Классификация усилителей. 
Электроника и схемотехника

Для классификации усилителей используются различные признаки.

По характеру усиливаемых сигналов следует выделить:

• • усилители аналоговых сигналов, мгновенные значения которых изменяются во времени непрерывно. К таким сигналам относятся гармонические, непрерывные периодические и квазипериодические сигналы;
• • усилители импульсных сигналов, мгновенные значения которых могут изменяться во времени весьма резко, т. е. с большой скоростью. К импульсным сигналам относятся сигналы прямоугольной, треугольной и другой формы.

По диапазону частот усиливаемых колебаний следует выделить:

• широкополосные усилители, для которых отношение максимальной частоты к минимальной частоте/_МЯ«У/_МН» 1. К ним отно;

J MdKC' J МИН сят усилители постоянного тока с /_МИ|1 = 0 и видеоусилители;

• узкополосные усилители, для которых /_макс//_мин ~ 1.

В радиоприемной технике усилители классифицируют также, но абсолютным значениям частот усиливаемых колебаний, выделяя:

• • усилители высокой частоты, предназначенные для усиления принимаемых высокочастотных радиосигналов с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией;
• • усилители промежуточной частоты, используемые для усиления модулированных сигналов преобразованной частоты, которая меньше частоты радиосигнала;
• • усилители низкой частоты, усиливающие колебания звуковой частоты.

По виду нагрузки различают:

• • апериодические (резистивные) усилители, нагрузка которых практически не зависит от частоты в широком диапазоне частот;
• • избирательные (резонансные) усилители, нагрузкой которых являются колебательные контуры или фильтры.

Принцип усиления колебаний. Для его пояснения рассмотрим схему на рис. 3.2, содержащую:

• входную цепь с источником напряжения u_v предназначенную для изменения значения R_y;

Рис. 3.2. Принцип усиления сигналов (а) и его реализация (б).

• выходную цепь из источника постоянного напряжения Е, нагрузочного резистора R_u и управляемого резистора R_yJ сопротивление которого изменяется с помощью напряжения u_v

При изменении входного напряжения и_{ изменяются R_y и ток i₂ в выходной цепи. Так как ток i₂ в цепи протекает в одном направлении (i₂ > 0), выделим:

• • постоянную составляющую тока /₂₀, которая вызывает отбор мощности Р₀ = Е1₂₀ от источника постоянного напряжения Е
• • переменную составляющую тока которая создает в нагрузочном резисторе R_n полезную мощность усиливаемого сигнала.

При изменении значения R_y в пределах от °° до 0 ток i₂ изменяется от 0 до E/R_H, что соответствует изменению мгновенной мощности в нагрузочном резисторе R_H от 0 до E²/R_u. Отсюда следует, что для увеличения мощности сигнала в нагрузочном резисторе следует расширять пределы изменения сопротивления управляемого резистора R_yf увеличивать напряжение источника Е и уменьшать нагрузочное сопротивление R_n. Так как функция входного напряжения и_{ сводится лишь к изменению значения сопротивления R_y, на что принципиально не требуется затрат мощности, в нагрузочном резисторе R_n можно получить уровень мощности, значительно превышающий уровень мощности источника напряжения и_л.

Таким образом, принцип усиления мощности базируется на управлении сопротивлением резистора R_y в цепи источника постоянного напряжения Е большой мощности с помощью маломощного источника входного напряжения u_v благодаря чему мощность отбирается от источника Е и передается в нагрузку R_n.

Оптимальная форма характеристик управляемого резистора. При использовании схемы, изображенной на рис. 3.2, а> для усиления колебаний большой интерес представляет вид вольт-амперных характеристик (ВАХ) резистора R_yJ обеспечивающих сохранение формы полезного сигнала и_с, содержащегося во входном напряжении: и_Л = t/₁₀ + и_с. Для решения этой задачи составим систему из двух уравнений для выходной цепи.

I.

I.

Уравнение (3.1) описывает прямую линию, называемую нагрузочной прямой, которую можно построить по двум точкам (рис. 3.3). При R_y = 0 напряжение на управляемом резисторе и₂ = 0, и в выходной цени (см. рис. 3.2, а) протекает ток i₂ = E/R_H (точка 1); при R = °о ток 1₂ = 0, напряжение на R_H равно 0 и к управляемому резистору R_y прикладывается напряжение и₂ = Е (точка 2). Нагрузочная прямая строится путем соединения точек 1 и 2.

Уравнение (3.2) описывает семейство выходных ВАХ резистора R, зависящих в общем случае как от входного u_v так и от выходного и₂ напряжений.

Точка пересечения нагрузочной прямой с характеристикой семейства для заданного входного напряжения и_ю позволяет найти значения i₂₀, и₂₀, которые являются (графическим) решением системы уравнений (3.1), (3.2). Для отсутствия искажений при усилении необходимо, чтобы при изменении входного напряжения и_ю + kAU_v где AU_X = const, k = 1,2,…, происходило изменение выходного тока i₂₀ + kAI с постоянным шагом Д/₂. Другими словами, ВАХ управляемого резистора должны проходить через точки i₂₀ + kAl₂, лежащие на нагрузочной прямой. При этом передаточная функция по приращениям К_А = Al₂/AU_x = const.

Рассмотрим две возможности получения оптимальных ВАХ при заданном сопротивлении R_n.

1. Допустим, что сопротивление R_y зависит только от входного напряжения u_v т. е. при любом заданном и_{0 сопротивление R_y = = u₂₀/i₂₀ = const. В этом случае семейство характеристик (3.2) представляет собой совокупность прямых линий, проходящих через начало координат. На рис. 3.3, а в качестве примера для заданного сопротивления нагрузки R_n приведено семейство оптимальных ВАХ, для которых К_А = AI₂/AU_{ = const, поскольку они удовлетворяют следующим равенствам:

I.

I.

Недостаток такой формы ВАХ состоит в том, что при изменении сопротивления нагрузки условие отсутствия искажений нарушается. Как ясно из рис. 3.3, а, при R'_u «R_n соотношения (3.3) не выполняются, поэтому К_А ^ const.

2. Допустим, что характеристики семейства (3.2) имеют одинаковый наклон и при изменении входного напряжения на AU_X сдвигаются параллельно вдоль оси ординат на постоянную величину.

Рис. 33. Форма оптимальных ВАХ.

AI.,. В этом случае, как следует из рис. 3.3, б, любые изменения Е, R_H при AU_{ = const (3.3) сохраняют равенства (3.4) и соотношение AI₂/AU_{ = const и, следовательно, не искажают форму сигнала при усилении. Особенность управляемого резистора R_y с характеристиками на рис. 3.3, б проявляется в том, что его сопротивление зависит не только от напряжения сигнала u_v но и от напряжения и₂ на самом управляемом резисторе.

Вольт-амперные характеристики, близкие по форме к характеристикам на рис. 3.3, б, имеют транзисторы, и поэтому они используются в качестве управляемого резистора усилительных каскадов (см. рис. 3.3, б).

Выбор режима транзистора. Условие постоянства передаточной функции по приращениям К_А = AI₂/AU_] = const является одним из необходимых (но не достаточных) условий отсутствия искажений при усилении сигналов. Поскольку в выходной цепи усилителя (см. рис. 3.1) протекает постоянная составляющая тока /₂₀, другим условием отсутствия искажений при усилении является выполнение неравенства 1_0т < /₂₀, т. е. необходимо, чтобы амплитуда выходного сигнала 4* не превышала /₉₀. Такой режим работы транзистора обеспечивается соответствующим выбором рабочей точки, под которой понимают точку /₂₀, U₂₀ на нагрузочной прямой в состоянии покоя, т. е. при отсутствии на входе переменной составляющей сигнала и_с_. Ее положение определяется постоянным входным напряжением U_w.

Рассмотрим особенности выбора рабочей точки на семействе идеальных ВАХ транзистора, представленных на рис. 3.4, которая соответствует режиму работы транзистора с максимальной выходной мощностью. При этом будем учитывать, что рабочая область характеристик ограничена:

• • максимально допустимыми значениями выходного тока /_{2 доп} и напряжения ?/_2доп;
• • максимально допустимой мощностью рассеивания на транзисторе: и₂г₂ = Р_доп. Уравнение i₂ = P_mJu₂ представляет собой гиперболу.

Нагрузочная прямая не должна выходить за пределы рабочей области, что соответствует выполнению условий E/R_H < /_2доп, Е ^<2 доп' 1*20²⁰ < Р_доп. Постоянное напряжение на входе транзистора выбирается с таким расчетом, чтобы рабочая точка находилась на середине нагрузочной прямой, т. е. /₂₀ = E/R_u, U₂₀ = 0,5Е. В этом случае для выбранной нагрузочной прямой обеспечивается полное использование рабочей области транзистора. На рис. 3.4 приведены ВАХ и временные диаграммы, соответствующие режиму работы транзистора с максимальной мощностью в нагрузке при усилении гармонического сигнала Для выбранного режима полезная мощность в нагрузке, потребляемая от источника напряжения мощность и коэффициент полез;

Рис. 3.4. Режим работы транзистора с максимальными энергетическими показателями

ного действия усилителя определяются следующими соотношениями:

Приведенные соотношения свидетельствуют о низком значении КПД усилителя. Предельные значения КПД в различных режимах работы транзистора будут рассмотрены в параграфе 3.9.

Для создания требуемого режима работы усилителя в его схему вводят дополнительные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др.). Транзистор вместе с источником питания и дополнительными элементами образует собственно усилитель, или усилительный каскад, к которому подключаются источник сигналов и нагрузка. Соединив последовательно отдельные каскады, можно построить многокаскадный усилитель. Принципы построения усилительных схем рассмотрены в параграфе 3.4.

Показатели усилителя. Усилитель является передаточным звеном, которое можно представить в виде линейного четырехполюсника. Свойства усилителя и качество его работы оцениваются по показателям, полученным в результате тестирования. Тестовым сигналом для аналоговых усилителей выбирают гармоническое колебание (Wj), так как при прохождении через линейный четырехполюсник оно сохраняет свою форму (и₂)> изменяя при этом амплитуду и претерпевая временной сдвиг (рис. 3.5, а, б).

Рис. 35. Форма входного (а) и выходного (б, в) напряжений.

Усилительный каскад следует рассматривать с трех точек зрения:

• • для источника сигналов усилитель является нагрузкой, поэтому представляет интерес его входное сопротивление или входная проводимость;
• • для нагрузки усилитель служит источником сигналов, поэтому следует знать его параметры как источника (например, ЭДС и внутреннее сопротивление);
• • как передаточное звено усилитель характеризуется коэффициентом усиления (передачи) напряжения, тока и мощности.

Частотные характеристики и искажения. Используя комплексную форму представления гармонических колебаний, можно сформировать такие важные показатели усилительного каскада в линейном режиме, как входные сопротивление и мощность, выходная мощность, коэффициенты усиления (передачи) напряжения и тока. Зависимости показателей от частоты тестового сигнала называются частотными характеристиками. Среди этих зависимостей наиболее важной является зависимость комплексного коэффициента усиления напряжения от частоты (комплексные величины здесь и далее обозначаются с точкой вверху).

где К (со) — амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость отношения амплитуд выходного и входного напряжений (U₂/U_x) от частоты со усиливаемого сигнала; ср (со) — фазочастотная характеристика (ФЧХ), или зависимость фазового сдвига ф между выходным и входным напряжениями от частоты со.

На рис. 3.6 изображены АЧХ и ФЧХ широкополосного и резонансного усилителей.

По АЧХ и ФЧХ широкополосных усилителей оцениваются линейные искажения, обусловленные зависимостью сопротивления линейных реактивных элементов от частоты. Идеальной АЧХ является прямая линия, параллельная оси абсцисс. Усилитель с идеальной АЧХ имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах. Реальная АЧХ позволяет определить рабочий диапазон и амплитудно-частотные искажения. Рабочим диапазоном называют полосу частот, в пределах которой модуль коэффициента усиления не выходит за пределы заданных допусков. Например, рабочий диапазон усилителей для телефонии составляет 0,3—3,4 кГц. Идеальной ФЧХ является прямая линия, проходящая под любым углом через начало координат: ср (со) = -Т_Лсо, где Г = const. В этом случае выходное гармоническое напряжение.

с любой частотой со получает задержку (запаздывание) относительно входного напряжения на время Г₃. Следовательно, усиливаемый сигнал, представляющий собой сумму гармонических колебаний, сохраняет свою форму на выходе усилителя, однако сдвигается во времени на Т₃. Оценку фазочастотных искажений производят по отклонению фазового угла (р от идеальной ФЧХ. Для широкополосных резистивных усилителей идеальная ФЧХ совпадает с осью абсцисс, т. е. Т₃ = 0. Поэтому для оценки искажений служат фазовые углы ф_и, ф_в(рис. 3.6, а). Искажения в нижней части рабочего диапазона обусловлены наличием в усилителе разделительных (по постоянному току) элементов, в верхней части паразитными емкостями транзисторов и нагрузки. Следует отметить, что фазовые.

Рис. 3.6. АЧХ и ФЧХ широкополосного (а) и резонансного (б)

усилителей искажения звуковых колебаний не воспринимаются человеческим ухом, однако при усилении видеосигналов они приводят к искажению засветки экрана.

Для резонансных усилителей АЧХ (рис. 3.6, б) позволяет:

• • оценить неравномерность усиления в полосе пропускания, приводящую к амплитудно-частотным искажениям звуковых колебаний после детектирования;
• • определить ослабление сигнала при заданной расстройке относительно резонансной частоты со₀ колебательного контура.

Идеальная АЧХ для оценки указанных параметров должна иметь П-образную форму. По ФЧХ (см. рис. 3.6, б) можно оценить, так же как и для широкополосных усилителей, фазовые искажения, вносимые усилителем. Идеальной ФЧХ является прямая, проходящая под углом через со₍₎.

Рис. 3.7. Годограф.

Наиболее часто в качестве рабочего диапазона усилителя принимают диапазон частот со_МИ1| — со_макс, в котором коэффициент усиления К > 0,707Х₀, а для оценки усилительных свойств используют полосу пропускания П_0 707 = со_шкс — со_МИ11.

Частотная характеристика усилителя (3.5) может быть представлена в виде кривой, называемой годографом, которую прочерчивает на комплексной плоскости конец вектора Х (со)ехр (/ф (со)) при изменении частоты со от 0 до оо (рис. 3.7). Годограф содержит информацию о значениях модуля коэффициента усиления К (со) и фазового угла ср (со) на всех частотах со и часто используется для выявления устойчивости усилителей с отрицательной обратной связью.

Нелинейные искажения. При увеличении амплитуды входного синусоидального напряжения наблюдается искажение формы выходного напряжения. Это обстоятельство вызвано нелинейностью вольт-амперных характеристик транзистора. Увеличение напряжения на базе транзистора вводит его в режим насыщения, в котором ток и напряжение на коллекторе транзистора остаются неизменными. При уменьшении напряжения на базе транзистор переходит в режим отсечки. В этом режиме ток через транзистор не протекает. Поэтому при очень больших амплитудах входного напряжения выходное напряжение имеет форму, близкую к прямоугольным импульсам (рис. 3.5, в). Искажение формы гармонического напряжения при усилении, обусловленное нелинейностью вольт-амперных характеристик транзисторов, принято называть нелинейными искажениями.

В широкополосных усилителях нелинейные искажения сопровождаются появлением высших гармоник в выходном напряжении. Поэтому для их оценки используют коэффициент гармоник, представляющий собой следующее отношение:

где U_{2 v} Р₂, U_2V Р_{2 Т} U_{2 3}, Р_{2 3}, Р_{2 4}, U_2Ay… — амплитуды выходного напряжения и выходная мощность 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и т. д. гармоник, причем Р_2>п ⁼ 0,5/7₂²,/7?_м; R_n сопротивление нагрузки усилителя.

Как следует из формулы (3.6), нелинейные искажения, но сути дела, оцениваются отношением суммы активных мощностей всех высших гармоник к мощности основной частоты.

Амплитудная характеристика. Амплитудной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (рис. 3.8). Она не проходит через начало координат из-за наличия собственных шумов [7_Ш усилителя и имеет область насыщения или ограничения амплитуды выходного напряжения, что обусловлено нелинейными свойствами транзисторов. По амплитудной характеристике определяют:

• • коэффициент усиления (по наклону);
• • динамический диапазон D = t/_lMaKC/t/_lMHI1 усилителя;
• • максимальную амплитуду t/_lMaKC входного напряжения, при которой в усилителе не проявляются нелинейные искажения.

Рис. 3.8. Амплитудная характеристика