2. Классификация электронных усилителей

Как уже отмечалось в предыдущих разделах, свойства усилителя и его конструктивно-технологические особенности зависят от свойств усиливаемого электрического сигнала, характеризуемых формой и спектром частот сигнала, и от назначения устройства и системы, в состав которых он входит.

Поэтому усилители, прежде всего, классифицируют по свойствам усиливаемого электрического сигнала - по его форме и спектру частот.

По форме электрические сигналы принято подразделять на гармонические и импульсные.

К гармоническим сигналам относят непрерывные периодические и квазипериодические сигналы различной формы и величины. Простейшим гармоническим сигналом является сигнал, содержащий одну гармоническую составляющую, то есть изменяющийся по синусоидальному или косинусоидальному закону. На рис. 2.2а,б приведен пример сложного гармонического сигнала. Типичным примером сложных гармонических сигналов являются сигналы речи и музыки, то есть сигналы звуковых частот. Эти сигналы допускают в процессе усиления неодинаковое смещение во времени отдельных его гармонических составляющих, так как восприятие таких сигналов органами слуха мало зависит от такого смещения, несмотря на возникающие при этом изменения формы сигнала.

Усилители, предназначенные для усиления таких сигналов, называются усилителями гармонических сигналов или гармоническими усилителями. Примером гармонических усилителей являются усилители звуковых частот (у них f_н=20Гц и f_в=20кГц), широко применяемые как в качестве важнейших функциональных узлов таких сложных устройств, как радиопередающие и радиоприемные устройства, так и в качестве самостоятельных или выделенных устройств (например, усилители всевозможной аудиоаппаратуры, усилители оконечных станций радиотрансляционных узлов и т.д.). Оценку свойств гармонических усилителей проводят по амплитудно-частотной и фазочастотной характеристикам (АЧХ и ФЧХ).

Следует отметить, что к гармоническим сигналам относятся и радиосигналы, модулированные сигналами звуковой частоты, излучаемые радиопередающей антенной и принимаемые радиоприемной антенной. Следовательно, усилители радиочастоты (УРЧ) в радиопередающем и радиоприемном устройствах и усилители промежуточной частоты в радиоприемном устройстве в этом случае тоже будут относиться к гармоническим усилителям.

Импульсными сигналами называются сигналы, имеющие форму прямоугольных, трапецеидальных, треугольных и т.п. импульсов различной длительности, как одиночных, так и повторяющихся, как однополярных, так и двуполярных. Принято считать, что типичным примером импульсного сигнала является ступенчатый (единичный) сигнал и одиночные или повторяющиеся прямоугольные импульсы различной длительности. Если импульсы периодически следуют друг за другом, то их характеризуют частотой (периодом) повторения. В этом случае отношение длительности периода повторения к длительности импульса называется скважностью импульса, а обратная величина называется коэффициентом заполнения.

К импульсным сигналам относят видеосигналы (состоящие из сигналов изображения, синхронизирующих, гасящих и др. импульсов), сигналы импульсных систем связи, телеграфные и фототелеграфные сигналы, цифровые сигналы т.д.

Усилители импульсных сигналов называются импульсными усилителями.

Следует отметить, что спектр частот импульсных сигналов в зависимости от диапазона их длительности может быть очень широким. Полоса пропускания частот импульсных усилителей должна соответствовать этой ширине спектра частот, то есть должна быть тоже очень широкой.

Для импульсных сигналов смещение во времени отдельных гармонических составляющих спектра частот из-за переходных процессов в цепях усилителя, вызываемых влиянием реактивных элементов схемы (емкостей, индуктивностей) и инерционных свойств УЭ, приводит к нежелательным искажениям формы импульсов и, как следствие, к ухудшению качества работы устройств и систем, в состав которых входит импульсный усилитель, и, в частности, в телевидении – к искажениям изображения на экране кинескопа, к которым очень восприимчивы наши органы зрения.

Оценку свойств импульсных усилителей проводят по переходной характеристике.

По протяженности занимаемого спектра и абсолютным значениям частот электрические сигналы подразделяют на два вида.

К электрическим сигналам первого вида относят сигналы с широким спектром частот, характеризующимся большим отношением граничных частот спектра f_макс/f_мин >>1. Это могут быть и гармонические и импульсные сигналы. К ним относятся сигналы звуковых частот от микрофона, видеосигналы от передающей телевизионной трубки, сигналы фототелеграфного аппарата и т.д.

К сигналам второго вида относят узкополосные сигналы, для которых отношение f_макс/f_мин  1,1 . Типичным примером таких сигналов являются модулированные радиочастотные сигналы, составляющие спектра которых сосредоточены около несущей частоты. К сигналам второго вида относятся также некоторые немодулированные сигналы сравнительно низкой частоты, с которыми приходится иметь дело в измерительной технике и т.д.

Для усиления сигналов первого вида должны использоваться усилители с большим отношением высокой и низкой граничных рабочих частот полосы пропускания усилителя f_в/f_н>>1, так как граничные частоты усилителя должны соответствовать граничным частотам спектра сигнала, то есть f_в f_макс и f_н  f_мин. Такие усилители называют апериодическими, их нагрузка не обладает избирательными (селективными) свойствами. Они получили наибольшее распространение. Среди них выделяют усилители переменного тока и усилители постоянного тока (УПТ). Усилители переменного тока усиливают только переменные составляющие в спектре сигнала, то есть усиливают сигналы в полосе частот от f_н > 0 до f_в. Усилители же постоянного тока(УПТ) усиливают не только переменные, но постоянную составляющую в спектре сигнала , то есть усиливают сигналы в полосе частот от f_н =0 до f_в.

К апериодическим усилителям переменного тока относятся ранее упомянутые гармонические усилители звуковой частоты с граничными частотами f_н 20 Гц и f_в 20 кГц, гармонические широкополосные усилители с f_н порядка единиц герц и f_в порядка единиц мегагерц, импульсные усилители, которые, как уже отмечалось выше, также должны иметь широкую полосу пропускания частот, и их относят по этому признаку к широкополосным усилителям, и в частности, видеоусилители, усилители фототелеграфных сигналов, усилители импульсных систем связи, апериодические усилители радиочастоты, усилители распределенного усиления и т.д.

К апериодическим усилителям постоянного тока относятся широко распространенные операционные усилители (ОУ), которые в виду присущей им универсальности применения считают основой элементной базы современной электроники.

Следует отметить, что схемотехника апериодических усилителей составляет основу схемотехники устройств РС, РВ и ТВ. Поэтому рассмотрению вопросов схемотехники и теории этих усилителей в дисциплине “Схемотехника устройств РС, РВ и ТВ” уделено большое внимание.

Для усиления сигналов второго вида, характеризующихся отношением f_макс/f_мин 1,1 используют усилители с отношением высокой и низкой граничных частот полосы пропускания f_в/f_н 1,1. Такие усилители называют избират-ельными (селективными), их нагрузка обладает избирательными свойствами. Теория и схемотехника таких усилителей базируется на теории и схемотехнике апериодических усилителей. Но они имеют и свои специфичные схемные решения.

Примером таких усилителей являются усилители радиочастоты (УРЧ) в радиопередающих и радиоприемных устройствах и усилители промежуточной частоты (УПЧ) в радиоприемных устройствах для разных частотных диапазонов. В УРЧ в качестве нагрузки широко применяются резонансные и полосовые фильтры на базе LC элементов, в УПЧ используются многоконтурные фильтры сосредоточенной селекции, электромеханические фильтры, фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а также дискретные и цифровые фильтры. Подробно эти усилители рассматриваются в дисциплинах “Радиоприемные устройства” и “Радиопередающие устройства”. В дисциплине же “Схемотехника устройств РС, РВ и ТВ” рассматриваются только их особенности в сравнении с апериодическими усилителями.

Усилители также классифицируются по роду используемых в них УЭ. По этому признаку усилители подразделяют на полупроводниковые, иначе говоря транзисторные (на БТ и ПТ), как в дискретном, так и в интегральном исполнении (на ИМС, в том числе на ОУ), ламповые, магнитные, диэлектрические и т.д.

Усилители также различают по технологическому исполнению, типу питания, числу каскадов, назначению и т.д.