Глава 2 Общие сведения об усилительных устройствах

1. Основные понятия и определения

Как отмечалось в главе 1, среди устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения усилители электрических сигналов получили самое широкое распространение. Их роль и значение для радиосвязи, радиовещания и телевидения трудно переоценить. По существу, они являются основой построения всей аппаратуры радиосвязи, радиовещания и телевидения: усиление электрических сигналов является фундаментальным свойством всей аппаратуры обработки сигналов. То же самое можно сказать и о дальней проводной связи, измерительной технике, вычислительной технике и многих других областях современной науки и техники.

Усилитель электрических сигналов это устройство, увеличивающее (усиливающее) мощность подводимых к нему электрических сигналов путем управления ими энергией собственного источника питания усилителя при помощи усилительных элементов (УЭ), обладающих управляющими свойствами.

Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

На рис. 2.1 представлена в общем виде структурная (функциональная) схема усилительного тракта, включающая в себя усилитель с собственным источником питания, источник сигнала и нагрузку усилителя.

Усилитель имеет входную и выходную сигнальные цепи и цепи питания. Во входную цепь включается источник сигнала, от которого ко входу усилителя подводится сигнал с напряжением U_вх, током I_вх и мощностью Р_вх. В выходную цепь включается нагрузка, к которой от усилителя подводится усиленный сигнал с напряжением U_вых, током I_вых и мощностью P_вых. К цепи питания усилителя подключается собственный источник питания, мощность которого Р₀ преобразуется в мощность усиленного сигнала Р_вых.

Главным отличительным признаком усилителя является его способность увеличивать мощность сигнала, получая Р_вых > P_вх. Это означает, что усилитель является активным четырехполюсником, что на схеме рис. 2.1 отмечено треугольником – знаком усиления.

Среди многих показателей, характеризующих свойства этого четырехполюсника, важнейшими являются коэффициенты усиления по мощности К_м=Р_вых/Р_вх, по напряжению К=U_вых/U_вх и по току К_т=I_вых/I_вх. На структурной схеме четырехполюсник для простоты характеризуется только показателем К.

Следует отметить, что мощность Р_вых , отдаваемая усилителем в нагрузку, меньше мощности Р₀ , потребляемой им от источника питания. Это обусловлено неизбежными потерями части потребляемой от источника питания мощности Р_п =Р₀-Р_вых в усилительных элементах (УЭ) и пассивных элементах (резисторах и т.д.) усилителя, приводящими к нежелательному нагреву этих элементов, а также к снижению коэффициента полезного действия (КПД) усилителя , оцениваемому как Р_вых/Р₀. Вопросы снижения этих потерь (или, иначе говоря, повышения КПД усилителя) и отвода тепла очень важны в усилителях и особенно в мощных усилителях и в усилителях в интегральном исполнении.

В качестве источника сигнала используются микрофоны, передающие телевизионные трубки, детекторы радиоприемников, предшествующие усилители, каналы связи, различные датчики и т.д.

Нагрузкой усилителя могут быть электродинамический громкоговоритель (“динамик”) или устройство из нескольких динамиков (“колонка”), головные телефоны, электронно-лучевая трубка (в осциллографе), кинескоп (в телевидении), последующие усилители, каналы связи и. т. д.

В качестве усилительных элементов (УЭ) в усилителях аппаратуры радиосвязи, радиовещания и телевидения используются преимущественно биполярные и полевые транзисторы (БТ и ПТ) в виде дискретных приборов или интегральных микросхем (ИМС), реже – электронные лампы (например, в мощных усилителях радиочастоты и в мощных модуляционных усилителях радиопередающих устройств, а также в мощных трансляционных усилителях, используемых на оконечных станциях радиотрансляционных узлов). Усилители с использованием таких УЭ называют электронными усилителями, так как принцип действия используемых в них УЭ основан на электронных процессах в полупроводнике и вакууме.

В специальных случаях в качестве УЭ используются и другие приборы, например, дроссели насыщения (в магнитных усилителях систем автоматики), полупроводниковые диоды – варикапы и вариконды (в емкостных или, иначе говоря, диэлектрических усилителях радиочастоты). И те, и другие называют еще параметрическими (или реактивными) усилителями. Известны и другие приборы с управляющими свойствами, имеющие более узкие специальные области применения.

В качестве источника питания в электронных усилителях обычно используют источник постоянного тока (выпрямитель, химический источник) с необходимыми значениями напряжения и тока питания Е_в и I_в. В магнитных же и диэлектрических усилителях применяют источники переменного тока.

Свойства усилителя должны соотносится со свойствами усиливаемого сигнала, более того, определяться свойствами усиливаемого сигнала.

Усиливаемый электрический сигнал e_ист(t) характеризуется сложной функцией от времени (формой) и спектром частот с граничными частотами f_мин и f_макс, получаемым путем разложения этой функции на гармонические составляющие (рис.2.2 а, б). В случае периодической функции e_ист(t) спектр будет дискретным, в случае непериодической функции – сплошным.

Чтобы усиливать сигнал без искажений, усилитель должен, во-первых, иметь динамический диапазон, соответствующий динамическому диапазону сигнала, то есть обладать способностью усиливать сигналы разной величины, и, во-вторых, иметь соответствующую полосу пропускания частот (f_в - f_н), не меньшую ширины спектра сигнала (f_макс - f_мин), то есть (f_в–f_н)(f_макс–f_мин), где f_в и f_н – соответственно нижняя и верхняя рабочие частоты (граничные частоты) усилителя, которые должны удовлетворять условиям f_в  fмакс и f_н  f_мин

При этом за среднюю частоту полосы пропускания усилителя принимают частоту или частоту f_ср=1000Гц, если она входит в полосу пропускания усилителя.

Для анализа свойств (показателей и характеристик) усилителя источник сигнала, усилитель и нагрузку представляют в виде эквивалентных электрических схем (рис.2.1) по сигналу (по переменному току).

Источник сигнала представляют в виде независимого активного двухполюсника, то есть либо в виде независимого источника ЭДС E_ист с внутренним (выходным) сопротивлением Z_ист , как изображено на рис. 2.1, либо в виде независимого источника тока I_{ист.к.з.}=Е_ист/Z_ист с параллельно подключенным к нему тем же сопротивлением Z_ист или, иначе говоря, с выходной проводимостью Y_ист=1/Z_ист , под действием которого (того или другого) на входе усилителя возникают входной ток I_вх и входное напряжение U_вх сигнала, и, следовательно, ко входу подводится мощность Р_вх сигнала.

Сам усилитель представляют в виде зависимого активного четырехполюсника , то есть со стороны входа усилителя – в виде входного сопротивления Z_вх , которое будет являться сопротивлением нагрузки для источника сигнала (определяя вместе с последним величину входного тока I_вх и входного напряжения U_вх сигнала), а со стороны выхода – либо в виде зависимого источника ЭДС Е_вых с выходным (внутренним) сопротивлением Z_вых, как показано на рис.2.1, либо в виде зависимого источника тока I_{вых.к.з.}=Е_вых/Z_вых с тем же выходным сопротивлением Z_вых (или выходной проводимостью Y_вых=1/Z_вых), причем Е_вых и I_{вых.к.з.} пропорциональны входному напряжению U_вх или входному току I_вх усилителя. Под действием этого зависимого источника в выходной цепи усилителя (в нагрузке) возникают выходной ток I_вых, выходное напряжение U_вых и выделяется мощность Р_вых усиленного сигнала.

Нагрузку представляют в виде сопротивления Z_н.

При определении параметров зависимых источников ЭДС и тока Е_вых, I_{вых.к.з.}, Z_вых, Y_вых и Z_вх используют эквивалентные электрические схемы (электрические модели) УЭ по сигналу и статические и динамические характеристики УЭ (аналитический и графоаналитический методы анализа и расчета усилителей).

В общем случае все приводимые в эквивалентных схемах величины (за исключением мощностей) имеют комплексный характер и зависят от частоты сигнала, что обусловлено нестационарными (переходными) процессами в цепях усилителя в областях высоких и низких частот его полосы пропускания, вызываемых влиянием реактивных элементов схемы (индуктивностей и емкостей), а также влиянием инерционных свойств УЭ (на высоких частотах). При этом все сопротивления Z_ист, Z_вх, Z_вых и Z_н будут содержать кроме резистивных составляющих сопротивлений, соответственно, R_ист, R_вх, R_вых и R_н, и реактивные составляющие сопротивлений, соответственно, jX_ист, jX_вх, jX_вых, jX_н, то есть Z_ист =R_ист jX_ист, Z_вх=R_вхjX_вх, Z_вых=R_выхjX_вых, Z_н=R_нjX_н.

Следует отметить, что для практики особый интерес представляют случаи, когда влиянием реактивных составляющих сопротивлений можно пренебречь в виду малости этого влияния, например, в области средних частот (области установившегося режима). В этих случаях все сопротивления становятся резистивными и независящими от частоты, то есть Z_ист=R_ист, Z_вх=R_вх, Z_вых=R_вых, Z_н=R_н (см. на рис. 2.1 символы в скобках), а, следовательно, и все ЭДС, напряжения и токи становятся действительными и независящими от частоты, то есть Е_ист=Е_ист, U_вх=U_вх, Е_вых=Е_вых, I_{вых.к.з.}=I_{вых.к.з.}, U_вых=U_вых, I_вых=I_вых.

Простейший усилитель содержит один УЭ с пассивными элементами связи (ЭС), например, резисторами, конденсаторами, трансформаторами, соединяющими УЭ с источником сигнала, с нагрузкой и с источником питания и создающими ему наивыгоднейшие условия работы. На структурной схеме УЭ и ЭС изображаются одним активным четырехполюсником (как на рис. 2.1).

На практике для получения необходимого усиления одного УЭ может оказаться недостаточно и тогда в усилителе используются несколько УЭ, соединенных так, что сигнал, усиленный одним УЭ, с помощью пассивных элементов связи (ЭС) подводится ко входу следующего УЭ для последующего усиления и т.д. При этом один УЭ и отнесенные к нему ЭС образуют усилительный каскад (или иначе, каскад усиления) – наименьшую часть усилителя , сохраняющую его функции, а все каскады вместе взятые образуют многокаскадный усилитель. На структурных схемах каждый усилительный каскад изображается в виде активного четырехполюсника.

На рис. 2.3 в порядке иллюстрации приведена структурная схема трехкаскадного усилителя, где каскады – активные четырехполюсники К₁, К₂, К₃, входящие в состав усилителя, соединены между собой каскадно. Ко входу этого трехкаскадного усилителя подключен источник сигнала (Е_ист, Z_ист), а к выходу – нагрузка (Z_н).

Самым мощным каскадом многокаскадного усилителя является выходной (оконечный) каскад (в данном примере каскад К₃), который обеспечивает в нагрузке требуемые мощность Р_вых, напряжение U_вых и ток I_вых. Он потребляет от собственного источника питания наибольшую мощность Р₀₃. Ему предшествуют каскады предварительного усиления (в приведенной схеме входной К₁ и предвыходной или предоконечный К₂), предназначенные для предварительного усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы выходного каскада К₃. Они потребляют от собственного источника питания небольшую мощность (Р₀₁+Р₀₂). Все каскады – активные четырехполюсники К₁, К₂, К₃ входят в состав общего активного четырехполюсника К=К₁К₂К₃, представляющего трехкаскадный усилитель в целом (см. на схеме рис. 2.3 большой пунктирный прямоугольник).

Как видно из схемы рис. 2.3 входной каскад К₁ с одной стороны является нагрузкой Z_вх1 для источника сигнала усилителя Е_ист, Z_ист, а с другой стороны – зависимым источником сигнала Е_вых1, Z_вых1 для следующего, предвыходного каскада К₂, который, в свою очередь, является нагрузкой Z_вх2 для входного каскада К₁ и зависимым источником сигнала Е_вых2, Z_вых2 для выходного каскада К₃, а выходной каскад К₃, являясь нагрузкой Z_вх3 для предвыходного каскада, будет зависимым источником сигнала Е_вых3, Z_вых3 для нагрузки усилителя Z_н.

Энергетические показатели многокаскадного усилителя зависят в основном от выходного каскада, поэтому в нем широко используют специальные (двухтактные) схемы с экономичными режимами работы УЭ (например, режимы “B”, “AB” и др.).

Забегая вперед, можно отметить, что выходной каскад по двухтактной схеме называют выходным двухтактным каскадом. Это сложный каскад, представляющий собой своеобразную комбинацию двух простых (однотактных) каскадов.

Кроме двухтактных каскадов, в усилителях широкое применение находят и другие сложные каскады, тоже представляющие собой своеобразную комбинацию двух простых каскадов, такие, как дифференциальный каскад, который, вследствие ряда достоинств, широко используется в качестве входного каскада в операционных усилителях (ОУ), и, так называемая каскодная схема, часто применяемая в силу своих достоинств в усилителях радиочастоты (УРЧ) радиоприемников и в усилителях видеосигналов (УВС), усиливающих сигналы с выхода передающей телевизионной трубки (ПТТ), как показано на рис.1.2 (см. главу 1) и. т. д.

В заключение этого раздела следует отметить, что в усилителях для улучшения их показателей широко используется отрицательная обратная связь (ООС), которой охватывают либо один каскад (как правило, выходной), либо группу каскадов (например, предвыходной и выходной), либо весь усилитель в целом (например, в операционных усилителях). Кроме ООС в усилителях применяются различные виды регулировок его параметров, например, регулировка усиления, регулировка тембра и т.д.