2.2.1 Механизм усиления

Принцип усиления электрических сигналов в нелинейном резистивном четырехполюснике можно понять с помощью схемы, изображенной на рис.1 б). Это цепь постоянного тока, в которой последовательно относительно источника постоянной ЭДС включены линейный резистор и нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от управляющего электрического напряжения , то есть это электрически управляемый резистор.

Очевидно, ток в цепи может быть записан по закону Ома

(1)

Из (1) следует, что напряжение на входе меняет только сопротивление нелинейного резистора, что, в свою очередь, вызывает изменение тока в цепи. Напряжение на выходе схемы по закону Ома равно

,

(2)

то есть будет меняться при появлении сигнала на входе.

Изменение сопротивления управляемого резистора входным сигналом и есть механизм (принцип) усиления сигнала в нелинейной схеме рис.1 б).

Как видно из (2), величина и характер изменения напряжения на выходе определяется законом изменения сопротивления .

Для усиления изменение должно удовлетворять определенным требованиям.

Во-первых, изменение сопротивления должно быть значительным при малой затрате энергии источника сигнала.

В этом случае мощность, выделенная в нагрузке, может быть гораздо больше мощности источника сигнала, так как ток через обусловлен другим источником энергии – источником ЭДС .

Во-вторых, для усиления управляемый резистор должен меняться так, чтобы изменение тока в цепи было пропорционально входному сигналу, поскольку только при этом условии выходной сигнал не будет искажен (см.(2)).

Итак, в схеме рис.1 б) происходит преобразование энергии источника питания в энергию сигнала, за счет чего получается усиление мощности сигнала. Таким образом, все усилители – это усилители мощности, но часто полезным преобразованием является усиление тока или усиление напряжения. Поэтому в зависимости от типа входного воздействия усилители делятся на усилители тока, напряжения и мощности.

2.2.2 Режимы работы и основные параметры усилителей

Поскольку схема усилителя содержит нелинейный элемент, усиление всегда сопровождается нелинейными искажениями. Однако, если искажения формы усиливаемого сигнала невелики, то режим работы усилителя называют практически линейным, в противном случае – режим нелинейный.

В линейном режиме работы усилителя результат преобразования может быть описан для усилителя напряжения в виде:

,

(3)

где – коэффициент усиления по напряжению.

Коэффициент усиления является основной характеристикой усилителя и определяет его качество.

Так как любой сигнал состоит из набора гармонических напряжений различных частот, образующих его спектр, то искажение сигнала усилителем будет минимальным, если одинаково усиливаются все гармонические составляющие входного сигнала. В усилителях, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности, коэффициент усиления зависит от частоты гармонического сигнала.

Зависимость коэффициента усиления от частоты входного гармонического сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Очевидно, АЧХ показывает, как усиливаются различные гармоники спектра входного сигнала. В некоторых случаях АЧХ можно рассчитать, но чаще всего эта важная характеристика снимается экспериментально.

По типу АЧХ усилители делятся на усилители постоянного тока, усилители низкой частоты, широкополосные усилители и резонансные усилители высокой частоты. Типовые АЧХ для перечисленных усилителей показаны на рис.2, где также отмечены верхняя и нижняя границы полосы усиления. Полоса находится из условия, при котором коэффициент усиления на границах полосы уменьшается от максимального значения в раз.

Рис.2. Типовые АЧХ усилителей постоянного тока, усилителей низкой частоты, широкополосных усилителей и усилителей высокой частоты соответственно

Полоса усиления является второй важной характеристикой усилителя и тоже определяет его качество. Действительно, если не все гармоники спектра входного сигнала попадают в полосу усиления, то есть усиливаются по-разному, возникают искажения выходного сигнала по сравнению с входным, которые называются частотными искажениями. Частотные искажения существуют в усилителях даже в линейном режиме работы схемы, поэтому их часто называют линейными искажениями.

Рис.3. Типичная амплитудная характеристика усилителей

Практически линейный режим работы усилителя существует при достаточно малом входном сигнале, когда свойства нелинейного резистора проявляются в слабой мере. Поэтому качество усилителя определяется еще и амплитудной характеристикой, а именно, зависимостью амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя показан на рис.3, из которого видно, что линейная связь (3) между выходным и входным сигналами существует только при амплитудах входного сигнала меньше некоторого значения , которое определяет динамический диапазон усилителя - третью характеристику усилителя, определяющую его работу в линейном режиме. Динамический диапазон определяется следующим образом:

где - это среднеквадратичное напряжение шумов, действующих на входе усилителя ( ).

Динамический диапазон – третья характеристика усилителя, определяющая его работу в линейном режиме.

Входное и выходное сопротивления – еще два важных параметра, которые тоже определяют качество усилителя.

В нелинейном режиме работы усилителей, который наступает при увеличении амплитуды напряжения на входе, из-за нелинейности цепи возникают существенные искажения выходного сигнала по сравнению с входным и связь между ними не может быть описана линейным соотношением (3).

Больше того, при увеличении входного напряжения выше некоторого граничного уровня, напряжение на выходе усилителя практически не изменяется, и говорят, что усилитель работает в режиме ограничения сигнала.

Нелинейные искажения сигнала, возникающие при работе усилителей в нелинейном режиме, широко используются в радиоэлектронике для различных нелинейных преобразований сигналов, таких как детектирование, амплитудная модуляция, преобразование частоты и т. д.

Режим ограничения также широко используется в устройствах импульсной техники.