§ 24. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Электронные усилители (рис. 113) — это устройства, увеличивающие мощность электрических сигналов за счет потребления энергии постоянного тока.

Они являются одними из основных структурных элементов аппаратуры в области радиотехники, электроавтоматики, телемеханики, радиолокации и др. Сигналы, получаемые от микрофонов, датчиков и прочих источников входного сигнала, обычно маломощны (от 1 до 100 мВ). Усилители должны увеличить эту мощность до значения (нескольких вольт), удобного для применения.

►   В усилителях используют способность активных электронных элементов (транзисторов, ламп и др.) к усилению.

При подаче на вход усилителя слабых сигналов u_вх в выходной цепи проходят токи, создающие на сопротивлении нагрузки перепад напряжения u_вых>u_вх. Мощность выходного сигнала возрастает в сравнении с мощностью входного сигнала.

В зависимости от характера сигналов различают разные виды усилителей: постоянный ток и ток с небольшими пульсациями (f<20 Гц) усиливаются усилителями постоянного тока (УПТ). Низкочастотные (звуковые) сигналы (f=20 Гц ÷ 20 кГц) усиливаются низкочастотными усилителями (УНЧ). Для f>100 кГц используют усилители высокочастотные УВЧ. Бывают усилители аналоговых (рис. 114, а), импульсных (рис. 114, б) сигналов и др.

Рис. 113. Структурная схема электронного усилителя

В тех случаях, когда усиление не обеспечивается одним усилителем, используют многокаскадные усилители. В зависимости от элементов соединяющей цепи различают:

усилители с гальванической связью (рис. 115, а) — усилители постоянного тока. Такие усилители состоят максимум из трех каскадов, так как при большем числе каскадов они нестабильны. Чтобы обеспечить некоторые специальные требования, усилители можно выполнять на различных, подобранных по свойствам, транзисторах (рис. 115, б). На рисунке усилитель построен на биполярном и униполярном (полевом) транзисторах, первый из которых работает по схеме с ОС, второй — с ОЭ. Его входное сопротивление R_вх = 5÷10 мОм, собственные шумы невелики, что характерно для полевых транзисторов;

усилители с емкостной связью (рис. 116, а) чаще всего используют в качестве низкочастотных. Каскады связаны через конденсатор С_Б2 и резистор R_Б2. Конденсатор С_Б2 связывает базу Т₂ с коллектором Т₁, т. е. подает напряжение с выхода первой ступени на вход следующей ступени.

Рис. 114. Аналоговый (а) и импульсный (б) электрические сигналы

Рис. 115. Схемы трехступенчатых с биполярными транзисторами (а) и с полевым и р-п-р-транзистором (б) усилителей постоянного тока

На схеме рис. 116, б сопротивления R₁ и R₂, R₃ и R₄ образуют делитель напряжения; R_С1 и R_С2 — сопротивления нагрузки. Элементы R_И1, С_И1 и R_И2, С_И2 предназначены для термостабилизации рабочей точки транзисторов; С₁ и С₂ — связывающие конденсаторы.

Наиболее важные параметры и характеристики усилителей.

►   Коэффициент усиления показывает, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

В зависимости от вида усиливаемого сигнала различают коэффициенты усиления по напряжению k_U, по току k_I и по мощности k_P. Все три коэффициента либо безразмерные, либо имеют размерность децибелы [дБ]. Ориентировочно для каждого каскада можно считать k_U≈10÷20, k_I≈10÷20, k_P=200÷400.

Рис. 116. Схемы RС-усилителей с биполярными (а) и полевыми (б) транзисторами

Рис. 117. Амплитудно-частотные характеристики усилителей постоянного тока (а) и низкой частоты (б)

►   Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой график зависимости коэффициента усиления от частоты сигнала (рис. 117).

Для идеального усилителя АЧХ — горизонтальная линия, т. е. частота усиливаемого сигнала не влияет на коэффициент усиления. Изменение АЧХ — результат изменения сопротивления некоторых элементов (конденсаторов, катушек).

►   Коэффициент частотных искажений М (рис. 117, б) — это показатель неодинакового усиления сигналов разной частоты.

Он определяется отношением

где k_f — коэффициент усиления сигнала частотой f; k₀ — коэффициент средней частоты (выражается в децибелах).

Допустимые искажения М_доп=±3дБ (при уровне 0,7 на рис. 117, б). Знаки плюс и минус означают, что возможно повышение или уменьшение усиления. Частоты, для которых выполнено условие М=±3 дБ, являются граничными — максимальной f_mах и минимальной f_min.

►   Частотный диапазон f усилителя — это разность между двумя граничными частотами: f = f_mах — f_min.

Усиление сигналов с частотой вне этого диапазона сопровождается недопустимо большими искажениями.

►   Нелинейные искажения вызываются элементами с нелинейной вольт-амперной характеристикой и приводят к изменению формы усиленного сигнала.

Ко всем видам усилителей предъявляют следующие основные требования: выходная мощность должна быть больше входной; входной и выходной сигналы должны иметь подобную форму, т. е. осциллограммы сигналов должны отличаться только амплитудой; коэффициент усиления не должен зависеть от частоты и амплитуды входного сигнала.