1.3. Классификация усилителей

Усилители классифицируют по нескольким признакам:

15

По виду АЧХ:

• усилитель постоянного тока (УПТ);

• широкополосный усилитель – здесь выполняется условие: ^fв _fн 1. Частным случаем таких усилителей являются звуковые усилители и УВЧ в приемниках.

• полосовые или избирательные усилители (верхние и нижние частоты близки друг к другу) – ^fв _fн 1.

Рис.1.11. АЧХ усилителей: слева – УПТ, в центре – широкополосный усилитель, справа –

полосовой усилитель

По назначению:

• усилители напряжения. Входное сопротивление усилителя значительно превышает внутреннее сопротивление источника сигнала. В этом случае источник сигнала работает практически в режиме холостого хода (ХХ), а входным сигналом является напряжение, равное напряжению входного сигнала. Таким образом, данный усилитель является источником напряжения, управляемым напряжением (ИНУН).

• усилители тока. Здесь входное сопротивление усилителя намного меньше входного сопротивления источника сигнала. Заданной входной величиной является ток, а сам источник сигнала работает в режиме короткого замыкания (КЗ). Такой усилитель является источником тока, управляемым током (ИТУТ).

• усилители мощности.

Один и тот же усилитель с неизменным входным сопротивлением может быть либо усилителем тока, либо усилителем напряжения в зависимости от внутреннего сопротивления источника сигнала. Таким образом, тип усилителя

16

по назначению устанавливается в зависимости от параметров источника

сигнала и нагрузки.

По типу активного элемента:

• ламповые усилители. В настоящее время ламповые усилители используются только в том случае, если к ним предъявляется ряд специальных требований. Например, устойчивость к воздействию радиоактивного излучения.

• полупроводниковые усилители. Их разделяют на транзисторные (используют биполярные и полевые транзисторы), а также усилители на интегральных микросхемах.

• прочие усилители, например, квантовые (лазеры), параметрические.

По технологии изготовления:

• на дискретных элементах – это транзисторные усилители;

• на интегральных микросхемах – это операционные усилители.

• комбинированные – сочетают использование двух предыдущих.

1.4. Обобщенная структурная схема уу

Цепи ООС

Источник

Вх. цепь

1-2-3...N (ПУ)

Вых. цепь

Нагрузка

сигнала (ИС)

Вх. каскад

УМ

Источник питания (ИП)

Рис.1.12. Обобщенная структурная схема УУ: Вх.цепь, Вх.каскад – входная цепь, входной каскад; ПУ - предварительные усилители; УМ - усилитель мощности; цепи ООС – цепи отрицательной обратной связи.

17

Источником питания является внешний источником энергии, мощность которого используется для усиления полезного сигнала.

Входная цепь, или входной каскад служат для согласования источника сигнала с усилителем. Это позволяет избежать потерь полезного сигнала при отражении в случае рассогласования. Они могут быть как пассивными

(собраны на пассивных элементах), обычно колебательный контур, либо активными – эмиттерный повторитель.

Каскады предварительного усиления (как правило, однотипные каскады)

обеспечивают заданное усиление по напряжению при допустимых искажениях полезного сигнала.

Выходной каскад или усилитель мощности служит для усиления по мощности выходного сигнала ПУ и обеспечения согласования с нагрузкой.

Важным требованием, предъявляемым к этому каскаду, является максимизация КПД.

5. Усилитель как линейный четырёхполюсник

• области малых сигналов нелинейные искажения, вносимые активными и пассивными элементами незначительны, поэтому усилительные каскады для малых сигналов возможно считать линейными устройствами. В этом случае,

усилитель можно представить и рассматривать в виде линейного четырехполюсника.

JВх			JВых
UВх		Y11, Y12, Y21, Y22	UВых

Рис.1.13. Линейный четырехполюсник

Выразим входные и выходные токи через Y-параметры усилителя:

y

y

J

вх

U

вх

U

вых

11

12

.

(1.21)

y

y

J

вых

21

U

вх

U

вых

22

Из системы уравнений (1.21) можно определить все Y-параметры усилителя:

18

y

Jвх

– входная проводимость;

11

Uвх

Uвых 0

y

Jвх

– проводимость внутренней обратной связи;

12

Uвых

Uвх 0

y

S

Jвых

– крутизна;

21

Uвх

Uвых 0

y22

Jвых

– выходная проводимость.

Uвых

Uвх 0

Выходное напряжение и коэффициент усиления для нагруженного четырехполюсника (рис.1.13) записываются в виде:

UВых

S UВх

,

(1.22)

y

y

22

н

S

K0

y

y

.

(1.23)

22

н

Вх

Вых

Rc

Y11

Y 12 UВых

SUВх

Y22

Yн

Uc

Рис.1.14. Эквивалентная схема нагруженного четырехполюсника

Из выражения (1.23) видно, что любое подключение нагрузки к усилителю приводит к уменьшению коэффициента усиления. С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя снижается, а

выходное сопротивление – увеличивается:

y		y		K		0		y		,		(1.24)
вх		11						12
							y
	y		y				12		.		(1.25)
	вых		22				K0

Контрольные вопросы

1) Какое определение наиболее верно?

19

а) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для управления мощностью источника питания.

б) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для повышения мощности сигнала при условии максимального КПД.

в) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для передачи сигнала при условии сохранения его формы.

г) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное для повышения мощности сигнала при условии сохранения его формы.

д) Усилительным устройством называется устройство, предназначенное формирования мощного сигнала правильной формы.

2. Как изменение формы АЧХ повлияет на импульсную (или переходную) характеристику? а) Изменение в области НЧ повлияет на фронт импульса, изменение АЧХ в области ВЧ

– на амплитуду импульса (коэффициент передачи), а в области СЧ – на

неравномерность вершины импульса.

б) Изменение в области НЧ повлияет на амплитуду импульса (коэффициент передачи), изменение АЧХ в области ВЧ – на фронт импульса, а в области СЧ – на неравномерность вершины импульса.

в) Изменение в области НЧ повлияет на неравномерность вершины импульса, изменение АЧХ в области ВЧ – на фронт импульса, а в области СЧ – на амплитуду импульса (коэффициент передачи).

г) Изменение в области НЧ повлияет на фронт импульса, изменение АЧХ в области ВЧ

– на неравномерность вершины импульса, а в области СЧ – на амплитуду импульса (коэффициент передачи).

д) Никак не поваляет, поскольку АЧХ характеризует работу усилителя в установившемся режиме, а переходная характеристика в установившемся режиме.

3. Чем отличаются АЧХ широкополосного и полосового (избирательного) усилителей? а) Формой АЧХ.

б) Шириной полосы пропускания – f _в f_н .

в) Средней частотой полосы пропускания – ^{f в fн} ₂ .

г) Отношением верхней граничной частоты к нижней граничной частоте – ^fв _fн . д) Ничем.

3. Что называется искажениями сигнала при усилении?

а) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные увеличением амплитуды сигнала.

б) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные увеличением мощности сигнала.

в) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные нестабильностью напряжения источника питания.

г) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные несовпадением реальных и идеальных характеристик усилителя.

д) Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала, вызванные температурным изменением рабочей точки транзистора.

3. Что позволяет оценить коэффициент гармоник? а) Ширину спектра входного сигнала.

б) Линейные искажения сигнала. в) Нелинейные искажения сигнала.

г) Искажения переходной характеристики.

д) Искажения амплитудно-частотной характеристики.

20

6. Что такое амплитудно-частотная характеристика? а) Зависимость амплитуды от частоты.

б) Зависимость модуля амплитуды от частоты.

в) Зависимость коэффициента передачи от частоты.

г) Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты.

д) Зависимость модуля коэффициента передачи или модуля амплитуды от частоты.

6. В каком случае усилитель можно рассматривать как линейный четырехполюсник? а) Если усилитель описан системой Y-параметров.

б) Если нелинейные искажения, вносимые активными и пассивными элементами малы. в) Если линейные искажения не превышают допустимых значений при малой

амплитуде входного сигнала.

г) Если амплитуда сигнала на входе не превышает допустимых значений.

д) Если температура усилителя невысока и внутренние шумы незначительны, а параметры активных и пассивных элементов стабильны.

6. Как сопротивление нагрузки влияет на коэффициент усиления?

а) Любое подключение нагрузки к усилителю приводит к уменьшению коэффициента передачи.

б) Любое подключение нагрузки к усилителю приводит к увеличению коэффициента передачи.

в) Никак.

6. Каким образом входное и выходное сопротивления зависят от коэффициента усиления? а) С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя

увеличивается.

б) С увеличением коэффициента усиления выходное сопротивление усилителя снижается.

в) С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя снижается, а выходное сопротивление увеличивается.

г) С увеличением коэффициента усиления входное сопротивление усилителя увеличивается, а выходное сопротивление снижается.

д) Никак не зависят.

2. Обратные связи в усилителях

0. Классификация обратных связей

• усилительном устройстве обратной называют связь, которая обеспечивает передачу части сигнала из его выходной цепи во входную. Она применяется для стабилизации коэффициента усиления и уменьшения искажений усиленного сигнала, т.е. для улучшения технических параметров и характеристик усилителя.

Существует несколько признаков классификации обратных связей:

По причинам возникновения ОС:

1. Любой активный элемент всегда имеет внутреннюю проводимость ОС

(у₂₁).

21

2. Паразитная ОС между выходом и входом усилителя, обусловленная электромагнитными наводками. От такой связи всегда стараются избавиться, поскольку её параметры и характеристики зависят от многих факторов и сложно контролируются.

3. ОС специально введенная разработчиком для улучшения параметров усилителя.

По виду ОС:

1) положительная обратная связь (ПОС). ПОС имеет место в том случае,

если сигнал, снимаемый с выхода совпадает по фазе с входным сигналом. При этом результат взаимодействия двух сигналов равен сумме сигналов:

Вых

Вх

Kпос

U

K U

K UВх

K

K

,

(2.1)

U

Вх

U

ОС

U

Вх

U

Вых

U

Вх

K U

Вх

1 K

F

где F 1 K _пос , K – коэффициент усиления каскада без ОС, _пос –

коэффициент петлевого усиления цепи ОС, K_пос – коэффициент усиления каскада, охваченного ОС, U _ОС U_Вых – напряжение на выходе цепи ОС.

Рис.2.1. Функциональная схема ОС

2) отрицательная обратная связь (ООС). Если сигнал на выходе усилителя противоположен по фазе входному сигналу, то тогда имеет место случай ООС.

Как правило, в усилителях применяют именно ООС. При этом результат взаимодействия двух сигналов равен разности сигналов:

				K		,	(2.2)
		Kоос
		1 K
		– фактор ООС,				– коэффициент усиления усилителя с
где F 1 K				Kоос

ООС.

22

Из выражений для коэффициента усиления каскада, охваченного ООС,

следует, что при введении ООС коэффициент усиления усилителя уменьшается в F раз.

2.1.3) Классификация ОС по способу подачи сигнала обратной связи:

ОС Z-типа (последовательное соединение ОС по входу и выходу) Напряжение такой ОС зависит от выходного тока, поэтому ее называют последовательной по току. В выходной цепи по всем ее участкам течет один

и тот же ток, который на элементах цепи ОС создает падение напряжения,

пропорционально напряжению ОС. При ХХ на выходе усилителя ток равен нулю, напряжение ОС равно нулю, т.е. ОС исчезает.

Рис.2.2. Последовательная по току ОС

ОС Н-типа (последовательное по входу и параллельное по выходу). На выходе напряжение в цепи обратной связи будет таким же, как и на выходе усилителя. Такую ОС называют последовательной по напряжению.

Рис.2.3. Последовательная по напряжению ОС

ОС Y-типа. (Параллельная ОС по входу и по выходу). Усиливаемый входной ток и ток обратной связи по входной цепи усилителя суммируются. Поскольку в выходной цепи усилителя охваченного параллельной ОС выходное напряжение усилителя совпадает с входным напряжением цепи ОС, то ОС такого вида называется параллельной по напряжению.

23

Рис.2.4. Параллельная по напряжению ОС

ОС G-типа (параллельная по входу и последовательная по выходу). В современных одиночных усилительных каскадах встречается редко. Это связано с тем, что параллельная ОС по входу способствует уменьшению входного сопротивления, а последовательная ОС по выходу – увеличению выходного сопротивления. Это усложняет согласования усилителя с внешними устройствами, что является одной из причин ее редкого использования. Параллельно последовательная ОС называется параллельной по току.

Рис.2.5. Параллельная по току ОС

Все параллельные ОС по входу уменьшают входное сопротивление усилителя, а все последовательные ОС по входу увеличивают входное сопротивление усилителя.

Все ОС по напряжению уменьшают выходное сопротивление усилителя, а

все ОС по току увеличивают выходное сопротивление усилителя.