Усиление электрических сигналов

Усиление слабых сигналов являлось самой актуальной задачей на заре развития радиотехники, когда не было еще мощных радиопередатчиков и имелось слабое представление о способах распространения радиоволн при минимальном ослаблении их энергии. Но и в современной электронике усиление сигналов является одной из распространенных задач, причем очень часто усиление сигнала сопровождается некоторым функциональным его преобразованием (например, интегрирование сигнала).

Когда речь идет об усилении сигналов, то подразумевается, что усиливается его первоначальная энергия. Энергия электрического сигнала, описываемого в терминах тока и напряжения, определяется соотношением

(1.1)

Если под Э_с понимать энергию входного (слабого) сигнала усилителя, то энергия выходного (усиленного) сигнала – сигнала в полезной нагрузке Э_н –

, Э_н>> Э_с. (1.2)

Важно отметить, что выполнение условия усиления Э_н>>Э_с возможно при любом из приведенных ниже соотношений:

i_н(t)>i_с(t), U_н(t)<U_с(t), i_н (t)<i_с(t), U_н (t)>U_с(t).

Это означает, что в процессе усиления, например, гармонического сигнала амплитуда напряжения в нагрузке может быть меньше амплитуды входного сигнала, но при этом выходной ток будет значительно превышать по амплитуде входной.

Поскольку вечных двигателей не бывает, то усиление энергии входного сигнала невозможно без привлечения энергии некоторого специального источника – источника питания усилителя.

Таким образом, под усилителем электрического сигнала следует понимать устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала в нагрузке под воздействием входного сигнала значительно меньшей энергии.

Поскольку носителем электрической энергии является ток, то для «перекачки» энергии от источника питания к нагрузке необходимо соединить их в замкнутую цепь, а для регулирования включить последовательно в эту цепь электронный регулятор – элемент, сопротивление которого можно менять в широких пределах под воздействием слабого электрического сигнала (рис. 1.8), где ИП – источник питания; Н – нагрузка; ЭР – электронный регулятор.

Электронные регуляторы получили в электронике название усилительных (или активных) элементов, но более точно отражающим суть процесса было бы название – управляемые элементы (регуляторы).

Рис. 1.8. Структурная схема усилителя электрических сигналов

Предположим, что нагрузка носит омический характер и обладает сопротивлением R_н. Тогда соотношение (1.2) можно переписать в виде

; (1.3)

.

Из (1.3) следует два способа регулирования энергии в усилителях.

Первый – регулирование тока в нагрузке под воздействием входного сигнала i_н=F(U_c). Это способ непрерывного регулирования (усиления). Второй – регулирование при постоянном токе нагрузки интервала времени Dt=t₂ – t₁, в течение которого пропускается ток через нагрузку

Dt= F(U_c), i_н= const.

Такой способ регулирования называется ключевым. Оба способа находят широкое применение при построении усилительных устройств. Хотя в усилительной технике используют такие термины, как «вход», «выход» усилителя, – это не означает, что сигнал «проходит» через усилитель. На самом деле он лишь воздействует на регулятор, оставаясь на «пороге» усилителя.

Лишь в частных случаях (аудиотехника, видеотехника, осциллографическая аппаратура) сигнал в нагрузке усилителя должен по форме как можно ближе совпадать с входным сигналом. Во многих же других случаях точное воспроизведение формы входного сигнала необязательно. Например, входной сигнал – постоянное напряжение с датчика температуры, а усилительный элемент регулирует мощность переменного тока в нагревателе электропечи и т. д.

Важнейшими характеристиками усилительных (управляемых) элементов являются статические характеристики «вход-выход» и быстродействие. Статическая характеристика – это зависимость выходного тока элемента от управляемого сигнала при постоянном напряжении источника питания. По своему виду эти характеристики могут быть плавными или скачкообразными релейными (рис. 1.9).

а б в

Рис. 1.9. Схемы для определения:
а – статической характеристики «вход-выход» усилительного элемента; б – плавной характеристики регулирования; в – релейной характеристики регулирования

Быстродействие усилительного элемента – это скорость реакции на изменение входного воздействия. Наиболее наглядно эта реакция проявляется при скачкообразном изменении управляющего сигнала (см. рис. 1.10).

Конечное время переходного процесса t_П приводит к тому, что при достаточно высокой частоте повторения входных скачков усилительный элемент практически перестает на них реагировать, т. е. теряет управляемость (см. рис. 1.11).

Рис. 1.10. Реакция усилительного элемента на скачкообразное изменение управляющего сигнала	Рис. 1.11. Потеря усилительных свойств (управляемости) из-за инерционности усилительного элемента

Усилительные элементы являются основными компонентами современной электроники, и в последующих разделах данного курса им будет посвящено достаточно большое внимание.