Введение
Физические основы электроники (ФОЭ) — это научно-техническое направление, охватывающее проблемы исследований, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств, способствующее разработке эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя дальнейшее развитие, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.
К электронным приборам принято относить устройства, содержащие один или несколько каналов электрического тока, обладающих несимметричной электропроводностью и представляющих физически одно целое. Электрический ток обусловлен потоком элементарных носителей заряда, основными среди которых являются электроны. Движение носителей зарядов может обеспечиваться в вакууме (электронные приборы), в ионизированной среде инертных газов или паров ртути (ионные приборы), в кристаллической решетке полупроводников (полупроводниковые приборы).
Электроника условно делится на силовую и информационную. Силовая электроника является основой техники преобразования электрической энергии одного рода тока в другой. Она используется при создании электронных преобразователей электрической энергии. Информационная электроника представляет собой область разработки и применения средств кодирования, преобразования и передачи информации. Характерными сферами ее применения являются радиосвязь, передача данных на расстояние, автоматика, телемеханика, вычислительная техника. Она является основой современных информационных технологий.
Электроника во многом определяет темпы научно-технического прогресса, технико-экономический и оборонный потенциалы государства. Применение электроники в различных отраслях народного хозяйства определяется ее важными особенностями, приоритетными из которых являются наименьшие размеры и масса оборудования и устройств, высокая надежность, чувствительность, универсальность применения, экономичность и экологичность.
1 Литературный обзор
Усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Превышение мощности, выделяемой в нагрузке усилителя, над мощностью источника входного сигнала достигается за счет энергии источников питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в полезную нагрузку. Структурная схема электронного усилителя представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема электронного усилителя.
Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник. К входным зажимам подключается источник усиливаемых электрических сигналов, к выходным — нагрузка. Вход и выход усилителя обычно имеют общую точку, которая заземляется. Источником входных сигналов может быть либо датчик, либо другой электронный усилитель, уровень выходного сигнала которого необходимо повысить. На структурной схеме (Рисунок 1) источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения Еr имеющего внутреннее сопротивление Rr. Источник сигнала подключен к усилителю параллельно его входному сопротивлению:
(1.1)
Усилитель со стороны выхода можно представить или в виде генератора напряжения или в виде генератора тока с внутренним сопротивлением Rвых, подключенным к нагрузке.
В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rr, и входного сопротивления усилителя Rвх источник сигнала может работать в режиме холостого хода (Rвх >> Rr), короткого замыкания (Rвх << Rr) и согласования (Rвх = Rr). Исходя из этого усилитель можно назвать усилителем напряжения (с потенциальным входом), усилителем тока (с токовым входом) или усилителем мощности.
По соотношению между выходным (Rвых) и нагрузочным (Rн) сопротивлениями усилители можно разделить на усилители с потенциальным (Rвых >> Rн), токовым (Rвых << Rн) и мощностным выходом (Rвых = Rн).
По характеру потребления электрической энергии в нагрузке на практике обычно различают усилители соответственно напряжения, тока и мощности.
Нагрузкой усилителя может быть не только потребитель электрической энергии, но и вход другого усилителя. В этом случае усилитель представляет собой цепочку и является многокаскадным. Первый каскад называют входным, предпоследний – предвыходным, а последний – выходным или оконечным.
Усилители классифицируются по различным признакам: характеру усиливаемых сигналов, полосе усиливаемых частот, назначению усилителя и роду используемых усилительных элементов.
По характеру усиливаемых сигналов все усилители можно разделить на две группы:
– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления гармонических и квазигармонических (почти гармонических) сигналов различной величины и формы. К таким усилителям относятся: микрофонные, трансляционные и магнитофонные усилители, усилители воспроизведения грамзаписи, звукового кино, многие измерительные усилители и другие;
– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов различной величины и формы.
К импульсным усилителям относятся усилители импульсных систем связи, усилители сигналов телевизионного изображения (видеоусилители), импульсных радиолокационных устройств, ЭВМ, усилители систем регулирования и управления.
По ширине полосы (диапазону) и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на группы:
– усилители постоянного тока (медленно меняющихся сигналов) в полосе частот от fн 0 до высшей рабочей частоты fв; усиливают как переменную, так и постоянную составляющую сигнала;
– усилители переменного тока, усиливающие переменные составляющие сигнала в полосе частот от fн до fв;
– усилители высокой частоты, предназначенные для усиления электрических колебаний модулированной высокой частоты (радиосигналов, принимаемых антенной);
– усилители промежуточной частоты, усиливающие электрические сигналы модулированной промежуточной частоты, применяются в радиоприемных устройствах супергетеродинного типа;
– усилители низкой частоты (УНЧ); к ним относятся усилители звуковых частот;
– широкополосные усилители; усиливают широкую полосу частот (от единиц кГц до нескольких МГц);
– избирательные или селективные усилители, работающие в очень узкой полосе частот; их подразделяют на резонансные и полосовые;
– усилители прямого усиления;
– усилители с преобразованием.
Основными показателями, характеризующими свойства усилителя, являются: выходные и входные данные, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия, частотная, фазовая, амплитудная и переходная характеристики, динамический диапазон, уровень собственных помех и нелинейность.
К выходным данным относятся: номинальное (заданное техническими требованиями) выходное напряжение Uвых или выходная мощность Рвых, отдаваемые усилителем при работе на расчетную нагрузку. Сопротивление нагрузки усилителя Zн в общем случае комплексно, но выходное напряжение, ток и мощность обычно рассчитывают в условиях, когда можно пренебречь реактивными составляющими сопротивления нагрузки и считать последнее чисто активным и равным Rн.
При этом
(1.2)
(1.3)
Если нагрузкой усилителя является емкость Сн, то обычно задают только выходное напряжение усилителя Uвых, которое он должен обеспечивать на зажимах этой емкости.
К выходным данным усилителя относится и его выходное сопротивление Zвых, которое не всегда является существенным параметром.
Основными входными данными усилителя являются: его входное сопротивление Zвх и номинальное входное напряжение Uвх, при котором усилитель отдает заданное техническими требованиями напряжение или мощность в нагрузку.
Номинальное входное напряжение усилителя должно быть равно или меньше выходного напряжения источника сигнала, от которого работает усилитель.
При активном входном сопротивлении усилителя Rвх:
(1.4)
(5.5)
Источником сигнала для усилителей могут являться раз личные приборы, а потому данные источников сигнала очень разнообразны.
Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления напряжения КU или просто коэффициентом усиления усилителя называют отношение его выходного напряжения Uвых к входному Uвх:
(1.6)
Этот коэффициент является одним из основных показателей, характеризующих работу усилителя напряжения:
(1.7)
В общем случае коэффициент усиления усилителя гармонических сигналов является комплексной величиной, характеризуемой модулем и фазовым углом, так как выходное напряжение из-за наличия реактивных элементов в усилителе и нагрузке не совпадает по фазе с входным напряжением. Для усилителей импульсных сигналов по этим же причинам коэффициент усиления является функцией времени, так как выходное напряжение при подаче на вход скачка напряжения изменяется с течением времени.
Влиянием реактивных элементов усилителя и нагрузки можно пренебречь в области средних рабочих частот — для усилителей гармонических сигналов; в течение небольшого времени после окончания процесса установления фронта импульсов — для усиления импульсных сигналов. В этих условиях коэффициент усиления усилителя гармонических сигналов является действительной величиной, а коэффициент усиления усилителя импульсных сигналов не зависит от времени.
Кроме коэффициента усиления по напряжению, пользуются еще коэффициентами усиления по току и мощности:
(1.8)
(1.9)
Коэффициенты усиления представляют собой безразмерные величины.
Так как восприятие органов чувств человека подчиняются логарифмическому закону, коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах (радиотехнике, радиовещании, импульсной технике) или в неперах (в технике проводной связи).
Коэффициент усиления из абсолютного значения переводят в децибелы и обратно по следующим выражениям:
(1.10)
(1.11)
(1.12)
Коэффициент усиления по току:
(1.13)
(1.14)
(1.15)
Коэффициент усиления по мощности:
(1.16)
(1.17)
(1.18)
Для перевода коэффициента усиления из децибел в неперы число децибел достаточно разделить на 8,68, а при обратном переходе — умножить на эту величину.
Усиление равно одному децибелу, если напряжение на выходе усилителя в 1,12 раза (на 12 %) больше, чем напряжение на входе.
Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления в относительных единицах равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:
(1.19)
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах или неперах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя выраженных в тех же единицах; т.е.
(1.20)
Коэффициент полезного действия усилителя (КПД) представляет собой отношение мощности Рвых, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности Р, потребляемой им от источника питания:
(1.21)
Коэффициент полезного действия является важным показателем для усилителей средней и особенно большой мощности [1].
Усилители мощности. Принято считать усилителями мощности каскады, у которых полезная мощность, выделяемая в нагрузке, соизмерима с максимальной допустимой мощностью, рассеиваемой транзистором. В соответствии с этим усилители могут быть малой мощности (Рвых < 0,Звт), средней мощности (Рвых = 0,3—3 вт) и большой мощности (Рвых > 3 вт). Каждая из описанных ранее схем усилителей напряжения может быть использована в качестве усилителя малой мощности, но для этого необходимо соответствующим образом подобрать величину оконечной нагрузки. В любительской практике чаще всего приходится иметь дело с усилителями мощности относительно низких частот, от нескольких десятков герц до нескольких десятков килогерц. Oбecпeчить равномерное усиление в столь широком диапазоне частот можно только с помощью широкополосных апериодических усилителей мощности, о которых и пойдет речь.
Если нагрузка согласуется с выходным каскадом с помощью трансформатора, то такой усилитель называется усилителем с трансформаторным выходом. Усилители, в которых согласование с нагрузкой осуществляется без использования выходного трансформатора, называют усилителями с бестрансформаторным выходом. Усилители, у которых нет трансформаторов ни на входе, ни на выходе, называются бестрапсформаторными.
Усилители мощности могут быть однотактными и двухтактными.
Однотактным называется каскад, имеющий один или несколько транзисторов, включенных в параллель и работающих непрерывно,
В двухтактном каскаде имеется четное количество транзисторов, которые разбиты на две группы или два плеча, работающие поочередно, последовательно во времени.
Другой важной характеристикой является положение начальной рабочей точки на характеристике транзистора. Однотактный каскад может иметь либо фиксированное смещение, не изменяющееся в процессе работы, либо переменное, которое может меняться вручную или автоматически. В последнем случае режим называется «со скользящей рабочей точкой». Двухтактные каскады чаще всего работают в одном из трех режимов, называемых режимами класса А, В и АВ.
В режиме класса А устанавливается такое начальное смещение, при котором коллекторный ток имеет большую величину. В режиме класса В, наоборот, устанавливается смещение, при котором коллекторный ток очень мал. Режим класса АВ является промежуточным между А и В.
Каждая из перечисленных схем имеет свои преимущества и недостатки. Представляет интерес рассмотреть особенности основных схем с выявлением их положительных и отрицательных качеств [1].
Однотактные усилители мощности. Это наиболее простые усилители, содержащие обычно один транзистор, в чем их основное преимущество перед двухтактными усилителями, содержащими не менее двух транзисторов. Чаще всего они имеют выходной согласующий трансформатор, позволяющий обеспечить согласование с нагрузкой.
Рисунок 2 – Схема однотактного усилителя мощности
с трансформаторным выходом.
Однотактный каскад отличается простотой конструкции, но зато является весьма неэкономичным , поскольку на коллекторе постоянно рассеивается мощность более Рвых.макс. независимо от того, есть сигнал или его нет. Кроме того, работа при большом токе коллектора, исчисляемом десятками и сотнями миллиампер, приводит к значительному снижению входного сопротивления (до нескольких Ом). В связи с этим возникают определенные трудности, связанные со стабилизацией режима работы однотактного каскада и его согласованием с предшествующим усилителем напряжения. Осуществляется это обычно с помощью согласующего каскада по схеме с общим коллектором или общим эмиттером с непосредственной или трансформаторной связью.
Однотактные усилители применяются главным образом в маломощных устройствах. Для получения большой выходной мощности обычно применяются двухтактные усилители, отличающиеся высоким к. п. д. и значительно лучшим использованием возможностей транзисторов [1].
Двухтактные усилители мощности с трансформаторным входом. Двухтактный усилитель представляет собой сочетание двух одинаковых однотактных каскадов с общей нагрузкой, а напряжение сигнала на входы этих каскадов подается в противофазе. Это значит, что, когда ток одного транзистора увеличивается, ток другого уменьшается и может даже совсем прекратиться. Двухтактные усилители мощности могут быть с трансформаторным и бестрансформаторным выходом.
Двухтактный усилитель мощности с трансформаторным выходом. Усилитель мощности с трансформаторным выходом (рисунок 3) имеет нагрузку в виде первичной обмотки трансформатора Тр2. Напряжение сигнала на базы транзисторов подается в противофазе относительно средней точки обмотки II трансформатора Тр1, на которую подается начальное смещение.
Рисунок 3 - Схема двухтактного усилителя мощности
с трансформаторным выходом.
Двухтактные усилители мощности с бестрансформаторным выходом. Усилители этого типа все шире применяются как в любительских, так и в промышленных конструкциях. Отсутствие громоздкого выходного трансформатора, высокий к. п. д., простота устройства и конструкции делают их весьма Перспективными.
Главной особенностью усилителей с бестрансформаторным выходом является последовательное питание транзисторов по постоянному току и параллельное по переменному. Это требует повысить напряжение источника питания до величины Е применяемых в выходном каскаде транзисторов. Получили распространение каскады по схеме с общим эмиттером и общим коллектором на одинарных или 'составных транзисторах.
Каскады по схеме с общим эмиттером обеспечивают значительное усиление как по напряжению, так и по мощности. Каскады по схеме с общим коллектором обеспечивают достаточное усиление по мощности и не дают усиления по напряжению, но зато имеют малые искажения сигнала по сравнению с каскадами с общим эмиттером.
На рисунке 4 приведена cхема оконечного каскада с бестрансформаторным выходом на двух транзисторах VТ1 и VТ2, включенных по схеме с общим Эмиттером. Особенностью схемы на рисунке 4 является наличие двух одинаковых по напряжению и мощности источников питания Е1 и Е2, включенных последовательно. Последовательно по постоянному току включены также оба транзистора, вследствие чего оказывается возможным заземлить среднюю точку источников питания, а вместе с ней и один из выводов сопротивления нагрузки r . При этом, за счет того что входное напряжение к каждому транзистору подводится от отдельной обмотки трансформатора Тр1, по отношению к нагрузке транзисторы VТ1 и VТ2 оказываюся включенными по схеме с общим эмиттером. Для уменьшения влияния внутреннего сопротивления источников питания на работу каскада последние зашунтированы по переменному току конденсаторами Сп.н, имеющими большую емкость.
Рисунок 4 – Схема двухтактного усилителя мощности
с бестрансформаторным выходом.
Наличие двух раздельных обмоток II и III во входном трансформаторе Tpl потребовало применения раздельных делителей напряжения смещения в базовых цепях каждого транзистора VТ1 и VТ2, R и R 2. Следует подчеркнуть, что качество работы каскада во многом зависит от правильности выбора сопротивлений этих резисторов, который делается исходя из следующих соображений.
Основным достоинством усилителя с бестрансформаторным выходом по схеме на рисунке 11 является его высокая экономичность, хорошее использование усилительных свойств транзисторов, а также большое усиление мощности сигнала, обусловленное работой транзисторов по схеме с общим эмиттером. Но все же наличие входного согласующего трансформатора, который должен отвечать весьма высоким требованиям по симметричности выходных напряжений, создает определенные трудности при конструировании высококачественных усилителей мощности низкой частоты. В этом отношении более простыми по устройству являются полностью бестрансформаторные усилители [1].
Бестрансформаторные усилители мощности. На рисунке 5 приведены схемы распространенных в любительской практике двухтактных усилителей мощности, в которых отсутствуют входные и выходные согласующие трансформаторы, а поэтому называемых бестрансформаторными усилителями мощности. Характерной особенностью бестрансформаторных усилителей является использование транзисторов различного типа проводимости , р-n-р и n-p-n. Именно благодаря этому удается отказаться в этих усилителях от применения специальных входных трансформаторов. Правда, при этом приходится включать транзисторы по схеме с общим коллектором, что не позволяет в полной мере реализовать большие потенциальные возможности усилительных свойств транзисторов. Но простота устройства бестрансформаторных усилителей делает их весьма перспективными для использования в любительских и промышленных конструкциях.
а)
2
б)
Рисунок 5 – Схемы бестрансформаторных усилителей мощности
на транзисторах с дополнительной симметрией при подключении
источника сигнала ко входу усилителя непосредственно (а),
через дополнительный повышающий трансформатор (б).
Усилитель по схеме рисунке 5 , а является наиболее простым. Он выполнен на двух транзисторах различной проводимости VT1 и VТ2, которые включены по постоянному току последовательно. Нагрузка включается через переходной конденсатор Сп.н. между эмиттерами транзисторов, соединенными вместе, и одним из проводов питания, обычно минусовым, как это и показано.
Достоинством каскада по схеме рисунка 5, а является простота устройства, а недостатком — малое усиление напряжения К = 0,7 — 0,9. Поэтому для получения максимальной выходной мощности требуется подать на вход каскада напряжение сигнала с амплитудой, составляющей более 70% от напряжения источника питания Е. Получить такое напряжение можно несколькими путями.
На рисунке 5, б приведена схема каскада, в котором напряжение вxoднoгo сигнала повышается с помощью дополнительного повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого содержит в 3-5 раз большее количество витков, чем первичная ( = 3-5 и более). Следует подчеркнуть, что в данном случае трансформатор Tpl является однофазным, то есть у него лишь одна выходная обмотка. К такому трансформатору не предъявляются какие-либо специальные требования, главное, чтобы его обмотки имели соответствующее реактивное сопротивление и необходимый коэффициент трансформации. В качестве такого трансформатора могут быть использованы разного рода выходные трансформаторы от различных транзисторных и ламповых усилителей, что является преимуществом каскада по сравнению с рассмотренными ранее каскадами с трансформаторным и бестрансформаторным выходом. Наличие трансформатора Tpl не отражено в названии схемы, поскольку этот трансформатор больше относится к предыдущему каскаду [1].