Анализ процесса усиления электрических сигналов

ПОНЯТИЕ ОБ УСИЛЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Одной из наиболее важных функций некоторых электронных приборов является усиление электрических сигналов. Усилить электрический сигнал— это значит увеличить его мощность.

Рассмотрим некоторые практические случаи, где требуется усиление электрических сигналов.

В сеть радиофикации крупного города включают тысячи громкоговорителей. Передача программы ведется с помощью микрофона, преобразующего звуковые осигналы в электрические сигналы. Мощность на выходе микрофона составляет микроватты. Эти очень слабые электрические сигналы подаются на специальные усилители, которые усиливают их до мощности, требуемой для питания всех громкоговорителей. Эта мощность составляет единицы и десятки киловатт.

При передаче телефонного разговора по междугородной кабельной линии связи имеет место аналогичное явление. На передающем конце происходит преобразование речи в электрические сигналы, а па приемном конце — обратный процесс. В процессе передачи электрических колебаний по кабелю возникает затухание, т. е. теряется мощность. Для нормальной телефонной междугородной связи эти электрические сигналы многократно усиливаются.

В телевизионных передающих трубках изображение преобразуется в электрические сигналы. Чтобы получить соответствующее изображение на экране кинескопа, требуется многократное усиление этих сигналов. Следовательно, усиление электрических сигналов является одной из наиболее важных функций аппаратуры связи, вещания, телевидения.

Усилитель электрических сигналов представляет собой активный четырехполюсник. К входным точкам усилителя подключается источник усиливаемых сигналов с ЭДС E_r, к выходным точкам — потребитель усиленного сигнала, который будем называть нагрузкой усилительного элемента — R_н. В качестве усилительных элементов (УЭ) используют биполярные и полевые транзисторы, и только для получения очень больших мощностей в нагрузке используются электронные лампы. В цепь УЭ включается источник питания, который обеспечивает подачу постоянного напряжения на электроды УЭ (рис. 11.1).

Принципы усиления электрических сигналов

Напомним, что условием максимального выделения мощности в нагрузке является согласование сопротивления RH с выходным сопротивлением источника, в данном случае с выходным сопротивлением УЭ. Если выходное сопротивление УЭ велико, то и RH должно быть большим сопротивлением. Пусть УЭ — биполярный транзистор, работающий в активном режиме в схеме с ОЭ (рис 11.2). На вход транзистора, т. е. на его эмиттерный переход, включенный в прямом направлении, подадим электрический сигнал u_вх. При этом небольшие изменения входного напряжения вызовут значительные изменения входного тока . Ток коллектора на выходе получит, благодаря этому, приращение Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки приращение напряжения

Напряжение больше, чем напряжение , так как сопротивление , а ток .

Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению. Мощность на входе , а мощность на выходе , так как ток , a , то схема обеспечивает усиление по мощности.

Аналогично можно объяснить принцип усиления с помощью полевого транзистора и электронной лампы. При этом в полевых транзисторах и лампах, работающих обычно без входных токов, управление происходит эффективнее, благодаря тому, что у них громадное R_вх, и изменение тока на выходе при подаче входного сигнала происходит практически в отсутствие тока на входе.

Рис. 11.1. Структурная схема усилителя

Рис. 11.2. Схема усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ ()

На данном примере убедились, что усилительные элементы действительно обладают способностью усиливать электрические сигналы. Однако это еще не полное объяснение. Допустим, что на вход подан сигнал мощностью 1 Вт и усилен до 20 Вт. Можно ли считать, что затраченная мощность 1 Вт, а полезная мощность 20 Вт и КПД измеряются в тысячах процентов? Это — явный абсурд. Дело в том, что малая мощность электрического сигнала на входе Р_вх только управляет изменением тока и мощности на выходе Р_вых, а затраченная мощность Р₀ создается источником питания постоянного тока, который обязательно включен в данную схему. Чтобы получить на выходе требуемую полезную мощность Р_вых, источник питания должен затратить большую мощность Р₀, и КПД усилителя, безусловно, будет меньше 100%.

Процесс усиления электрических сигналов по мощности являет¬ся процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону изменения поданного на вход напряжения или тока усиливаемого электрического сигнала. При этом чем меньше требуется затратить мощность для управления изменением тока УЭ, тем больше усиление по мощности дает усилитель.

Существуют приборы, которые могут дать на выходе усиление либо по напряжению (например, повышающий трансформатор)', либо по току (понижающий трансформатор). Но в этих приборах не происходит усиления по мощности. Вследствие потерь в трансформаторе мощность на его выходе обязательно меньше, чем на входе.

Характерная особенность электронных приборов, используемых для усиления, заключается в том, что они всегда обеспечивают усиление входного сигнала по мощности.

Простейший анализ процесса усиления позволяет определить ряд требований, предъявляемых к усилительным устройствам:

1. Форма усиленного сигнала в цепи нагрузки должна совпадать с формой поданного на вход электрического сигнала. Такое совпадение необходимо в большинстве усилителей. Искажение формы сигнала на выходе усилителя, усиливающего сигналы от микрофона, приведет к тому, что в громкоговорителе, стоящем на выходе усилителя, появится искажение звука, то же будет при искажении усиленных сигналов в усилителях дальней телефонной связи, в магнитофонах и т. д.

2. Коэффициент полезного действия должен быть большим.

Это необходимо для того, чтобы преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока, повторяющего форму переменного сигнала на входе УЭ, происходило при наименьших допустимых затратах энергии источника постоянного тока.