Лекция по теме «Усилители»

• Усилители

6.1. Классификация и основные параметры усилителей

В ходе предыдущих лекций мы познакомились с простейшими усилителями на биполярных и полевых транзисторах. Теперь мы рассмотрим усилительные устройства более подробно.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления мощности электрических сигналов.

Усилители классифицируют по следующим признакам.

1. По диапазону усиливаемых частот — усилители низких частот (УНЧ), усилители постоянного тока (УПТ), усилители высоких частот (УВЧ), избирательные усилители.
2. По функциональному назначению — усилители напряжения, тока, мощности.
3. По характеру усиливаемого сигнала — усилители непрерывных и импульсных сигналов.

Рис. 1 Структурная схема усилительного устройства

Структурная схема усилительного устройства показана на рис.1

На входе действует источник сигнала  Ег с внутренним сопротивлением Rr. Источником может служить выход другого усилителя, микрофон или датчик.

К выходу усилителя подключена нагрузка Rн.

Собственно усилитель представлен схемой замещения, включающей источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН) с коэффициентом усиления К, и резисторы Rвх и Rвых, учитывающие конечное входное и ненулевое выходное сопротивления усилителя.

Параметры усилителей.

1.Основным количественным параметром усилителя является его коэффициент усиления (коэффициент передачи). Различают коэффициенты усиления напряжения K_U , тока K_I или мощности K_P:

Если коэффициент передачи напряжения равен единице K_U = 1, усилитель называют повторителем напряжения. Примером может служить эмиттерный повторитель.

Если коэффициент передачи тока K_I = 1, усилитель называют повторителем тока. Однако во всех случаях мощность сигнала на выходе усилителя больше мощности входного сигнала. Иными словами, коэффициент передачи мощности любого усилителя всегда больше единицы.

2.Из-за наличия в усилителе реактивных элементов (индуктивностей и емкостей), а также зависимости параметров активных элементов от частоты коэффициент передачи реального усилителя является комплексной функцией частоты:

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость аргумента от частоты–фазочастотной характеристикой (ФЧХ).

Рис. 32 Вид амплитудно-частотной характеристики усилителя

Примерный вид амплитудно-частотной характеристики усилителя показан на рис. 32. Полоса пропускания, в которой коэффициент усиления приблизительно одинаков и равен Ко, ограничена частотами среза f₀₁ и f₀₂. На частотах среза коэффициент усиления напряжения или тока составляет

К_I = К_U = Кo/√2≈ 0,707Ко ,

а коэффициент усиления мощности равен

К_р = 0.5Ко.

Коэффициент усиления удобно измерять в логарифмических единицах — децибелах:

К_U (дБ) = 20lgK_U,K_I(дБ) = 20lgK_I, K_P (дБ) = 10lgK_P.

Если АЧХ усилителя построена в логарифмическом масштабе, ее называют логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ или ЛАХ).

3.Другой важной характеристикой усилителя является его передаточная (амплитудная) характеристика — зависимость амплитуды входного сигнала от амплитуды входного. Передаточная характеристика определяется при подаче на вход усилителя гармонического сигнала с частотой, лежащей в полосе пропускания усилителя.

Пример передаточной характеристики показан на рис. 33.

Рис. 33 Передаточная характеристика усилителя

Минимальное входное напряжение Uвх min ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых можно выделить полезный сигнал. Отношение максимального входного напряжения к минимальному называют динамическим диапазоном

3. Важными количественными показателями усилителя являются его входное и выходное сопротивления. В общем случае входное и выходное сопротивления усилителя — величины комплексные и зависят от частоты.

Многокаскадные усилители. Для получения необходимого усиления используют усилители, образованные последовательным соединением нескольких звеньев или каскадов. Обычно число каскадов равно двум-трем. Первый каскад служит для предварительного усиления слабых сигналов, поступающих на вход устройства. Для этого используют усилители напряжения. Выходной каскад служит для передачи в нагрузку сигнала необходимой мощности.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов передачи отдельных каскадов:

К = К1 • К 2 • К 3.

Если используется логарифмический масштаб, результирующий коэффициент усиления равен сумме логарифмических коэффициентов отдельных каскадов:

К (дБ)= К1 (дБ)+ К 2 (дБ)+ К 3 (дБ).

Коэффициент полезного действия усилителя представляет отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания:

КПД имеет особое значение для выходных каскадов усилителей, поскольку они потребляют большую часть мощности источника питания.

В настоящее время промышленность выпускает большое количество многокаскадных усилителей в виде интегральных микросхем. Такой усилитель представляет законченный функциональный блок, имеющий заданные параметры. Микросхемы усилителей имеют обычно дополнительные внешние выводы для подключения регулирующих и корректирующих цепей.

6.2.    Обратные связи в усилителях

Обратной связью называют процесс передачи сигнала из выходной цепи во входную. Цепь, обеспечивающую эту передачу, называют цепью обратной связи. Как правило, цепь обратной связи представляет пассивный делитель напряжения.

Рассмотрим активную цепь, показанную на рис.34. Треугольником обозначен дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления К. Цепью обратной связи является делитель напряжения, образованный резисторами R1, R2.

Рис. 34 Схема усилителя с обратной связью

Примем, что входное сопротивление усилителя бесконечно, а выходное равно нулю. Выходное напряжение усилителя пропорционально напряжению на его входе:

Напряжение обратной связи

— коэффициент передачи цепи обратной связи.

 

Напряжение на входе усилителя

 

Поскольку напряжение обратной связи вычитается из входного, такую обратную связь называют отрицательной.

Из приведенных выражений получим:

Коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью,

— основное соотношение для усилителя, охваченного обратной связью.

βК   — коэффициент петлевого усиления,

1 +βК — глубиной обратной связи.

Если βК>> 1, обратную связь называют глубокой. В этом случае

Вывод:

1. Если усиление в петле обратной связи велико, то общий коэффициент передачи Koc практически не зависит от свойств усилителя и определяется коэффициентом передачи цепи обратной связи.
2. Отрицательная обратная связь стабилизирует работу цепи, уменьша­ет искажения сигнала, вызванные нелинейностью характеристик усилителя. Повышается стабильность коэффициента усиления.