Усилитель — это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.
Функции, выполняемые усилителями, очень разнообразны. Они являются основными узлами радиотехнической аппаратуры и широко используются в различных устройствах автоматики и телемеханики. Усилители подразделяют по нескольким признакам, основные из которых: диапазон электрических частот, род усилительных элементов, междукаскадные связи. По диапазону частот электрических колебаний, в пределах которого обеспечивается удовлетворительная работа усилителя, их делят на усилители низкой (УНЧ) и высокой (УВЧ) частоты, широкополосные и постоянного тока; по роду усилительных элементов — на ламповые, полупроводниковые, магнитные; по назначению усилители делят в зависимости от выходной величины по отношению к входной — усилители напряжения, тока и мощности, которые в основном одинаковые по схемным решениям и отличаются лишь типами применяемых приборов и режимов работы. Междукаскадные связи усилителей бывают: резисторно-емкостные, трансформаторные, резисторно- трансформаторные и резонансные.
Основные характеристики усилителей
Основные характеристики усилителей:
— коэффициент усиления,
— диапазон усиливаемых частот,
— выходная мощность,
— номинальное входное напряжение (чувствительность),
— коэффициент полезного действия,
— динамический диапазон амплитуд и уровень помех,
— коэффициенты нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления — это отношение приращения выходного параметра к приращению входного параметра или отношение амплитуды выходного параметра к амплитуде входного параметра. Коэффициенты усиления напряжения ки, тока к1 и мощности kp имеют соответственно следующие выражения:
В ряде случаев бывает недостаточно одного усилительного каскада для получения необходимого значения усиливаемого параметра. В этом случае применяют многокаскадные усилители, состоящие из последовательно соединенных отдельных каскадов, как это показано на рис. 7.1. Обычно включают последовательно не более трех каскадов. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов k=k1+k2+k3+ ...kn
Для структурной схемы усилителя, изображенной на рис. 7.1
Коэффициенты усиления, определяемые по формуле (7.1), отвлеченные числа. Для оценки различных уровней величин применяют единицу измерения — децибел (дБ). Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, для оценки усиления напряжения и тока равен десятичному логарифму отношения выходной и входной величин, умноженному на 20, а для мощности — на 10. Последнее объясняется тем, что мощность пропорциональна квадрату напряжения или квадрату тока
(P = U2 / R = I2 R). (7.3)
Таким образом, для оценки усиления напряжения, тока и мощности будем иметь:
Обратный переход от децибелов к отвлеченному числу, например для оценки усиления напряжения, производят при помощи выражения ku = 10КидБ /20 . Если принять ^идБ = 1, то ku = 10КидБ /20 = 101/20 = 1,12. Это означает, что при усилении в один децибел получаем напряжение на выходе в 1,12 раза (на 12 %) больше входного напряжения. Ниже приводится перевод в децибелы некоторых значений коэффициента
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженный в тех же единицах:
20lgk = 20lgk1 + 20lgk2 + ... + 20lgkn. (7.7)
Сквозной коэффициент усиления. Этим показателем оценивают степени использования ЭДС тока или мощности источника сигнала в усилителях с малым входным сопротивлением, выполненным обычно на биполярных транзисторах.
Сквозной КУ по напряжению (именуемый иногда КУ по ЭДС) определяют как отношение установившегося значения амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя к амплитуде ЭДС источника сигнала/
Диапазон усиливаемых частот, или полоса пропускания усилителя — это область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям. Допустимые изменения коэффициента усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначений и условий работы усилителя. Усилители с узкой полосой пропускания дешевле широкополосных и менее подвержены воздействию различного вида помех.
Входная мощность на средних частотах, на которых входное сопротивление становится чисто активным, при воздействии синусоидального сигнала:
Выходная мощность — один из основных показателей усилителя, представляющий собой полезную мощность, развиваемую усилителем на сопротивлении нагрузки:
где RK — активная составляющая сопротивления нагрузки.
Номинальная выходная мощность — это наибольшая мощность, которую отдает усилитель в нагрузку при заданных величинах нелинейных и частотных искажений. Значение этой мощности колеблется от десятых долей ватта до нескольких десятков и сотен ватт. Увеличение выходной мощности выше номинальной вызывает искажения усиливаемых сигналов.
Номинальное входное напряжение (чувствительность) — это напряжение, которое необходимо подать на вход усилителя для получения номинальной выходной мощности. Входное напряжение зависит от типа источника усиливаемых сигналов и колеблется от десятков долей милливольта до нескольких вольт.
Подача на вход усилителя напряжения выше номинального приводит к значительным искажениям сигнала и называется перегрузкой со стороны входа.
Коэффициент полезного действия усилителя характеризует экономичность его работы и представляет собой отношение номинальной выходной мощности Рвых к мощности Робщ, потребляемой усилителем от всех источников питания:
Динамический диапазон амплитуд D — это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на выходе усилителя, выражаемое в децибелах:
Уровень наиболее слабого сигнала на выходе усилителя ограничивается его собственными шумами и уровнем помех.
Значение максимального напряжения на выходе ограничено искажениями, возникающими в усилительных приборах. Для увеличения динамического диапазона усилителя необходимо стремиться к уменьшению его собственных помех. Причины помех на выходе усилителя различны, но их можно разделить на три основные группы:
— тепловые шумы;
— шумы усилительных элементов; помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей.
Тепловые шумы возникают в результате направленного движения электронов (тока) в проводниковых и полупроводниковых элементах усилителя. Падения напряжения на этих элементах, возникающие вследствие протекания тока, не подчиняются какому-либо определенному закону, однако они воздействуют на работу усилителя, внося искажения в усиливаемый сигнал. Шумовые напряжения, вследствие случайного характера их возникновения, имеют различные частоты и фазы и охватывают всю полосу частот усилителя. Поэтому с увеличением полосы пропускания уровень шума возрастает, а так как значение напряжения помехи тепловых шумов незначительно (порядка 1—2 мкВ), то оно сказывается лишь при больших коэффициентах усиления.
Шумы усилительных элементов возникают вследствие неравномерного движения носителей электричества через усилительный элемент.
Помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей оказывают большое влияние на общий уровень помех усилителя. Уменьшение помех из-за пульсаций напряжения достигается применением сглаживающих фильтров на выходе источников питания, а от внешних электрических и магнитных полей — тщательной экранировки входных цепей усилителя. Значение напряжения суммы помех на входе усилителя должно быть значительно меньше напряжения усиливаемого сигнала; в противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал. Для устройства железнодорожной телемеханики полезный сигнал должен превышать уровень помех не менее чем на 15,6 дБ при частотной и на 24,3 дБ при амплитудной модуляции.
При усилении электрических сигналов большую роль играют нелинейные и частотные искажения.
Нелинейные искажения — это изменение формы входного сигнала на выходе усилителя, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую проходит этот сигнал. Основная причина появления нелинейных искажений в усилителе — нелинейность характеристик транзисторов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей железными сердечниками. В результате нелинейных искажений на выходе усилителя кроме полезного сигнала появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений, представляющего собой корень квадратный из отношения суммы высших гармонических составляющих мощности (токов, напряжений) к первой гармоничной составляющей усиленного сигнала. Допустимое значение коэффициента нелинейных искажений зависит от назначения усилителя, для усилителей радиоустройств и телефонии его значение от4до15 %, для усилительных устройств автоматики и телемеханики — значительно больше.
Частотные искажения вызываются изменением коэффициента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме усилителя реактивных элементов: конденсаторов, катушек индуктивности, р-n переходов полупроводников, емкости монтажа и т.п. Зависимость значения реактивного сопротивления от частоты не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широком диапазоне частот. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его частотной характеристике — зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.
Частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, в результате чего общий коэффициент частотных искажений можно получить не выходящим за пределы допустимых значений. Допустимые величины частотных искажений зависят от назначения усилителя.