Введение

Физические основы электроники (ФОЭ) — это научно-техническое направление, охватывающее проблемы исследований, конструирования, изготовления и применения электронных приборов и устройств, способствующее разработке эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя дальнейшее развитие, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

К электронным приборам принято относить устройства, содержащие один или несколько каналов электрического тока, обладающих несимметричной электропроводностью и представляющих физически одно целое. Электрический ток обусловлен потоком элементарных носителей заряда, основными среди которых являются электроны. Движение носителей зарядов может обеспечиваться в вакууме (электронные приборы), в ионизированной среде инертных газов или паров ртути (ионные приборы), в кристаллической решетке полупроводников (полупроводниковые приборы).

Электроника условно делится на силовую и информационную. Силовая электроника является основой техники преобразования электрической энергии одного рода тока в другой. Она используется при создании электронных преобразователей электрической энергии. Информационная электроника представляет собой область разработки и применения средств кодирования, преобразования и передачи информации. Характерными сферами ее применения являются радиосвязь, передача данных на расстояние, автоматика, телемеханика, вычислительная техника. Она является основой современных информационных технологий.

Электроника во многом определяет темпы научно-технического прогресса, технико-экономический и оборонный потенциалы государства. Применение электроники в различных отраслях народного хозяйства определяется ее важными особенностями, приоритетными из которых являются наименьшие размеры и масса оборудования и устройств, высокая надежность, чувствительность, универсальность применения, экономичность и экологичность.

1 Литературный обзор

Усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Превышение мощно­сти, выделяемой в нагрузке усилителя, над мощностью источ­ника входного сигнала достигается за счет энергии источни­ков питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в полезную нагрузку. Структурная схема электронного усилителя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема электронного усилителя.

Усилитель можно рассматривать как активный четырех­полюсник. К входным зажимам подключается источник уси­ливаемых электрических сигналов, к выходным — нагрузка. Вход и выход усилителя обычно имеют общую точку, которая заземляется. Источником входных сигналов может быть либо датчик, либо другой электронный усилитель, уровень выход­ного сигнала которого необходимо повысить. На структур­ной схеме (Рисунок 1) источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения Еr имеющего внутреннее сопро­тивление Rr. Источник сигнала подключен к усилителю па­раллельно его входному сопротивлению:

(1.1)

Усилитель со стороны выхода можно представить или в виде генератора напряжения или в виде генератора тока с внутренним сопротивлением Rвых, подключенным к нагрузке.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивле­ния источника входного сигнала Rr, и входного сопротивле­ния усилителя Rвх источник сигнала может работать в режиме холостого хода (Rвх >> Rr), короткого замыкания (Rвх << Rr) и согласования (Rвх = Rr). Исходя из этого усилитель можно на­звать усилителем напряжения (с потенциальным входом), уси­лителем тока (с токовым входом) или усилителем мощности.

По соотношению между выходным (Rвых) и нагрузочным (Rн) сопротивлениями усилители можно разделить на усили­тели с потенциальным (Rвых >> Rн), токовым (Rвых << Rн) и мощностным выходом (Rвых = Rн).

По характеру потребления электрической энергии в на­грузке на практике обычно различают усилители соответст­венно напряжения, тока и мощности.

Нагрузкой усилителя может быть не только потребитель электрической энергии, но и вход другого усилителя. В этом случае усилитель представляет собой цепочку и является многокаскадным. Первый каскад называют входным, предпоследний – предвыходным, а последний – выходным или оконечным.

Усилители классифицируются по различным признакам: характеру усиливаемых сигналов, полосе усиливаемых частот, назначению усилителя и роду используемых усилительных элементов.

По характеру усиливаемых сигналов все усилители можно разделить на две группы:

– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления гармонических и квазигармонических (почти гармонических) сигналов различной величины и формы. К таким усилителям относятся: микрофонные, трансляционные и магнитофонные усилители, усилители воспроизведения грамзаписи, звукового кино, многие измерительные усилите­ли и другие;

– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления импульсных периодических и непериодических сиг­налов различной величины и формы.

К импульсным усилителям относятся усилители импульс­ных систем связи, усилители сигналов телевизионного изобра­жения (видеоусилители), импульсных радиолокационных уст­ройств, ЭВМ, усилители систем регулирования и управления.

По ширине полосы (диапазону) и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на группы:

– усилители постоянного тока (медленно меняющихся сигналов) в полосе частот от fн 0 до высшей рабочей частоты fв; усиливают как переменную, так и постоянную составляющую сигнала;

– усилители переменного тока, усиливающие переменные составляющие сигнала в полосе частот от fн до fв;

– усилители высокой частоты, предназначенные для усиления электрических колебаний модулированной вы­сокой частоты (радиосигналов, принимаемых антенной);

– усилители промежуточной частоты, усиливающие электрические сигналы модулированной промежуточной частоты, применяются в радиоприемных устройствах супергетеродинного типа;

– усилители низкой частоты (УНЧ); к ним относятся усилители звуковых частот;

– широкополосные усилители; усиливают широкую полосу частот (от единиц кГц до нескольких МГц);

– избирательные или селективные усилители, работающие в очень узкой полосе частот; их подразделяют на резонансные и полосовые;

– усилители прямого усиления;

– усилители с преобразованием.

Основными показателями, характеризующими свойства усилителя, являются: выходные и входные данные, коэффици­ент усиления, коэффициент полезного действия, частотная, фазовая, амплитудная и переходная характеристики, динами­ческий диапазон, уровень собственных помех и нелинейность.

К выходным данным относятся: номинальное (заданное техническими требованиями) выходное напряжение Uвых или выходная мощность Рвых, отдаваемые усилителем при работе на расчетную нагрузку. Сопротивление нагрузки усилителя Zн в общем случае комплексно, но выходное напряжение, ток и мощность обычно рассчитывают в условиях, когда можно пренебречь реактивными составляющими сопротивления на­грузки и считать последнее чисто активным и равным Rн.

При этом

(1.2)

(1.3)

Если нагрузкой усилителя является емкость С_н, то обычно задают только выходное напряжение усилителя U_вых, которое он должен обеспечивать на зажимах этой емкости.

К выходным данным усилителя относится и его выходное сопротивление Z_вых, которое не всегда является существенным параметром.

Основными входными данными усилителя являются: его входное сопротивление Z_вх и номинальное входное напряже­ние U_вх, при котором усилитель отдает заданное технически­ми требованиями напряжение или мощность в нагрузку.

Номинальное входное напряжение усилителя должно быть равно или меньше выходного напряжения источника сигнала, от которого работает усилитель.

При активном входном сопротивлении усилителя R_вх:

(1.4)

(5.5)

Источником сигнала для усилителей могут являться раз личные приборы, а потому данные источников сигнала очень разнообразны.

Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления напряж­ения К_U или просто коэффициентом усиления усилителя называ­ют отношение его выходного напряжения U_вых к входному U_вх:

(1.6)

Этот коэффициент является одним из основных показате­лей, характеризующих работу усилителя напряжения:

(1.7)

В общем случае коэффициент усиления усилителя гармо­нических сигналов является комплексной величиной, характе­ризуемой модулем и фазовым углом, так как выходное на­пряжение из-за наличия реактивных элементов в усилителе и нагрузке не совпадает по фазе с входным напряжением. Для усилителей импульсных сигналов по этим же причинам ко­эффициент усиления является функцией времени, так как вы­ходное напряжение при подаче на вход скачка напряжения изменяется с течением времени.

Влиянием реактивных элементов усилителя и нагрузки можно пренебречь в области средних рабочих частот — для усилителей гармонических сигналов; в течение небольшого времени после окончания процесса установления фронта им­пульсов — для усиления импульсных сигналов. В этих усло­виях коэффициент усиления усилителя гармонических сигна­лов является действительной величиной, а коэффициент уси­ления усилителя импульсных сигналов не зависит от времени.

Кроме коэффициента усиления по напряжению, пользу­ются еще коэффициентами усиления по току и мощности:

(1.8)

(1.9)

Коэффициенты усиления представляют собой безразмер­ные величины.

Так как восприятие органов чувств человека подчиняются логарифмическому закону, коэффициент усиления часто вы­ражают в логарифмических единицах – децибелах (радио­технике, радиовещании, импульсной технике) или в неперах (в технике проводной связи).

Коэффициент усиления из абсолютного значения перево­дят в децибелы и обратно по следующим выражениям:

(1.10)

(1.11)

(1.12)

Коэффициент усиления по току:

(1.13)

(1.14)

(1.15)

Коэффициент усиления по мощности:

(1.16)

(1.17)

(1.18)

Для перевода коэффициента усиления из децибел в неперы число децибел достаточно разделить на 8,68, а при обрат­ном переходе — умножить на эту величину.

Усиление равно одному децибелу, если на­пряжение на выходе усилителя в 1,12 раза (на 12 %) больше, чем напряжение на входе.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления в относительных единицах равен произведению ко­эффициентов усиления отдельных каскадов:

(1.19)

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, вы­раженный в децибелах или неперах, представляет собой сум­му коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя выраженных в тех же единицах; т.е.

(1.20)

Коэффициент полезного действия усилителя (КПД) пред­ставляет собой отношение мощности Р_вых, отдаваемой усили­телем в нагрузку, к суммарной мощности Р, потребляемой им от источника питания:

(1.21)

Коэффициент полезного действия является важным показа­телем для усилителей средней и особенно большой мощности [1].

Усилители мощности. Принято считать усилителями мощности каскады, у которых полезная мощность, выделяемая в нагрузке, соизме­рима с максимальной допустимой мощностью, рассеивае­мой транзистором. В соответствии с этим усилители могут быть малой мощности (Рвых < 0,Звт), средней мощности (Рвых = 0,3—3 вт) и большой мощности (Рвых > 3 вт). Каж­дая из описанных ранее схем усилителей напряжения может быть использована в качестве усилителя малой мощности, но для этого необходимо соответствующим образом подо­брать величину оконечной нагрузки. В любительской прак­тике чаще всего приходится иметь дело с усилителями мощности относительно низких частот, от нескольких десятков герц до нескольких десятков килогерц. Oбecпeчить равномерное усиление в столь широком диапазоне частот можно только с помощью широкополосных аперио­дических усилителей мощности, о которых и пойдет речь.

Если нагрузка согласуется с выходным каскадом с по­мощью трансформатора, то такой усилитель называется усилителем с трансформаторным выходом. Усилители, в ко­торых согласование с нагрузкой осуществляется без исполь­зования выходного трансформатора, называют усилителями с бестрансформаторным выходом. Усилители, у которых нет трансформаторов ни на входе, ни на выходе, называ­ются бестрапсформаторными.

Усилители мощности могут быть однотактными и двух­тактными.

Однотактным называется каскад, имеющий один или несколько транзисторов, включенных в параллель и рабо­тающих непрерывно,

В двухтактном каскаде имеется четное количество тран­зисторов, которые разбиты на две группы или два плеча, работающие поочередно, последовательно во времени.

Другой важной характеристикой является положение начальной рабочей точки на характеристике транзистора. Однотактный каскад может иметь либо фиксированное сме­щение, не изменяющееся в процессе работы, либо переменное, которое может меняться вручную или автоматически. В последнем случае режим называется «со скользящей рабочей точкой». Двухтактные каскады чаще всего работают в одном из трех режимов, называемых режимами класса А, В и АВ.

В режиме класса А устанавливается такое начальное смещение, при котором коллекторный ток имеет большую величину. В режиме класса В, наоборот, устанавливается смещение, при котором коллекторный ток очень мал. Режим класса АВ является промежуточным между А и В.

Каждая из перечисленных схем имеет свои преимуще­ства и недостатки. Представляет интерес рассмотреть осо­бенности основных схем с выявлением их положительных и отрицательных качеств [1].

Однотактные усилители мощности. Это наиболее простые усилители, содержащие обычно один транзистор, в чем их основное преимущество перед двухтактными усилителями, содержащими не менее двух транзисторов. Чаще всего они имеют выходной согласующий трансформатор, позволяющий обеспечить согласование с нагрузкой.

Рисунок 2 – Схема однотактного усилителя мощности

с транс­форматорным выходом.

Однотактный каскад отличается простотой конструкции, но зато является весьма неэкономичным , поскольку на кол­лекторе постоянно рассеивается мощность более Рвых.макс. независимо от того, есть сигнал или его нет. Кроме того, работа при большом токе коллектора, исчисляемом десят­ками и сотнями миллиампер, приводит к значительному снижению входного сопротивления (до нескольких Ом). В связи с этим возникают определенные трудности, свя­занные со стабилизацией режима работы однотактного кас­када и его согласованием с предшествующим усилителем напряжения. Осуществляется это обычно с помощью согла­сующего каскада по схеме с общим коллектором или об­щим эмиттером с непосредственной или трансформаторной связью.

Однотактные усилители применяются главным образом в маломощных устройствах. Для получения большой вы­ходной мощности обычно применяются двухтактные усили­тели, отличающиеся высоким к. п. д. и значительно лучшим использованием возможностей транзисторов [1].

Двухтактные усилители мощности с трансформаторным входом. Двухтактный усилитель представляет собой сочетание двух одинаковых однотактных каскадов с общей нагруз­кой, а напряжение сигнала на входы этих каскадов пода­ется в противофазе. Это значит, что, когда ток одного транзистора увеличивается, ток другого уменьшается и может даже совсем прекратиться. Двухтактные усилители мощ­ности могут быть с трансформаторным и бестрансформа­торным выходом.

Двухтактный усилитель мощности с трансформаторным выходом. Усилитель мощности с трансформаторным выходом (рисунок 3) имеет нагрузку в виде первичной обмотки транс­форматора Тр2. Напряжение сигнала на базы транзисторов подается в противофазе относительно средней точки обмотки II трансформатора Тр1, на которую подается на­чальное смещение.

Рисунок 3 - Схема двухтактного усилителя мощности

с трансформаторным выходом.

Двухтактные усилители мощности с бестрансформаторным выходом. Усилители этого типа все шире применяются как в люби­тельских, так и в промышленных конструкциях. Отсутст­вие громоздкого выходного трансформатора, высокий к. п. д., простота устройства и конструкции делают их весьма Перспективными.

Главной особенностью усилителей с бестрансформатор­ным выходом является последовательное питание транзи­сторов по постоянному току и параллельное по переменному. Это требует повысить напряжение источника питания до величины Е применяемых в выходном каскаде транзи­сторов. Получили распространение каскады по схеме с об­щим эмиттером и общим коллектором на одинарных или 'составных транзисторах.

Каскады по схеме с общим эмиттером обеспечивают значительное усиление как по напряжению, так и по мощ­ности. Каскады по схеме с общим коллектором обеспечи­вают достаточное усиление по мощности и не дают усиления по напряжению, но зато имеют малые искажения сигнала по сравнению с каскадами с общим эмиттером.

На рисунке 4 приведена cхема оконечного каскада с бестрансформаторным выходом на двух транзисторах VТ1 и VТ2, включенных по схеме с общим Эмиттером. Особенностью схемы на рисунке 4 является наличие двух одинаковых по напряжению и мощности источников питания Е1 и Е2, включенных последовательно. По­следовательно по постоянному току включены также оба транзистора, вследствие чего оказывается возможным заземлить среднюю точку источников питания, а вместе с ней и один из выводов сопротивления нагрузки r . При этом, за счет того что входное напряжение к каждому транзистору подводится от отдельной обмотки трансформатора Тр1, по отношению к нагрузке транзисторы VТ1 и VТ2 оказываюся включенными по схеме с общим эмиттером. Для уменьшения влияния внутреннего сопротивления источников пита­ния на работу каскада последние зашунтированы по пере­менному току конденсаторами Сп.н, имеющими большую емкость.

Рисунок 4 – Схема двухтактного усилителя мощности

с бестрансформаторным выходом.

Наличие двух раздельных обмоток II и III во входном трансформаторе Tpl потребовало применения раздельных делителей напряжения смещения в базовых цепях каждого транзистора VТ1 и VТ2, R и R 2. Следует подчеркнуть, что качество работы каскада во многом зависит от правильности выбора сопротивлений этих резисторов, который делается исходя из следующих соображений.

Основным достоинством усилителя с бестрансформаторным выходом по схеме на рисунке 11 является его высокая экономичность, хорошее использование усилительных свойств транзисторов, а также большое усиление мощности сигнала, обусловленное работой транзисторов по схеме с общим эмит­тером. Но все же наличие входного согласующего трансфор­матора, который должен отвечать весьма высоким требо­ваниям по симметричности выходных напряжений, создает определенные трудности при конструировании высокока­чественных усилителей мощности низкой частоты. В этом отношении более простыми по устройству являются пол­ностью бестрансформаторные усилители [1].

Бестрансформаторные усилители мощности. На рисунке 5 приведены схемы распространенных в любительской практике двухтактных усилителей мощности, в которых отсутствуют входные и выходные согласующие трансформаторы, а поэтому называемых бестрансформатор­ными усилителями мощности. Характерной особенностью бестрансформаторных усилителей является использование транзисторов различного типа проводимости , р-n-р и n-p-n. Именно благодаря этому удается отказаться в этих усилителях от применения специальных входных трансформаторов. Правда, при этом приходится включать транзи­сторы по схеме с общим коллектором, что не позволяет в пол­ной мере реализовать большие потенциальные возможности усилительных свойств транзисторов. Но простота устройства бестрансформаторных усилителей делает их весьма перспективными для использования в любительских и про­мышленных конструкциях.

а)

2000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

б)

Рисунок 5 – Схемы бестрансформаторных усилителей мощности

на транзисторах с дополнительной симметрией при подключении

источника сигнала ко входу усилителя непосредственно (а),

через дополнительный повышающий трансформатор (б).

Усилитель по схеме рисунке 5 , а является наиболее про­стым. Он выполнен на двух транзисторах различной про­водимости VT1 и VТ2, которые включены по постоянному току последовательно. Нагрузка включается через пере­ходной конденсатор Сп.н. между эмиттерами транзисторов, соединенными вместе, и одним из проводов питания, обычно минусовым, как это и показано.

Достоинством каскада по схеме рисунка 5, а является про­стота устройства, а недостатком — малое усиление напря­жения К = 0,7 — 0,9. Поэтому для получения максималь­ной выходной мощности требуется подать на вход каскада напряжение сигнала с амплитудой, составляющей более 70% от напряжения источника питания Е. Получить такое напряжение можно несколькими путями.

На рисунке 5, б приведена схема каскада, в котором напря­жение вxoднoгo сигнала повышается с помощью дополни­тельного повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого содержит в 3-5 раз большее количество витков, чем первичная ( = 3-5 и более). Следует подчеркнуть, что в данном случае трансформатор Tpl является однофаз­ным, то есть у него лишь одна выходная обмотка. К такому трансформатору не предъявляются какие-либо специальные требования, главное, чтобы его обмотки имели соответству­ющее реактивное сопротивление и необходимый коэффи­циент трансформации. В качестве такого трансформатора могут быть использованы разного рода выходные трансфор­маторы от различных транзисторных и ламповых усилите­лей, что является преимуществом каскада по сравнению с рассмотренными ранее каскадами с трансформаторным и бестрансформаторным выходом. Наличие трансформатора Tpl не отражено в названии схемы, поскольку этот транс­форматор больше относится к предыдущему каскаду [1].