книги / Электронные усилители

В ВЕ Д ЕН И Е

Электрические сигналы используются во всех отраслях науки и техники. Так, в устройствах электросвязи они передают инфор­ мацию на расстояние. Различные процессы как в технике, так и в живой природе сопровождаются появлением электрических потен­ циалов и токов. В большинстве случаев значения электрических сигналов, отображающих информацию о процессах и явлениях в природе и технике, очень малы. Поэтому, чтобы воспользоваться этими сигналами, их необходимо усилить с помощью усилительных устройств.

Усилительные устройства начали применять с 1910 г., когда В. И. Коваленков предложил для усиления электрических сигна­ лов использовать электронную лампу. Начало работ по теории усилителей было положено М. А. Бонч-Бруевичем в 20-х годах. Группой специалистов под руководством А. И. Берга были раз­ работаны теория и методика расчета усилительных устройств.

С конца 50-х годов в электронной аппаратуре стали широко ис­ пользовать транзисторы. Благодаря достоинствам транзисторов в настоящее время электронная аппаратура строится в основном на полупроводниковых приборах. На основе интегральных микросхем изготовляют сложные и высоконадежные электронные усилители малых размеров.

Усилительные устройства в составе измерительных приборов применяются во всех отраслях народного хозяйства. С их помо­ щью слабые электрические сигналы усиливаются, в результате че­ го значения этих сигналов становятся достаточными для приведе­ ния в действие исполнительных устройств.

В настоящем учебном пособии главы 1, 2, 3, и раздел 4.1 напи­ саны В. И. Хиленко; разделы 4.2, 4.3, 4.4, главы 6, 7 — В. Р Гольцевым; главы 5, 8, 9, 10, 11,12 — В. Д. Богуном.

ГЛАВА f

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

1.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Во многих областях науки и техники широко применяются ме­ тоды передачи различных видов информации с помощью электри­

ческих сигналов.

Электрическим сигналом называют изменяющиеся по опреде­ ленному закону напряжение или ток, отображающие заданную пе­ редаваемую информацию.

Значения этих сигналов в большинстве случаев настолько ма­ лы, что оказываются недостаточными для приведения в действие соответствующих приборов. Поэтому слабые электрические сигна­ лы необходимо усиливать.

Устройство, предназначенное для увеличения мощности элект­ рических сигналов, называется усилителем.

В усилителе осуществляется процесс непрерывного управления энергией источника питания с помощью небольшой энергии источ­ ника сигнала, т. е. энергия источника питания преобразуется & энергию усиливаемых сигналов.

Электрические сигналы получаются в результате преобразова­ ния механической, звуковой, световой и других видов энергии в электрическую. Устройства, осуществляющие такие преобразова­ ния, называются источниками сигналов. К ним относятся микро­ фоны, фотоэлементы, передающие электронно-лучевые трубки,, звукосниматели, датчики и т. д.

Форма сигналов определяется характером информации. Так, например, звуковые (механические) колебания преобразуются с помощью микрофона в электрические, значения которых состав­ ляют от нескольких герц до 20 .25 кГц. Телеграфные сигналы представляют собой импульсы достаточно большой длительности.

Для управления энергией источника питания при усилении электрических сигналов чаще всего применяют электронные при­ боры, обладающие управляющими свойствами, — транзисторы, электронные лампы и др. Поэтому такие усилители называют

электронными усилителями.

Электрический сигнал, который надо усилить, подается в уп­ равляющую цепь, называемую входной цепью или входом усили­ теля. Соответственно сигнал, подаваемый на вход усилителя, на­ зывается входным, а мощность, потребляемая входной цепью уси­ лителя от источника сигнала, называется входной мощностью.

Усиленный сигнал подается в нагрузку, являющуюся потреби­ телем энергии усиленного сигнала. Электрическая цепь, в кото­ рую включаются нагрузка и источник питания, называется выход­ ной цепью или выходом усилителя. Мощность, отдаваемая усили­ телем в нагрузку, называется выходной мощностью.

Таким образом, усилительное устройство состоит из следующих частей: входного устройства (источника сигнала), собственно уси­ лителя, нагрузки и источника питания. В соответствии с этим структурную схему усилительного устройства можно представить, как показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилители можно классифицировать по различным признакам. Основные из них — характер усиливаемых сигналов, диапазон частот (полоса пропускания), назначение усилителя, тип усили­ тельных элементов.

По характеру усиливаемых сигналов усилители разделяют на две группы: усилители гармонических, т. е. периодически изменяю­ щихся сигналов, и усилители импульсных сигналов.

К усилителям гармонических сигналов относятся микрофонные, магнитофонные, радиовещательные, воспроизведения и записи звука и другие усилители. Импульсные усилители предназначены для усиления телеграфных, радиолокационных сигналов, цифро­ вых кодов и др.

По диапазону частот усилители подразделяют на следующие группы: усилители постоянного тока и усилители переменного тока.

Усилители постоянного тока усиливают очень медленно изме­

Они усиливают как переменные, так и постоянные составляющие сигнала.

Усилители переменного тока усиливают только переменные сос­ тавляющие сигнала. К ним относятся:

усилители звуковых частот — усиливают электрические сигна­ лы, соответствующие звуковым колебаниям (от 10 до 20000 Гц). Их называют также усилителями низких частот;

усилители высоких частот — усиливают колебания от сотен ки­ логерц до сотен мегагерц. Их называют также усилителями радиочастот;

широкополосные усилители — усиливают колебания в широком диапазоне частот (от единиц килогерц до единиц мегагерц).

По типу усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, магнитные, квантовые, параметрические и другие уси­ лители.

По назначению усилители разделяют на телевизионные, магни­ тофонные, измерительные, трансляционные и т. д.

По электрическому параметру усиливаемого сигнала различа­ ют усилители напряжения, тока и мощности. Такое деление явля­ ется чисто условным. Оно зависит от того параметра сигнала, ко­ торый для данного усилителя является наиболее важным, опре­ деляющим назначение усилителя. В любом усилителе увеличива­ ется мощность, но при усилении напряжения или тока ее значение не принимают во внимание. Усилитель напряжения обеспечивает большие изменения напряжения в нагрузке при малы* изменениях тока. А усилитель тока создает большой ток в выходной цепи при малых значениях выходного напряжения.

1.3. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ

Усилитель состоит из активных и пассивных элементов и ис­ точника питания, соединенных между собой в определенном по­ рядке.

Активными элементами служат транзисторы или электронные лампы, пассивными — резисторы, конденсаторы, катушки индук­ тивности.

В качестве источников питания используются химические ис­ точники и выпрямители.

Простейший усилитель содержит один усилительный элемент.

Усилительный элемент вместе с элементами, обеспечивающими режим работы усилителя и связь с источником сигнала и нагруз­ кой, называют усилительным каскадом или каскадом.

Принцип усиления рассмотрим на примере однокаскадного уси­ лителя, простейшая схема которого приведена на рис. 1.2.

Основными элементами каскада являются усилительный эле­ мент (УЭ) и резистор Rn, выполняющий роль нагрузки. Совмест­ но с источником питания Е эти элементы образуют выходную цепь

каскада. Усиливаемый сигнал Овл подается на вход каскада, а усиленный сигнал UB1Х снимается с выхода или с резистора нагруз­ ки R u.

Усиление — это преобразование энергии постоянного напряже­ ния в энергию переменного напряжения вследствие изменения со­ противления усилительного элемента, вызываемого изменением па­ раметров входного сигнала.

Как видно иа рис. 1.2, а, усилительный каскад представляет собой электрическую цепь, состоящую из источника питания Е, нагруженного двумя сопротивлениями. Одно из них — постоянное (в данном случае это резистор нагрузки R H) . Другое — перемен­ ное (это внутреннее сопротивление RBn усилительного элемента УЭ). Так как для питания усилителя используется источник пос­ тоянного напряжения, то ток в выходной цепи от источника проте­ кает в одном направлении: от + £ через усилительный элемент, резистор нагрузки RH к —Е. Значение этого тока определяется сопротивлением (R ни R BH):

Я н + * в „

Под действием подаваемого на вход переменного напряжения сигнала значение сопротивления # вн усиливаемого элемента из­ меняется. В результате этого изменяется значение тока в выходной цепи, хотя он и остается однонаправленным. Можно принять, что изменяющийся по значению ток выходной цепи имеет постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая выход­ ного тока является полезной. Протекая через резистор нагрузки R н, переменная составляющая /вих создает на нем переменное па­ дение напряжения Uвых

Так как сопротивление резистора нагрузки большое, то и паде­ ние напряжения на нем большое (значительно больше напряже­ ния входного сигнала). Это выделяющееся на резисторе нагрузки R н переменное напряжение и является усиленным, т. е. выходным U „их. Мощность сигнала на выходе усилительного каскада также будет больше мощности сигнала на входе (она увеличивается за счет энергии источника питания). Мощность на выходе усилителя фактически является частью мощности источника питания, преоб­ разованной в переменную мощность усиливаемого сигнала.

1.4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ

УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилители применяются в различных устройствах. Следова­ тельно, предъявляемые к ним требования, а также условия работы усилителей различны. Поэтому различны и свойства усилителей.

Сведения, характеризующие основные свойства усилителя, на­ зываются его техническими показателями.

Основными техническими показателями электронных усилите­ лей являются: входные и выходные показатели; коэффициенты усиления и коэффициент полезного действия; амплитудная, частот­ ная, фазовая, переходная характеристики; нелинейные искаже­ ния, уровень собственных шумов; динамический диапазон.

Входные и выходные показатели. Поскольку в усилителе име­ ются две основные цепи — входная и выходная, то различают со­ ответственно входные и выходные показатели.

Ко входным показателям относятся:

входное напряжение £/вх, входной ток / вх , входная мощность сигнала Р вх, при которых усилитель обеспечивает на выходе за­ данные значения напряжения, тока или мощности; общее входное сопротивление Z вх.

Общее входное сопротивление Z BX представляет собой сопро­ тивление между входными клеммами усилителя переменному входному сигналу. При активном входном сопротивлении усилите­ ля U ВХ 1ВХ'РвйГ ЭР ВХ== UВХ/ I вх» ^вх = ^вх/ вх •

тельно, ЭДС источника сигнала распределяется между внутренним сопротивлением ZHCT и входным сопротивлением ZBX(Рвх). Соот­ ношение между величинами ZB I и ZBX определяется назначением усилителя.

Так, в измерительных усилителях входное сопротивление Z BX должно быть в несколько раз больше внутреннего сопротивления ZBH источника сигнала. Это необходимо для того, чтобы ЭДС ис­ точника почти полностью была приложена ко входу усилителя с целью уменьшить погрешность измерений.

Но если на вход усилителя сигнал подается от линии или кабе­ ля, то ZBXдолжно быть равно ZBH, чтобы согласовать сопротив­ ление выхода источника сигнала с входным сопротивлением усили­ теля для исключения отражения волн в конце линии.

Входное напряжение составляет чаще всего несколько милли­ вольт.

Значения ЭДС, создаваемые некоторыми источниками сигнала, приведены в табл. 1.1.