Усиление сигналов. 
Электроника

Под термином усиление обычно понимается увеличение интенсивности сигналов при сохранении неизменной их формы (спектра):

где k_xwk₂ — постоянные, существенно большие единицы (?, k₂ «1), не зависящие ни от времени, ни от частоты.

Очевидно, что усилители должны быть линейными устройствами и их усилительные свойства не должны зависеть ни от уровня сигнала, ни от его спектрального состава.

Из этого следует, что в усилителях должны использоваться линейные безынерционные элементы. Однако все активные элементы (интегральные микросхемы, биполярные и нолевые транзисторы, туннельные диоды и т. д.) являются в целом нелинейными элементами и линейны лишь на ограниченных участках амплитудных характеристик, а их усилительные свойства в большей или меньшей степени зависят от частоты управляющего сигнала, что обусловлено инерционностью происходящих в них процессов, а также наличием междуэлектродных емкостей, индуктивностей электродов и подводящих проводов.

И наконец, параметры сопротивлений нагрузки и согласующих и разделительных пассивных RCL-элементов в схемах многих усилителей зависят от частоты. Вследствие этих причин при усилении сигналов неизбежно происходят нелинейные, частотные и фазовые искажения их спектра, которые могут быть сведены в каждом конкретном случае к минимальному допустимому значению.

В общем случае неискажающий усилитель может быть выполнен как линейный (при ограничении динамического диапазона сигнала и линеаризации его нелинейной вольт-амиерной характеристики); нелинейный (с устранением возникающих побочных продуктов, обусловленных нелинейностью); параметрический (линейный и нелинейный).

В зависимости от спектра сигнала усилитель может пропускать относительно широкую полосу частот — от самых низких (иногда начиная от постоянного тока) до весьма высоких частот (сотни и тысячи мегагерц) или сравнительно узкую полосу частот, сосредоточенную вблизи некоторой центральной (несущей) частоты. В первом случае в усилителе должны использоваться апериодические (нерезонансные) нагрузочные и согласующе-разделительные цепи с минимальной зависимостью коэффициента передачи от частоты.

Усилители первого типа принято называть апериодическими. В зависимости от того, в какой части спектра сосредоточена главная часть энергии сигнала, апериодические усилители могут быть выполнены как усилители: постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов с полосой пропускания от нуля до сотен килогерц, а иногда — и до сотен мегагерц; напряжений звуковых частот (20 Гц — 20 кГц); как широкополосные и импульсные усилители, предназначенные для усиления сигналов, спектр которых может быть чрезвычайно широк — от долей герца до сотен мегагерц.

В случае относительно узкополосных сигналов высоких частот целесообразно применять в усилителях LC-резонансные нагрузочные и согласующе-разделительные цепи, имеющие достаточно плоские амплитудно-частотные и сравнительно линейные фазово-частотные характеристики лишь в узкой полосе частот, где сосредоточена главная часть спектра усиливаемого сигнала.

Применение резонансных цепей позволяет существенно увеличить усиление за счет резонансного увеличения токов и напряжений в колебательных /, С-контурах. Однако резонансные LC-контуры целесообразно использовать на сравнительно высоких частотах (выше нескольких сотен килогерц).

В области более низких частот обычно используют квазирезонанс — ные RC-цепи (активные фильтры).

В зависимости от полосы пропускания усилители с ограниченной полосой пропускания, располагающейся вблизи некоторой заданной частоты, делятся на узкои широкополосные.

К узкополосным обычно относят усилители, у которых отношение /"//"^в 1″ к широкополосным —/"//" > 1, где/" и/_в, соответственно нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания.

К важнейшим характеристикам усилителей относятся амплитуднофазовая и амплитудная.

Амплитудно-фазовая характеристика /((/со) называется обычно комплексным коэффициентом усиления (передачи). Коэффициент усиления определяется как отношение амплитудных или эффективных значений выходного синусоидального напряжения ко входному синусоидальному напряжению:

где /С (со) — амплитудно-частотная и ср (со) — фазово-частотная характеристики усилителя.

Амплитудная характеристика выражает зависимость выходного напряжения от входного: 0_пых = ^V (U_BX) при со = const.

Нелинейность амплитудной характеристики принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений.

где U_Xt U₂, U₃,…, U_n соответственно: напряжения основной частоты, 2-й, 3-й … и п-й гармоник на выходе усилителя при воздействии на входе синусоидального напряжения с основной частотой.

К основным параметрам усилителя, определяемым по амплитуднофазовой и амплитудной характеристикам, относятся: полоса пропускания; коэффициент усиления на некоторой средней частоте; динамический диапазон, в пределах которого усилитель может считаться линейным.

В общем случае на входе усилителя имеется пассивное звено (трансформатор, фильтр или делитель напряжения), позволяющее оптимально согласовать источник сигнала со входным усилительным каскадом, чтобы создать такие условия работы, при которых от источника сигнала отбирается максимальная мощность или передается максимальное напряжение, при этом нормальный режим работы источника сигнала не нарушается и его параметры существенно не изменяются.

Схема входного усилительного каскада выбирается в зависимости от типа усилителя, характера и величины сигнала и параметров источника сигнала. Основное требование, которому должен удовлетворять входной усилительный каскад, — это обеспечение максимального возможного линейного усиления при минимальном уровне собственных шумов.

Кроме того, часто требуется, чтобы входное сопротивление усилительного каскада было максимальным в заданной полосе пропускания. В ряде случаев входной усилительный каскад должен отвечать некоторым условиям симметрии, так как входное напряжение может вводиться как симметрично, так и несимметрично относительно корпуса («земли») прибора.

Усилители обычно выполняют многокаскадными: за входным каскадом следует один или несколько основных, усиливающих сигнал до необходимого уровня. При согласовании выхода одного усилительного каскада со входом следующего за ним каскада используются согласующие звенья, в качестве которых могут быть применены трансформаторы, фильтры, делители напряжений и т. д.

Для согласования усилителя с нагрузкой на его выходе часто ставится оконечный усилительный каскад. Оконечный каскад (усилитель мощности) рассчитывается на отдачу иногда весьма большой мощности в отличие от предыдущих усилительных каскадов, работающих в режиме усиления напряжения.

Для стабилизации коэффициента усиления, расширения полосы пропускания, уменьшения нелинейных искажений в усилителях обычно применяются отрицательные обратные связи, охватывающие не только отдельные каскады, но и весь усилитель в целом.

Выпускаемые в настоящее время в России усилители практически всех видов изготавливаются в виде интегральных микросхем и обозначаются четырехили пятиэлементным кодом.

Первый элемент — буква К или две буквы КР обозначают, что данная интегральная схема предназначена для широкого применения в не очень ответственной аппаратуре. Отсутствие первого элемента означает повышенное качество микросхем.

Второй элемент — цифра, определяющая конструктивное исполнение (1,5,6, 7 — полупроводниковые микросхемы, 2,4,8 — гибридные; 3 — пленочные, вакуумные или керамические).

Третий элемент — две или три цифры, указывающие на порядковый номер разработки.

Второй и третий элементы вместе обозначают серию микросхем, имеющих единое конструктивное исполнение и предназначенных для совместного использования (так как их входные и выходные параметры и напряжения источников питания согласованы).

Четвертый элемент обозначения — две буквы, определяющие функциональное назначение. При этом буквами УТ обозначаются усилители постоянного тока; УД — операционные усилители; УЕ — повторители; УИ — импульсные усилители; УН — усилители низкой (звуковой) частоты; УВ — высокочастотные усилители; УР — усилители промежуточной частоты; УМ — усилители индикации; УП — все остальные виды усилителей.

Пятый элемент — число, обозначающее порядковый номер микросхемы в данной серии.

В устаревших типах микросхем иногда присутствует и шестой элемент обозначения — буква (А, Б, В,…), указывающая на отличие данной микросхемы по какому-либо признаку (например, предельнодопустимому напряжению источников питания, собственным шумам и т. д.).

Например, К544УД1А — прибор общего назначения (буква К), полупроводниковый (цифра 5) серии 44, операционный усилитель (УД), номер первый в данной серии (1), имеющий малый уровень шумов (А).

Схемы включения усилительных приборов. У каждого из электронных приборов, основанных на управлении интенсивностью электронного потока, есть три основных вывода (клеммы), сделанные для включения прибора в электронную схему. Это выводы: 1) от источника электронов (катода, эмиттера или истока); 2) от управляющего элемента (управляющей сетки, базы или затвора); 3) от элемента, собирающего электроны (анода, коллектора или стока). Поэтому в принципе каждый из этих приборов можно включить в электрическую цепь шестью различными способами.

Однако усилительные свойства проявляются только в том случае, если входной сигнал действует между базой (управляющей сеткой, затвором) и эмиттером (катодом, истоком). Вследствие этого практический интерес представляют лишь три схемы включения.

Наиболее широко применяется схема, называемая усилителем с общим катодом (рис. 3.2, б); общим эмиттером (рис. 3.2, в) или общим истоком (рис. 3.2, г). Принцип работы таких усилителей поясняется на рис. 3.2, а, где символом R" обозначается электронный прибор, внутреннее сопротивление R" которого изменяется под действием входного управляющего сигнала С/_нх, вследствие этого изменяется ток i в цепи «источник питания Е_п — электронный прибор»:

и изменяется падение напряжения на внутреннем сопротивлении R_u (т. е. на выходе усилителя) Ц_яи%:

Если О, то и U_HЬ1Х->0. При R,—>(c)о имеем U_№UX—>?". Таким образом, усилитель по своей сути управляемый входным сигналом делитель напряжения источника питания ?", состоящий из сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления прибора. Вследствие этого максимальное напряжение U_bUX определяется напряжением источника питания Е_ю а эффективность работы усилителя зависит от степени управляемости внутреннего сопротивления электронного прибора входным управляющим сигналом.

Назначение ЛС-элементов в рассмотренных усилительных каскадах (см. рис. 3.2, б, в, г) следующие: резисторы R_n используются как сопротивления нагрузки. Резисторы /?_к, и R_ct включенные в цепь общего электрода (т. е. катода, эмиттера или истока), обеспечивают охват каскадов отрицательной обратной связью. Через резисторы R_ct R₍" Д, подается напряжение смещения на управляющие электроды, устанавливающее заданный линейный режим работы. Конденсаторы С, и С₂ — разделительные, отделяют полезные переменные составляющие усиливаемого сигнала от постоянных напряжений, действующих на электродах.

Рис. 3.2. Принцип действия (а) и схемы усилителей с общим катодом (б), с общим эмиттером (в) и общим истоком (г).

Для обеспечения линейности работы усилителя режимы работы используемых для его построения электронных приборов должны быть подобраны таким образом, чтобы нелинейность вольт-амперных характеристик приборов проявлялась как можно меньше.

В случае электронных ламп, полевых транзисторов с управляющим и-р-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором, работающих в режиме обеднения, это достигается подачей напряжения смещения на управляющий электрод в запирающей полярности. При этом напряжение смещения подбирается примерно равным половине напряжения запирания, называемого также напряжением отсечки, при котором электронный прибор практически полностью запирается и не пропускает через себя электрического тока.

Диаграмма работы электронного прибора в таком режиме приведена на рис. 3.3. В отсутствие входного сигнала на управляющем электроде действует напряжение смещения -{/_см (рис. 3.3, в), вследствие чего через электронный прибор протекает ток /₀, и на выходе имеется постоянное напряжение U₀ (рис. 3.3, б). Если на вход подается управляющий.

Рис. 3.3. Диаграмма работы усилительного каскада, выполненного на электронных приборах, работающих в режиме обеднения (электронных лампах или полевых транзисторах) по схеме с общим катодом (истоком).

сигнал U," то во время его положительных полупериодов суммарный управляющий сигнал f/_s>,_np = {/"" - U_c" стремится к минимальному значению. При этом внутреннее сопротивление электронного прибора также приближается к минимуму вследствие чего падение напряжения на нем, являющееся напряжением (/_вых, также минимально.

Во время отрицательных полупериодов входного управляющего сигнала напряжение суммарного сигнала увеличивается (по абсолютному значению) и может достигнуть напряжения U_M", при котором электронный прибор полностью закрывается и напряжение на выходе приближается к напряжению источника питания 11_ш% —> Е".

Таким образом, в рассматриваемой схеме входной и выходной сигналы (точнее, их приращения) находятся в противофазе («сдвинуты» по фазе на 180°). То есть выполненный по такой схеме усилитель является инвертирующим.

Биполярные транзисторы и полевые транзисторы с изолированным затвором, работающие в режиме обогащения, требуют подачи напряжения (тока) смещения в отпирающей полярности, ибо при U_zу«_р = 0 они заперты и тока не проводят. Диаграмма работы усилительного каскада на подобных электронных приборах приведена на рис. 3.4. И здесь происходит инверсия выходного сигнала (/_вых относительно входного.

Вторая, достаточно широко используемая схема включения, называемая повторителем, приведена на рис. 3.5. В зависимости от использусмого усилительного прибора схема называется катодным повторителем (рис. 3.5,6), эмиттерным повторителем (рис. 3.5, в) или истоковым повторителем (рис. 3.5, г).

Б отличие от предыдущих схем включения, обеспечивающих весьма большое усиление по напряжению, току и мощности, рассматриваемые схемы повторителей не усиливают сигналы по напряжению (однако усиливают их по току и мощности). При этом входной и выходной сигналы имеют одну и ту же фазу, т. е. повторители являются неинвертирующими усилителями.

Это объясняется тем, что в данных схемах усилители охвачены 100-процентной отрицательной обратной связью (рис. 3.5, а): все напряжение с выхода подается снова на вход и как бы ни был значителен возможный коэффициент усиления по напряжению К₀ используемого электронного прибора суммарный коэффициент принципиально не может быть больше единицы:

Рис. 3.4. Диаграмма работы усилительного каскада, выполненного на биполярных транзисторах, работающих в режиме обогащения по схеме с общим эмиттером.

так как Р = 1.

Назначение #С-элементов: резисторы R_H; и R" — сопротивления нагрузки и одновременно являются сопротивлениями в цепи отрицательной обратной связи. Резисторы R_c, R₆ и R_J используются для подачи напряжения смещения на управляющие электроды. Конденсаторы С1 и С2 необходимы для отделения постоянных составляющих от входных (U_HX) и выходных (U_ablx) переменных напряжений.

Рис. 3.5. Принцип действия (а) и схемы повторителей — катодного (б) эмиттерного (в) и истокового (г).

Третья схема включения — усилитель с общим («заземленным») управляющим электродом (управляющей сеткой, рис. 3.6, б; базой, рис. 3.6, в; затвором, рис. 3.6, г). Особенностью этой схемы является почти полное устранение межэлектродной обратной связи между входом и выходом, поскольку управляющий электрод заземлен или непосредственно, или через конденсатор большой емкости (рис. 3.6, a), что позволяет использовать эту схему включения на предельно высоких частотах усиливаемых сигналов.

Основным недостатоком этой схемы включения является низкое входное сопротивление (Я_вх, рис. 3.6, a; R_K> рис. 3.6, б; R₃, рис. 3.6, в; R", рис. 3.6, г), поскольку оно и не может быть большим, так как является также и сопротивлением отрицательной обратной связи, и чем это сопротивление больше, тем обратная связь глубже и тем меньше коэффициент усиления.

Вторая особенность этого усилителя — выходной сигнал находится в фазе с входным, так как во входной цепи усилителя происходит инверсия фазы управляющего сигнала, обусловленная заземлением.

Рис. 3.6. Принцип действия (а) и схемы усилительных каскадов с общим («заземленным») управляющим электродом: сеткой (6) базой (б) и затвором^.

управляющего электрода и подачей управляющего сигнала непосредственно на катод, эмиттер или исток. То есть выполненный по такой схеме усилитель является неинвертирующим.

Назначение пассивных /?С-элементов во всех рассмотренных усилительных схемах (рис. 3.2, 3.5, 3.6) следующее: конденсаторы С1, С2 — разделительные, пропускают только переменные составляющие напряжений сигналов, отделяя их от постоянных напряжений, действующих на электродах. Резисторы R_c в цепи управляющих сеток электронных ламп (рис. 3.2, б 3.5, 6 3.6, 6) необходимы для подачи напряжения смещения и обеспечения пути постоянному току управляющей сетки (обусловленному, в основном, постоянной составляющей тока положительных ионов, которые оседают на управляющую сетку). Помимо этого резисторы R_c являются разрядными и отводят заряд, который возникает на конденсаторах С1 при больших уровнях входных сигналов из-за появления токов управляющих сеток (во время положительных полупериодов сигналов).

Резисторы R" используются в качестве нагрузочных.

Резисторы R_K обеспечивают отрицательную обратную связь и напряжение автоматического смещения на управляющей сетке (рис. 3.2, б рис. 3.5, б; рис. 3.6, б).

Подобные функции выполняют резисторы Л, R" в цепях эмиттеров биполярных и истоков полевых транзисторов (рис. 3.2, в, г; рис. 3.5, в, г; рис. 3.6, в, г).

Резисторы R₆ в цепи баз биполярных транзисторов обеспечивают подачу постоянного напряжения в отпирающей (прямой) полярности на и-р-переходы база-эмиттер (рис. 3.2, в; 3.5, в; 3.6, в).

Помимо трех основных видов рассмотренных усилительных каскадов, выполненных на основе одного электронного прибора, в современной электронике (особенно в интегральной полупроводниковой микроэлектронике) широко используют сложные, составные каскады.

В частности, на рис. 3.7, а приведена схема составного транзистора (схема Дарлингтона), работающая как двухкаскадный эмиттерный повторитель и обеспечивающая большой коэффициент усиления по току: Рг ~ Р, Р₂> где Р, и р₂ — коэффициенты усиления по току соответственно транзисторов VT1 и VT2. Помимо большого усиления по току составной транзистор имеет большое входное сопротивление R_KxZ = Р, Р₂/?,.

Для увеличения быстродействия и повышения температурной стабильности в схему обычно включают дополнительный резистор R1 (рис. 3.7, а, б), сопротивление которого составляет от нескольких сотен Ом (для мощных транзисторов, с токами в единицы-десятки ампер) до нескольких десятков КОм (для маломощных транзисторов, с токами в десятые доли миллиампер).

Разновидность составного транзистора — схема Шиклаи (рис. 3.7, б), выполняемая на комплементарной паре (п-р-п, VTI ир-тг-р, VT2) транзисторов, обладающая примерно такими же параметрами, как и схема Дарлингтона.

В области высоких частот широко используют каскодные усилители, выполняемые на двух последовательно соединенных транзисторах (рис. 3.7, в). В этом усилителе транзистор VT2 включен по схеме с общим эмиттером, транзистор VT — по схеме с общей базой. В результате в усилителе практически полностью отсутствует обратная связь между входом и выходом, что позволяет использовать его для усиления очень высоких частот.

Рабочий режим транзисторов задается резисторами R и R2, с помощью которых на базы транзисторов подается напряжение смещения. Резистор R₃ обеспечивает охват усилителя стабилизирующей об;

Рис. 3.7. Составные эмиттерные повторители по схемам Дарлингтона (а) и Шиклаи (б), каскодный усилитель (в).

ратной связью. Резистор Д_к выполняет роль сопротивления нагрузки. Конденсаторы С и С2 — разделительные. Конденсатор С_й в цепи базы транзистора VT1 должен иметь малое сопротивление на частоте усиливаемого сигнала, обеспечивая заземление базы, но переменному току.

Для создания усилителей очень низких частот и особенно усилителей постоянных и медленно изменяющихся напряжений токов используют двухкаскадные усилители на комплементарных парах транзисторов с непосредственными связями.

В частности, на рис. 3.8, а приведена схема подобного усилителя, выполненного на двух транзисторах, первый из которых VT1 имеет проводимость п-р-п; второй VT2 — проводимость р-п-р. Транзисторы и резисторы в коллекторных (RJ и эмиттерных (RJ цепях попарно симметричны и подобраны таким образом, что обеспечивается стабильный рабочий режим по постоянному току и параметры усилителя очень мало зависят от изменений напряжения источника питания и изменений температуры. Если на входе и выходе усилителя устанавливаются разделительные конденсаторы С1 и С2, то усилитель пригоден только для усиления импульсных сигналов и сигналов переменного тока.

Очень широкое применение в усилителях постоянного и переменного напряжений и токов находят дифференциальные (разностные) усилительные каскады.

На рис. 3.8, б приведена схема подобного усилителя, обеспечивающая симметричный дифференциальный вход (состоящий из двух несимметричных относительно общего провода первого и второго входов) и один общий, несимметричный выход.

Рис. 3.8. Двухкаскадный усилитель на комплементарных биполярных транзисторах (а) и дифференциальный усилитель с симметричным входом (б).

По первому входу ?/_вх, усилитель является неинвертирующим, по второму входу U_Hx2 — инвертирующим, изменяющим полярность входного сигнала. В самом деле, если на первый вход действует импульс положительной полярности i/_RXl, то он создает почти такой же амплитуды положительный импульс на общем эмиттерном резисторе R₃. Этот импульс (приложенный в полярности: плюс на эмиттер транзистора VT2, минус на его базу) приводит к уменьшению тока через транзистор VT2, вследствие чего его внутреннее сопротивление увеличивается, и на выходе появляется импульс положительной полярности, усиленный примерно в К₀ = R_K/R>раз.

Если импульс положительной полярности поступает на второй вход U_nx2, то он вызывает увеличение тока через транзистор VT2, вследствие чего его внутреннее сопротивление снижается, и напряжение на выходе уменьшается (т. е. появляется импульс отрицательной полярности с амплитудой, примерно в К₀ = R_K/R₃ раз большей, чем входной импульс 1/_1х2).

Если сигналы действуют одновременно на обоих входах, то на выходе появляется усиленный сигнал их разности:

Таким образом, данный усилитель (дифференциальный) выдает на выход усиленный разностный сигнал (исключая тем самым одинаковые, «синфазные», составляющие, если они есть во входных сигналах).

Эквивалентные схемы усилительных каскадов. Любое линейное усилительное устройство может быть представлено в виде эквивалентного ему четырехполюсника. Усилительные свойства четырехполюсника определяются соотношениями входного и выходного напряжений и входного и выходного токов.

Рис. 3.9. Усилительный каскад с общим эмиттером (а) и его эквивалентная электрическая схема (б).

Для анализа транзисторных усилительных схем, работающих на низких частотах, наиболее часто используют /z-параметры (подробно рассмотренные в и. 1.5).

С использованием эквивалентных схем и /г-параметров анализ и расчет усилителей упрощаются.

В частности, усилительный каскад с общим эмиттером (рис. 3.9, a) имеет весьма простую эквивалентную схему (рис. 3.9, б), в которой:

/?, — внутреннее сопротивление источника сигнала;

/г, — входное сопротивление;

h₂₂ — выходная проводимость четырехполюсника;

/_экв = /_ВХЛ₂1 — эквивалентный генератор тока, отображающий усилительные свойства транзистора;

U_Mn = U_nuxh_i2 — напряжение обратной связи.

/7,2= Р — коэффициент усиления транзистора, но току. Сопротивления конденсаторов С1 и С2 на частотах усиливаемых сигналов предполагаются пренебрежимо малыми, а сопротивление R₆ «h_n. Для определения усилительных свойств этой усилительной схемы на основании эквивалентной схемы можно составить уравнения Кирхгофа для входного и выходного контуров:

где

Коэффициент усиления по напряжению определяется из решения этих уравнений:

Если.

то Коэффициент усиления по току:

Коэффицент усиления по мощности с учетом hn/Yi^<< 1: Полное входное сопротивление:

Выходное сопротивление:

Если влиянием разделительных конденсаторов Cl, С2 и резистора R," задающего ток смещения, пренебречь нельзя, то расчеты необходимо проводить по более строгой эквивалентной схеме, учитывающей все эти пассивные элементы.

Параметры биполярных транзисторов сильно зависят от температуры. Поэтому усилители, выполненные на биполярных транзисторах, необходимо термостабилизировать (например, с помощью терморезисторов) или охватывать достаточно глубокой отрицательной обратной связью.

Наиболее эффективно стабилизация может быть осуществлена за счет отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. В однокаскадном усилителе (рис. 3.10, а) отрицательная обратная связь по напряжению достигается соединением базы (входа) с коллектором (выходом) через сопротивление обратной связи R_0ос.

Резистор Яооо включенный в цепь эмиттера, также создает отрицательную обратную связь, поскольку падение напряжения на нем включено встречно напряжению входного сигнала. В результате этого управляющее напряжение между базой и эмиттером является разностным U_y= ?/_вх — Uк и коэффициент усиления уменьшается.

В двухкаскадном усилителе можно получить как отрицательную, так и положительную обратную связь (ПОС).

В двухкаскадном усилителе (рис. 3.10,6) отрицательная обратная связь достигается включением резисторов в цепи эмиттеров каждого каскада, соединением коллекторов с базами (через резисторы R_00с) и также соединением выхода усилителя с эмиттером первого каскада.

Положительная связь возникает при соединении входа с выходом или при объединении эмиттеров (рис. 3.10, в).

В трехкаскадном усилителе также можно получить положительные и отрицательные обратные связи. В результате соединения входа с выходом возникает ООС, так как входное и выходное напряжения.

Рис. 3.10. Отрицательная обратная связь в одно- (а) и двухкаскадном (б) усилителях. Положительная обратная связь в двухкаскадном усилителе (в), отрицательная и положительная связь в трехкаскадном усилителе (г).

противофазны. При соединении эмиттеров первого и третьего транзисторов также создается ООС, а подача напряжения с выхода усилителя в цепь эмиттера первого транзистора вызывает ПОС.

В общем случае, если число каскадов усилителя нечетно, при соединении входа с выходом возникает ООС (если разделительно-согласующие элементы между каскадами не создают существенного дополнительного фазового сдвига). При четном числе каскадов обратная связь выхода со входом будет положительной; обратная связь между эмиттерами ближайших каскадов является также положительной. Если соединяются эмиттерные цепи чередующихся каскадов (1—3,2—4, 1—5, 3—5 и т. д.), то обратная связь отрицательная.

Введение

в усилитель обратной связи приводит к необходимости исследовать его устойчивость, т. е. определить степень склонности к возникновению генерации. Абсолютно устойчивым считается усилитель, в котором невозможна генерация, т. е. усилитель без обратных связей. В любом реальном усилителе и коэффициент усиления, и коэффициент обратной связи зависят от частоты. Это означает, что если в какой-то полосе частот усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то на других частотах эта связь может оказаться положительной и в усилителе могут возникнуть автоколебания.

Существует несколько различных способов оценки устойчивости усилителей с обратной связью: критерии Рауса — Гурвица, Найквиста, Михайлова и т. д. В основе этих способов лежит аналитическое или графоаналитическое исследование корней характеристического уравнения усилителя с обратной связью. Если действительные части всех корней отрицательны, то усилитель устойчив, так как любые колебания, возникающие в усилителе, обязательно затухнут. Если хотя бы один из корней имеет положительную действительную часть, то в усилителе возможно возникновение автоколебаний.

В любом усилителе помимо специально введенных обратных связей всегда имеются конструктивно не предусмотренные, «паразитные» обратные связи, которые могут привести к самовозбуждению. Эти связи могут быть емкостными и индуктивными и возникают за счет общего источника питания или обусловливаются несовершенством изоляции входных и выходных цепей.

Паразитная обратная связь может быть сведена к минимуму при рациональном монтаже, применении электростатических и магнитных экранов, использовании высококачественных изоляционных материалов, применения стабилизированных источников питания с малым внутренним сопротивлением и т. д.

Усилительные каскады с минимальными собственными шумами. Если усилительные каскады используют как входные и работают при малых уровнях сигнала, то их собственные шумы должны быть минимальными.

Уровень собственных шумов усилительных ламп, биполярных и полевых транзисторов, интегральных микросхем, туннельных диодов и т. д. определяется их конструкцией, качеством изготовления, режимом работы и температурой окружающей среды. При этом даже если все требования по уменьшению шумов электронного прибора выполнены, то при создании на его основе усилителя с минимальными шумами необходимо оптимальное согласование с источником сигнала.

Определим коэффициент шума усилителя, считая его идеальным, а все создаваемые им шумы отнесем ко входу, представив их в виде эквивалентных генераторов шумового тока Т_т и шумового напряжения Ц_1Г Мощность тепловых шумов, генерируемых на внутреннем сопротивлении Я, источника входного сигнала, составляет:

Мощность шумов усилителя, отнесенных к его входу и выделяющихся на внутреннем сопротивлении источника сигнала:

Коэффициент шума усилителя в целом оппеделяется как.

Определим внутреннее сопротивление источника сигнала, при котором коэффициент шума минимален. Для этого решим уравнение dF/dR, = 0, откуда находим R, ,_v, = Ц", Д_11Т.

При этом коэффициент шума минимален и может быть выражен как.

Таким образом, коэффициент шума усилителя зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала, поскольку для каждого усилителя имеется оптимальное внутреннее сопротивление источника сигнала, которое определяется характером и уровнем шумов усилительных элементов.

Если сопротивление источника сигнала отличается от оптимального, то коэффициент шума резко возрастает.

В общем случае, если известен коэффициент шума усилительного устройства F", измеренный на частоте ш," можно определить коэффициент шума на любой частоте со:

При этом абсолютное значение усредненного шумового напряжения (приведенного ко входу), если Я, — < R"," в полосе частот от со, до ю":

где/, = 0),/2 я;/" = (й"/2я;/" = Ш"/2п.

Чтобы снизить шумы электронных ламп, биполярных и полевых транзисторов в области низких частот (ниже 10 кГц), необходимо снижать напряжение питания: у ламп до 10−20 В, у биполярных транзисторов — до 0,8−1,0 В (при токе эмиттера 0,1−1 мА) и у полевых транзисторов — до 1−2 В.

Напряжения смещения на управляющих сетках электронных ламп и затворах полевых транзисторов также должны быть минимальными — в пределах 0,2−1,0 В. Напряжение накала электронных ламп должно быть уменьшено на 10−20%.

Следует отметить, что во входных цепях усилителей должны быть использованы высококачественные пассивные элементы: резисторы, конденсаторы и трансформаторы, иначе уровень шумов может существенно возрасти.

Например, среднее квадратичное значение напряжения шума эффекта мерцания резисторов, на которых действует постоянное напряжение 1 В, измеренное в полосе 1−10 Гц, составляет: у углеродных и у углеродно-пленочных — до 3 мкВ; у металлопленочных — до 0,2 мкВ, у проволочных — до 0,1 мкВ.

Равным образом и конденсаторы, особенно электролитические на основе алюминиевой фольги, могут создавать в аналогичных условиях избыточные шумы до 1−5 мкВ/мкФ.

Входные усилители низкочастотной аппаратуры обычно выполняются на основе низкошумящих усилителей в интегральном исполнении, например микросхем типа К544УД1А, К284УД1А, К140УД8А и т. п., если необходимо иметь очень большое входное сопротивление.

(на входе этих усилителей установлены нолевые транзисторы). Если входное сопротивление не должно быть более 10 МОм, то применяются усилители с биполярными транзисторами на входе, например К157УД1А, К548УН1А и т. п., у которых в полосе частот 10−100 Гц при сопротивлении источника сигнала R = 1 кОм уровень собственных шумов не превышает 0,05 мкВ.

Если оказывается, что стандартные усилители в интегральном исполнении имеют уровень шумов, больший допустимого, то снизить его в несколько раз можно уменьшением напряжения питания до минимально допустимых значений и параллельным включением нескольких усилителей.

Если и эти меры недостаточны, то на входе усилителя устанавливают специально подобранные низкошумящие биполярные или полевые транзисторы или же применяют модуляционные или параметрические усилители. В сверхчувствительной аппаратуре довольно часто используют сверхпроводящие квантовые интерференционные усилительные приборы, имеющие собственные шумы менее 10 ¹⁵ В.

Контрольные вопросы.

• 1. Какая из трех основных схем включения биполярного транзистора в электронную цепь может обеспечить наибольший коэффициент усиления: по напряжению, току, мощности?
• 2. Какую полярность будет иметь импульс на выходе усилителя, выполненного: по каскадной схеме, собранного на комплементарной паре транзисторов, если на входе он был положительным?
• 3. Попытайтесь провести расчет эмиттериого повторителя с использованием h-параметров, по аналогии с расчетом усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 3.9, а, б).
• 4. Нарисуйте принципиальную схему трехкаскадного транзисторного усилителя и укажите в нем все возможные цепи отрицательной и положительной обратной связи.
• 5. Почему параллельное включение нескольких транзисторов (и вообще, любых усилительных идентичных элементов) приводит к снижению собственных электрических шумов?