочий диапазон частот;

5) Чувствительность - наименьшая величина входного сигнала, при которой на выходе создается номинальная мощность;

6) Выходная мощность;

7) Входное и выходное сопротивления;

8) Уровень собственных шумов.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

Всегда наблюдается неравномерность усиления в заданной полосе частот. АЧХ (рис. 41, а) характеризует частотные искажения, вносимые усилителем. АЧХ показывает зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.

Рисунок 41 - Амплитудно-частотная (а) и амплитудная (б) характеристики усилителя

К₀- коэф. усиление на средней частоте;

К - коэф. усиление на любой частоте.

Полосой пропускания является интервал частот П, в пределах которого относительный коэффициент усиления уменьшается по сравнению с значением на средних частотах не более чем до уровня 0,707.

Амплитудная характеристика (АХ)

Это зависимость выходного сигнала усилителя от входного сигнала. Позволяет определить максимальный входной сигнал U_{вх max}, при котором нелинейные искажения невелики (рис. 1, а).

Принцип построения каскада усиления

М инимальную часть усилителя, сохраняю­щую его функции, называют каскадом усиления. Каскады усиления состоят из последовательно включенных управляемого элемента, параметры которого изменяются в зави­симости от поступающего на его вход напряжения или тока, и резистора нагрузки R_н. В показанной на рис. 42 эквивалентной схеме управляемый элемент (лампа или транзистор) заменен резистором R_y, сопротивление которого зависит от напряжения входного сигнала U_вх.

Рисунок 42 – Эквивалентная схема каскада усиления

При отсутствии входного сигнала (U_вх = 0) в цепи проходит постоянный ток I₀ = E_к/(R_н + R_y). При появлении входного сигнала изменяется сопротивление резистора R_y, а следователь­но, полное сопротивление цепи и ток в ней, т. е. кроме постоянной составляющей тока в цепи появляется пере­менная составляющая I~. Если сопротивление управляемого эле­мента R_y изменяется строго пропорционально напряжению U_вх, то и ток I~ пропорционален напряжению U_вх. Следовательно, падение напряжения U_вых на резисторе нагрузки R_н, создаваемое переменной составляющей тока I~, также пропорционально вход­ному напряжению U_вх, т. е. U_вых = К∙U_вх, где К - коэффициент усиления напряжения.

Основным требованием, предъявляемым к каскаду усиления, является воспроизведение формы входного сигнала на выходе, т. е. его минимальные нелинейные искажения. Выполнение этого требования обеспечивается подачей определенных напряжений и токов на выводы усилительного элемента. Транзистор во время ожидания входного сигнала находится в режиме покоя.

Электрическому состоянию транзистора в режиме покоя соответствует определенная точка на его входных и выходных характеристиках, называемая рабочей точкой А каскада усиления (р.т.).

Схема каскада усиления и графическое представление его работы при неправильно выбранной рабочей точке показаны на рис. 43, а, б. В режиме покоя транзистор VT закрыт, так как на­пряжение на эмиттерном переходе U_бэ=0. Следовательно, его токи I_б и I_к также равны нулю. Напряжение на коллекторе транзистора U_кэ = Е_к, так как падение напряжения на резис­торе R_н нагрузки U_Rн = 0.

Под действием входного сигнала U_бэ~ транзистор будет открыт только в течение части t₁ - t₂ положительного полупериода сигнала При этом транзистор откроется и его кол­лекторный ток I_к~ вызовет напряжение U_Rн на резисторе нагруз­ки R_н. Во время действия отрицательной полуволны входного сигнала U_бэ~ транзистор будет закрыт. Поэтому усиленный выходным сигналом будет существенно отличатся по форме от входного.

Рисунок 43 – Схема каскада усиления (а) и графическое представление его

работы при неправильно выбранной рабочей точке (б)

Д ля получения выходного сигнала с минимальными нелиней­ными искажениями следует выбрать такое положение рабочей точки, при котором каждому значению вход­ного сигнала U_бэ~ будет соответствовать зна­чение выходного. Схема такого каскада усиления и графическое представление его работы показаны на рис. 44, а, б. Напряже­нием постоянного смещения U_бэ=0,75 В рабочая точка выво­дится на середину прямолинейного участка входной характе­ристики транзистора.

Рисунок 44 – Схема каскада усиления (а) и графическое представление его

работы при правильно выбранной рабочей точке (б)

В режиме покоя базовый ток транзистора I_б=0,3 мА, а коллекторный I_к=h_21э∙I_б= 50·0,3 = 15 мА, так как среднее значение h_21Э данного транзистора равно 50.

Коллекторная цепь транзистора состоит из двух участков: перехода коллектор - эмиттер и резистора нагрузки R_н, меж­ду которыми напряжение коллекторного источника E_к распреде­ляется следующим образом:

E_к = U_кэ+ U_Rн = U_кэ + I_к∙R_н

Для лучшего использования транзистора напряжение U_кэ принимают равным 0,5 E_к. Тогда при напряже­нии Е_к, равном 30 В, сопротивление нагрузки R_н=0,5 E_к/I_к= 15 В/15 мА = 1 кОм.

При подаче на базу транзистора входного сигнала, ампли­туда которого U_бэm=0,05В ограничена линейным участком входной характеристики (для получения малых нелинейных иска­жений рабочая точка не должна выходить за пределы этого участка), в цепях базы и коллектора появятся переменные со­ставляющие их токов, соответственно имеющие амплитуды I_бm и I_кm. При этом амплитуда выходного сигнала U_выхm= I_кm∙R_н = 10 мА∙1 кОм=10 В, а коэффициент усиления напря­жения К = U_выхm/U_бэm = 10 В/0,05 В = 200.

Режим транзисторного каскада по постоянному току

Режим по постоянному току каскада уси­ления на транзисторе с ОЭ задается его токами базы I_б и кол­лектора I_к и напряжениями база - эмиттер U_бэ и коллек­тор - эмиттер U_кэ в рабочей точке (рис. 45, а, б). Определяют эти параметры для конкретного каскада усиления, используя входные и выходные характеристики транзистора.

Рассмотрим семейство выходных характеристик транзистора (рис. 45, а). Разрешенная область надежной работы транзистора ограничивается максимально допустимыми током коллектора I_{к max}, а также напряжением U_{кэ max} на нем и рассеи­ваемой мощностью Р_{к max}. Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального вход­ного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Рисунок 45 – Графическое представление работы коллекторной (а)

и базовой (б) цепей усилительного каскада

Так как напряжение U_кэ закрытого транзистора равно на­пряжению источника питания Е_к, то значение Е_к должно быть меньше U_{кэ max}. Соответственно напряжение

U_кэ = Е_к - I_к∙R_н

Данное уравнение представляет собой графически прямую линию - линию нагрузки. Чтобы найти точки пересечения линии нагрузки с осями I_к и U_кэ, поочередно приравнивают к нулю I_к и U_кэ. Если I_к = 0, то U_кэ становится равным Е_к, т. е. напряжение на коллекторе закрытого транзистора равно Е_к. Если U_кэ = 0, то I_к = Е_к/R_н.

Максимальную нагрузку (минимальное сопротивление резис­тора R_н) выбирают из условия Е_к/R_н<I_{к max}, откуда R_{н min}>Е_к/I_{к max}. Таким образом, линия нагрузки соединяет точки с коор­динатами Е_к/R_н и Е_к. Такое положение занимает линия нагрузки каскада, предназначенного для получения максимально возмож­ного для выбранного транзистора выходного напряжения, что используют только в оконечных каскадах.

Линия нагрузки ограничивается точками Б и В. За пределами участка БВ процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки Б наступает насыщение транзистора и он перестает управляться током базы, т. е. при I_б>I_{б max} ток коллектора не увеличивается. Ниже точки В тран­зистор оказывается в режиме отсечки, т. е. также перестает управляться.

Рабочую точку А (р.т) выбирают так, чтобы под действием входного сигнала она смещалась в пределах участка БВ линии нагрузки, что обеспечивает усиление сигнала без значительных искажений его формы. Затем определяют токи базы I_б и кол­лектора I_к, напряжение U_кэ, а также максимальный I_{б max} и минимальный I_{б min} токи базы, соответствующие максимальному U_{кэ max} и минимальному U_{кэ min} ее напряжениям. Напряжение база - эмиттер U_бэ определяют по входной характеристике транзистора (рис. 45, б).