Усиление сигналов. Параметры и характеристики усилителей

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

где k₁ и k₂ — постоянные, существенно больше единицы (k₁, k₂ >> 1), не зависящие ни от времени, ни от частоты.

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.

Кроме того, параметры сопротивлений нагрузки и согласующих и разделительных пассивных RLС-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 минимально допустимому значению.

В общем случае неискажающий усилитель может быть выполнен как линейный (при ограничении динамического диапазона сигнала и линеаризации его нелинейной вольт-амперной 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 до весьма высоких частот (сотни и тысячи мегагерц) — апериодически и сравнительно узкую полосу частот, сосредоточенную вблизи центральной (несущей) частоты.

Применение резонансных цепей позволяет существенно увеличить усиление за счет резонансного увеличения токов и напряжений в колебательных RС-контурах. В области низких частот для этих целей обычно используют RС-цепи (активные фильтры).

В зависимости от полосы пропускания усилители с ограниченной полосой пропускания, располагающейся вблизи некоторой заданной частоты, делят на узко- и широкополосные.

Узкополосные — это усилители, у которых отношение f_н / f_н ≈ 1, широкополосные — f_в / f_н > 1, где f_н и f_в соответственно нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания.

К важнейшим характеристикам усилителей относятся амплитудно-фазовая и амплитудная.

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

где К(ω) — амплитудно-частотная и φ(ω) — фазово-частотная характеристики усилителя.

Амплитудная характеристика выражает зависимость выходного напряжения от входного:

Нелинейность амплитудной характеристики оценивают коэффициентом нелинейных искажений:

где U₁, U₂, U₃, …, U_n— соответственно напряжения основной частоты, 2, 3,..., n-й гармоник на выходе усилителя при воздействии на входе синусоидального напряжения с основной частотой.

К основным параметрам усилителя, определяемым по амплитудно-фазовой 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 согласовывать 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 максимально возможного линейного усиления при минимальном уровне собственных шумов.

Также 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 вноситься 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 применяются трансформаторы, фильтры, делители напряжения и т. д.

Для согласования усилителя с нагрузкой на его выходе часто ставят оконечный усилительный каскад. Оконечный каскад (усилитель мощности) рассчитывается на отдачу 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 применяют отрицательные обратные связи, охватывающие не только отдельные каскады, но и весь усилитель в целом.

Выпускаемые в России в настоящее время усилители практически всех видов изготавливаются в виде интегральных микросхем.

Схема 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), поэтому практический интерес представляют лишь три схемы включения.

Рис. 1- Принцип действия (а) и схемы усилителей с общим катодом (б), с общим эмиттером (в) и общим истоком (г)

Наиболее широко применяется схема, называемая усилителем с общим катодом (рис.16); общим эмиттером (рис.1в) или общим истоком (рис.1г). На рисунке 1а поясняется принцип работы таких усилителей. Символом R_п обозначается электронный прибор, внутреннее сопротивлениеR_п которого изменяется под действием входного управляющего сигнала U_вх, вследствие этого изменяется ток в цепи «источник питания Е_п — электронный прибор»:

и изменяется падение напряжения на внутреннем сопротивлении R_п, (т. е. на выходе усилителя) U_вых:

Если R→ 0, то и U_вых→ 0. При R_п → ∞ имеем U_вых→ Е_п. Таким образом, усилитель по своей сути управляемый входным сигналом делитель напряжения источника питания Е_п, состоящий из сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления прибора. Вследствие этого максимальное напряжение U_вых определяется напряжением источника питания Е_п, а эффективность работы усилителя зависит от степени управляемости внутреннего сопротивления электронного прибора входным управляющим сигналом.

Назначение RС-элементов в рассмотренных усилительных каскадах следующее: резисторы R_н используются как сопротивления нагрузки. Резисторы R_к, R_э, R_с включенные в цепь общего электрода (т. е. катода, эмиттера или истока), обеспечивают охват каскадов отрицательной обратной связью. Через резисторы R_с, R_б, R_з подается напряжение смещения на управляющие электроды, устанавливающие заданный линейный режим работы. Конденсаторы С₁ и С₂ — разделительные, отделяют полезные переменные составляющие усиливаемого сигнала от постоянных напряжений, действующих на электродах.

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 р — n-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 электрический ток.

Дата добавления: 2014-01-05