Структурная схема усилителя

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Принцип действия усилительного каскада удобно пояснить с помощью схемы, приведенной на рис. 2.1. Основой усилителя являются два элемента: резистор R и управляемый активный элемент (АЭ) – транзистор, сопротивление которого изменяется под действием входного сигнала U_вх. За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением E_п в цепи резистора R и АЭ. В результате будут меняться падение напряжения на резисторе, а следовательно, и выходное напряжение U_вых. Здесь процесс усиления основан на преобразовании энергии источника питания E_п в энергию выходного напряжения.

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада, приведенную на рис. 2.2. Усилитель представлен как активный четырехполюсник. Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения E_r, имеющего внутреннее сопротивление R_r. На выходе усилителя включен резистор нагрузки R_н. Ни генератор E_r, ни нагрузка не являются частями усилительного каскада, но довольно часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2.2 представляется своими входным R_вх и выходным R_вых сопротивлениями.

Рис. 2.1 Схема усилительного каскада

Рис. 2.2 Структурная схема усилительного каскада

По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения, тока и мощности. Удобно подразделять усилительные каскады по соотношению величин R_вх и R_r. Если в усилителе R_вх >> R_r, то он является усилителем напряжения. В усилителе тока R_вх << R_r, т.е. имеет место токовый вход. В усилителе мощности вход согласован с источником входного сигнала, т.е. R_вх = R_r.

По соотношению между величинами R_вых и R_н усилители также можно разделить на усилители напряжения (R_вых << R_н), тока с токовым выходом (R_вых >> R_н) и мощности, которые работают на согласованную нагрузку (R_вых = R_н).

Как правило, усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис.2.3). Первый каскад называется входным, а последний – выходным, или оконечным. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому усилитель напряжения должен иметь большое входное сопротивление. Кроме того, крайне желательно, чтобы входной каскад имел минимальный коэффициент шума.

Рис. 2.3 Структурная схема усилителя

Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего является усилителем мощности и призван работать на низкоомную нагрузку. Поэтому требуется, чтобы выходной каскад имел большую допустимую мощность, малое выходное сопротивление, высокий коэффициент полезного действия и малый коэффициент гармоник. Промежуточные каскады необходимы для обеспечения заданного усиления, т.е. основным их параметром является коэффициент усиления (по напряжению).

Соединение каскадов между собой в многокаскадном усилителе может быть осуществлено различными способами. Один из широко распространенных способов для усилителей переменного тока или напряжения реализуется с помощью разделительных емкостей. Такой усилитель называется усилителем с емкостной связью. Схема каскада с такими связями приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Каскад с ёмкостными связями

Для усилителей постоянного тока используется непосредственная (гальваническая) связь. Отметим, что непосредственная связь между каскадами широко представлена в интегральных схемах и будет рассмотрена далее, при изучении операционного усилителя.

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

1) по напряжению ;

2) по току ;

3) по мощности .

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K_u можно записать
К_u = K_u1·K_u2…K_uN.

Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):

K_u = 20 lg (U_вых /U_вх) = 20 lgK_u.

Аналогично в децибелах можно представить K_i и K_p. Для K_p справедлива следующая запись:

K_p = 10 lg(P_вых /P_вх) = 10 lgK_p.

Выражение коэффициентов усиления в децибелах связано с тем, что человеческое ухо реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическим законом слухового восприятия.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:

К_u = K_u1 + K_u2 +…+ K_uN .

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), K_r:

,

где U₁, U₂, U₃ – значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. В многокаскадных усилителях общий K_r можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения вносятся выходным (иногда предвыходным) каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.5, а), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5, б) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя:

Рис. 2.5 Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что Δf = f_в - f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот достаточно иметь f_н = 20 Гц и f_в = 20 кГц; в широкополосных усилителях f_в может достигать десятков мегагерц; в частотно-избирательных усилителях f_н ≈ f_в и для высокочастотных усилителей может достигать сотен мегагерц; в усилителях постоянного тока (УПТ) f_н = 0, а f_в может составлять несколько десятков мегагерц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной характеристикой (ФЧХ) усилителя. Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др. Важнейшим параметром усилителей мощности является коэффициент полезного действия η:

η = P_н /P_о,

где P_н – мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; P_о – мощность, потребляемая усилителем от внешнего источника питания. Величина η всего усилителя определяется главным образом η выходного каскада.

Основные параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от типа активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.