Общие сведения
Электронным усилителем называется электроламповое или полупроводниковое устройство, предназначенное для усиления по величине слабых электрических сигналов с сохранением их формы и частоты. В ряде случаев допускается определенное изменение формы сигнала для достижения максимального к.п.д. усилителя или мощности усиливаемых сигналов.
Простейшим усилителем является каскад, рис.1, содержащий нелинейный управляемый элемент (УЭ), как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник питания Е.
9
Усилительный каскад содержит входную цепь, к которой подводится входное напряжение UВХ (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения UВЫХ (усиленный сигнал).
Рис. 1 Структурная схема усилительного каскада
Увеличение мощности сигнала достигается за счет электрической энергии источника питания Е. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента УЭ, а, следовательно, и тока выходной цепи под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение Uвых снимается с управляемого элемента УЭ или резистора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника питания ИП в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.
Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению КU = Uвых / Uвх, коэффициент усиления по току – КI = Iвых / Iвх и коэффициент усиления по мощности
Кр = Рвых / Рвх = КU · КI. Для получения больших коэффициентов усиления используются многокаскадные усилители. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, К = К1· К2·…Кn.
В зависимости от диапазона частот входных сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ) – для усиления сигналов в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до 100 кГц и усилители высокой частоты (УВЧ) – для усиления в диапазоне частот от нескольких сотен кГц до нескольких сотен МГц. Для усиления сигналов в расширенном спектре частот применяются широкополосные усилители, в низком диапазоне частот – узкополосные или избирательные.
10
По способу включения усилительного элемента различают схемы усилительных каскадов с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. В таких схемах один из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепи.
Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером, так как она обеспечивает одновременное усиление по току, напряжению и мощности.
Н
а
рис. 2 представлена схема двухкаскадного
усилителя низкой частоты (усилительные
каскады с общим эмиттером).
Рис. 2 Схема двухкаскадного усилителя низкой частоты
Для работы транзистора в режиме усиления необходимо создать начальные условия. На его базу относительно эмиттера должно подаваться напряжение, открывающее транзистор – напряжение смещения (для германиевых транзисторов 0,1-0,2 В, для кремниевых – 0,5-0,7 В). Без начального напряжения смещения эмиттерный переход транзистора будет закрыт и как диод будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, искажая выходной сигнал. На схеме рис. 2 это смещение задается с помощью делителя на резисторах R1, R2 для транзистора VT1 и R5, R6 – для VT2. На коллектор напряжение питания подается через резистор R3 (R7), на эмиттер через R4 (R8). Конденсаторы С1 и С2 пропускают колебания звуковой частоты и не пропускают напряжение питания из цепи базы на выход предыдущего каскада и замыкания на «+» источника питания, конденсатор С3 не пропускает (отсекает) постоянную составляющую на выходе. Без разделительного конденсатора режим усиления нарушается.
Процесс усиления можно представить следующим образом. При отсутствии входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи, определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения и усилительными свойствами транзистора. Небольшой сигнал определенной частоты, появляясь в цепи эмиттер-база управляет значительно большим током коллектора – при отрицательных полупериодах на базе
11
коллекторный ток увеличивается, при положительных – уменьшается (с той же частотой), т.е. входное напряжение (UБ-Э) открывая и закрывая коллекторный переход управляет током коллектора. Ток коллектора изменяется пропорционально току базы и зависит от напряжения источника питания и коэффициента усиления транзистора.