Электроника и микропроцессорная техника

Общие сведения об усилителях электрических сигналов

Усилители служат для усиления электрических сигналов по величине. Они являются наиболее универсальными электронными устройствами и в той или иной форме используются практически в любых электрон­ных системах. На рис.31 дано общее функциональное обозначе­ние усилителя.

Рис. 31 Общее функциональное обозначение усилителя

Классификация усилителей электрических сигналов проводится:

• по виду используемых актив­ных элементов — усилители электронные, магнитные, оптико-электронные и др.,
• по виду основного усиленного сигнала — усилители напряжения, тока или мощности,
• по виду связи между каскадами — усилители с непосредственными связями, реостатные или резистивные, резистивно-емкостные (RC-усилители), трансформаторные, резистивно-трансформаторные,
• по способу усиления — усилители непосредственного (прямого) усиления и усилители с преобразованием спектра усиливаемого сиг­нала (усилители типа М-ДМ, модемы),
• по характеру зависимости между входным и выходным сигнала­ми — усилители линейные и нелинейные (с отсечкой, логарифмические и др.),
• по полосе пропускания: усилители широкополосные или видеоусилители, звуковые, узко­полосные, усилители постоянного тока.

В общем виде усилитель рассматривают в виде четырёх­полюсника (рис. 32), на вход которого подан сигнал от внеш­него источника с ЭДС и с внутренним сопротивлением R_U, а к выходу подключена внешняя нагрузка R_Н .

Рис. 32 Замещение усилителя четырехполюсником

Входными параметрами усилителя являются напряжение U_ВХ, ток i_ВХ, сопротивление R_ВХ и мощность P_ВХ, а выходными параметрами — напряжение U_ВЫХ, ток i_ВЫХ, сопротивле­ние R_ВЫХ и мощность P_ВЫХ .

Проходные параметры усилителя — коэффициенты усиления по напряжению , по току , по мощности .

В общем случае параметры усилителя — величины комплексные. При работе усилителя с характерными для измерительных устройств сигналами средних частот (1-3) кГц влияние реактивных элементов пренебрежимо мало, и параметры можно  считать действительными. При анализе цепей на нижних и средних частотах используют модули параметров и их зависимости от частоты.

Частотная характеристика усилителя K(f) – это зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты (рис.33). Идеальная характеристика — горизонтальная в диапазоне частот f_Н…f_В, который называют полосой пропускания усилителя. Реальная характеристика имеет завалы, они вызываются влиянием реактивных элементов главным образом в цепях межкаскадной связи.

Рис. 33 Частотная характеристика усилителя.

Амплитудная характеристика U_ВЫХ = f(U_ВХ) – зависимость между выходным и входным напряжением (рис. 34) Идеальная характеристика 1 линейного усилителя — прямолинейная. Реальная характеристика 2 при больших сигналах нелинейная.

Рис. 34. Амплитудная характеристика          Рис. 35. Фазовая характеристика

Фазовая характеристика j(f) — зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. На средних частотах j(f₀) фазовый сдвиг отсутствует. Влияние реактивных элементов искажает фазовую характеристику (рис. 35) .

В усилителях на вход подают исходный сигнал от внешнего источника, а на выходе получают усиленный выходной сигнал. Часто часть этого сигнала через специальную цепь обратной связи подают также на вход усилителя (рис. 36).

Рис. 36. Усилитель с обратной связью

Такую передачу сигнала называют обратной связью (ОС). В результате на входе усилителя с ОС действуют два сигнала: исходный сигнал U_ВХ  и сигнал ОС- U_ОС. Обратные связи влияют на параметры и характеристики усилителя. Классификация обратных связей проводится:

по способу образования — принудительные, специально созданные связи, и паразитные, возникающие, например, из-за монтажных емкостей. Полезными являются только принудительные связи;

по характеру совместного дейст­вия двух сигналов на входе усилителя — обратные связи по­ложительные (ПОС) и отрицательные (ООС). При ПОС исходный входной сигнал и сигнал ОС совпадают по знаку или фазе, суммируются и увеличивают результирующий сигнал на выходе усилителя. ПОС применяют во всех генераторах гармонических и импульсных колебаний. В усилителях ПОС используют сравнительно редко. Для усилителей характерна отрицательная обратная связь, при которой сигнал ОС противоположен по знаку или фазе входному сигналу, вычитается из него и уменьшает результирующий сигнал на выходе усилителя;

по способу образования сигнала ОС на выходе усилителя — обратная связь по напряжению и по току. Включение или исключение элементов цепи ОС не должно влиять на выходную цепь (рис.37,38)

Рис.37. ОС по напряжению

R1,R2-резистивный делитель цепи ОС

(R1+R2) »

Rн –условие,исключающее влияние

цепи  ОС на выходную  цепь усилителя.

Рис.38. ОС по току

Образцовое сопротивление  Rобр<<Rн —

условие,исключающее влияние

цепи  ОС на выходную  цепь усилителя.

• пo способу подачи сигнала ОС на вход усилителя — последовательная и параллельная ОС. При последовательной связи на входе усилителя суммируются напряжения U_ВХ и U_ОС, при параллельной связи — токи i_ВХ  и i_ОС. (рис.39,40)

Рис.40. Параллельная ОС

Цепи ОС являются частотно-независимыми, при использовании в них только
активных элементов и частотно-зависимыми — при использо­вании активных и реактивных элементов. Коэффициент обратной связи

в общем случае — величина комплексная, но в области средних частот и при соответствующем выборе реактивных элементов их влиянием можно пренебречь и считать коэффициент обратной связи чисто активной величиной . Он показывает, какая часть выходного напряжения подаётся на вход в виде сигнала обратной связи.

ООС влияет на параметры усилителя, в первую очередь, на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления усилителя. В усилителе с последовательной ООС (рис. 39) есть два входа: внешний (а,а), на который подают сигнал U_ВХ  и внутренний (б,б), где действует напряжение U_ББ. Именно U_ББ усиливается усилителем без обратной связи.

называют внутренним коэффициентом усиления. Это коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Величину :

называют коэффициентом усиления усилителя с обратной связью. При ООС U_Б=U_ВХ—U_ОС или U_ВХ=U_Б+U_ОС.

По определению :

U_ВЫХ = KU_Б,; U_ОС = g?U_ВЫХ или U_ОС = g?KUб. Тогда U_ВХ = U_Б?+ U_Бg?K=U_Б(1+g?K). Разделим почленно:, откуда  или . Следовательно,  К_ОС < K, т.е. ООС уменьшает усиление.

ООС повышает стабильность усилителя. При действии дестабили­зирующих факторов — изменении температуры, напряжений питания, параметров элементов — коэффициенты усиления изменяются, что оценивают относительным изменением коэффициентов —  в усилителе без ОС,  в усилителе с ОС, где DK и DK_ОС — абсолютные изменения коэффициентов усиления при действии дестабилизирующих факторов.

Так как: , то  откуда :

или, переходя к конечным приращениям, получим:

Следовательно при ООС относительная нестабильность усилителя уменьшается в   раз.

В усилителе без обратной связи :

При последовательной ООС :

Следовательно, последовательная OOС повышает входное сопротивление усилителя в  раз по сравнению со входным сопротивлением усилителя без обратной связи.

При параллельной ООС —  аналогичные соотношения:  и ,

т.е. параллельная ООС также уменьшает коэффициент усиления и повышает его стабильность. В усилителе с параллельной ООС входы «а,а» и «б,б» совпадают и

или  где — входной ток усилителя без ОС, — ток, создаваемый ОС.

Так как : , а , то ,

и   , здесь// -знак параллельного соединения,R_ОС – выходное сопротивление цепи ОС.

Следовательно, при параллельной ООС входное сопротивление усилителя уменьшается.

Выходное сопротивление устройств определяют как :

, ( Uвых = Uхх),

где U_ХХ — напряжение холостого хода на выходе в отсутствие нагрузки, I_КЗ — ток короткого замыкания выхода. В усилителе при обратной связи по напряжению :U_ХХ=kU_Б.

Ток короткого замыкания : ,

так как в этом случае вход цепи ОС замкнут накоротко и ОС отсутствует. Тогда:

Следовательно, ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление. При обратной связи по току напряжение холостого хода :U_ХХ = K?U_ВХ,

так как в этом случае выходная цепь разорвана и ОС отсутствует. Ток короткого замыкания равен:, тогда R_ВЫХ = R_ВЫХ(1+k?g).

Следовательно, ООС по току увеличивает выходное сопротивление усилителя. Это свойство используется в так называемых токостабилизирующих двухполюсниках, которые широко применяются в интегральных операционных усилителях.

Отрицательная обратная связь уменьшает частотные искажения и расширяет полосу пропускания усилителя, поскольку на входе усилителя при низких частотах действует сигнал больший, чем на средних частотах, что увеличивает выходной сигнал.

Усилитель, выполненный на одном усилительном элементе, или на нескольких элементах, работающих на общую нагрузку, называют усилительным каскадом. Виды связей каскадов с нагрузкой показаны на рис. 41; такие же связи используют для соединения усилителя с нагрузкой и с источником сигнала.

Рис.41. Виды связей с нагрузкой

Нагрузка R_Н = R_K может быть включена непосредственно в кол­лекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 41а).

Усилители с подключением нагрузки через разделительный конденсатор (рис. 41.б) называют резистивно-емкостными или RC-усилителями. На рис. 41в показан трансформаторный усилитель, на рис. 41г — резистивно-трансформаторный усилитель. В усилителях постоянного тока применяют непосредственное включение нагрузки (рис. 41д).

Схема простейшего усилительного ка­скада показана на рис. 42. Здесь транзи­стор с общим эмиттером — усилительный эле­мент, R_K — нагрузка усилителя, Е_K и Е_Б — ис­точники питания коллекторной и базовой цепей, «е» — источник переменного усиливае­мого сигнала, R_U — суммарное внутреннее сопротивление источников «e » и Е_Б..

Рис. 42.  Простейший усилительный каскад

Для анализа работы каскада используют характеристики транзистора (рис. 43 и 44).

В состоянии покоя входного сигнала нет (е = 0), в усилителе установлены токи и напряжения покоя I_ЭО, I_БО, I_ОК, U_БЭО, U_КО. Они определяют положение рабочей точки А. Напряжения на коллекторе и на базе измеряются от­носительно эмиттера. Когда подается входной сигнал, на входе усилителя кроме V_БЭО. создается управляющее переменное напряжение U_БЭ и управляющий входной ток i_Б, а в коллекторной цепи создаются переменные напряжение U_КЭ и ток i_К. В состоянии покоя E_К=U_КО+I_ОКR_К, в общем случае E_К=U_К+i_КR_К или U_К=E_К — i_КR_К. Это уравнение нагрузочной прямой, которую строят на выходных характеристиках по двум точкам: при полной отсечке коллекторного тока I_К=0 и U_К=Е_К, при полном насыщении транзистора U_К = 0 и . Нагрузочная прямая связывает между собой токи и напряжения в транзисторе и их изменения. Отрицательное напряжение U_БЭ создает ток +i_Б который вызывает ток +i_K и напряжение в коллекторе +U_K, рабочая точка из А перемещается по нагрузочной прямой в А1. Следовательно, отрицательное напряжение на базе приводит к поло­жительному напряжению на коллекторе. Усилительный каскад инвертирует входной сигнал. При напряжении +U_БЭ, ток i_К уменьшается, а рабочая точка смещается в А2.

Параметрами каскада являются:

— входное сопротивление транзистора ;

— коэффициент усиления по току ;

— коэффициент усиления по напряжению ;

— коэффициент усиления по мощности K_Р=K_i?K_U;

— коэффициент передачи входной цепи .

Здесь h_11Э – параметр схемы замещения транзистора четырехполюсником, b — коэффициент передачи базового тока в коллектор(илиh_21э).

Все параметры каскада определяются только элементами самого каскада. Влияние внешнего источника сигнала учитывают коэффициентом пере­дачи входной цепи. Приведенные соотношения показывают, что в общем случае для получения больших коэффициентов усиления необходимо применять транзисторы с большим b и малымh_11Э, а также выполнять условие  R_U<<h_11Э.