усилители

РАДИОТЕХНИКА

УСИЛИТЕЛИ

  Само название "усилитель" говорит нам о том, что данное устройство предназначено для усиления электрических сигналов. Для того, чтобы получить, например, достаточный уровень звука в акустических системах, его нужно предварительно усилить, эту задачу выполняют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Для того, чтобы различные узлы радиоэлектронной аппаратуры могли в достаточной степени обрабатывать сигнал, его опять же нужно подвергать усилению. Например, в результате преобразования механических колебаний в электрические, полученный сигнал очень мал, поэтому для дальнейшей обработки сигналов применяют различные предварительные усилители.
  К электрическим сигналам, которые может усиливать усилитель относятся: постоянное напряжение, переменное напряжение низкой или высокой частоты, импульсное напряжение. По такому критерию усилители и подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой или звуковой частоты (УНЧ)(УЗЧ), усилители высокой или радиочастоты (УВЧ) (УРЧ) и импульсные усилители (ИУ).
  Идеальный усилитель должен усиливать сигнал без искажений, т. е. полностью повторять его форму, в реальности, существуют различные помехи, которые препятствуют идеальному усилению. Основной характеристикой усилителя является коэффициент усиления, который равен отношению уровня выходного сигнала к уровню входного сигнала, например по напряжению:

                                     Кu=Uвых/Uвх

и по мощности:

                                     Kp=Pвых/Рвх

Таким образом, коэффициент усиления показывает во сколько раз уровень выходного сигнала больше уровня входного и, можно сказать, измеряется в разах. В радиоэлектронике коэффициент усиления выражают часто в логарифмических единицах - децибелах. Это связано с компактностью чисел и удобством производить простые арифметические действия. Судите сами, если в радиоэлектронном устройстве используются несколько каскадов усиления, то общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада (допустим К=10000 и число каскадов усиления 4), подсчитайте общий коэффициент усиления. Другое дело - децибелы. Здесь общий коэффициент усиления будет равен сумме коэффициентов усиления каждого каскада в децибелах. Сначала определимся с формулой в логарифмических единицах:

                                     Kдб=20lg(Uвых/Uвх) = 10lg(Pвых/Рвх);

Из нее видно, что коэффициент усиления для напряжения и для мощности одинаковый, а значит можно более углубленно характеризовать усилительный каскад одним общим коэффициентом. Отличным помощником в переводе абсолютных величин в логарифмические является вот такая таблица, взятая из журнала Радиолюбитель 01/2004 статья "Децибелы, фоны, неперы" автор А. П. Ефимов.

**таблица 1**
U1/U2	1	2	3	5	10	20	30	100	1000
Р1/Р2	1	4	9	25	100	400	900	100²	1000²
lg(U1/U2)	0	0.3	0.5	0.7	1	1.3	1.5	2	3
N,дб	0	6	10	14	20	26	30	40	60

В этой таблице U1/U2 соответствует коэффициенту усиления. Зная правила умножения и деления логарифмов, можно примерно определить децибелы и для других значений коэффициентов. Например,
нужно определить коэффициент усиления в 50 раз. Разложим это число на множители, которые есть в таблице1.

                                     50= 5 x 10

                                     5 соответствует 14дб, а 10 соответствует 20дб

И теперь по правилам вычисления, логарифм произведения равен сумме логарифмов множителей.

                                     14+20=34дб

  Следующей важной характеристикой усилителя является полоса пропускания - это диапазон частот, на которых коэффициент усиления изменяется в заданных пределах. Дело в том, что усилитель по-разному усиливает частотные составляющие входного сигнала, поэтому на выходе усилителя форма сигнала искажается. В радиоэлектронике такое понятие называется частотными искажениями, их можно проследить на графике АЧХ (амплитудно-частотная характеристика), который показывает зависимость коэффициента усиления от частоты.
  В усилителе могут присутствовать еще фазовые искажения, это когда часть сложного сигнала задерживается в усилителе на некоторые промежутки времени. Такие искажения отображаются на графике ФЧХ (фазочастотная характеристика), которая показывает зависимость фазы от частоты. Все вышеописанные искажения относятся к так называемым линейным искажениям.
  Существуют еще и нелинейные искажения, которые появляются в усилителе при наличии нелинейного элемента, т. е. элемента у которого нелинейная вольтамперная характеристика. Такие искажения отражаются на графике амплитудной характеристике, зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Существует несколько видов режима работы усилителей. Я не буду особо заморачиваться в тонкостях этих режимов, попробую наиболее понятливее объяснить суть, тем более, что в инете есть множество статьей на данную тему. Режимы работы усилителей характеризуются в основном КПД и нелинейными искажениями выходного сигнала.

Режим класса А: КПД такого режима не превышает и 30%, но минимальные нелинейные искажения.
Режим класса В: В этом режиме КПД достигает 70% с большими нелинейными искажениями.
Режим класса АВ: Имеет несколько меньший КПД и нелинейные искажения по сравнению с режимом В.
Режим класса С: Данный режим вносит огромные нелинейные искажения, при этом КПД достигает 80%.
Режим класса D: Ключевой режим усилителя.

Для каждого режима существуют графики, показывающие влияние усилительного каскада на входной сигнал. Не буду приводить здесь характеристики для всех режимов, приведу лишь для
режима класса А рис 1. Красная кривая - это проходная характеристика усилителя (транзистора). Положение рабочей точки Р выбирается в середине линейного участка кривой. В последующих режимах работы эта точка будет перемещаться к началу осей координат и даже выйдет за ее пределы. В нашем случаи, важно посмотреть, как происходит усиление входного сигнала, и обращаем внимание на форму выходного. Его форма практически повторяет форму входного, а это и определяет режим класса А - минимальные нелинейные искажения.
Нужно остановиться немного на классе D. При таком режиме усилитель (транзистор ) работает как электронный ключ, т.е. в зависимости от управляющего сигнала транзистор закрыт или открыт, соответственно течет через его ток или нет.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Существуют три основные схемы усилителей, и подразделяются они по способу включения усилительного элемента, т. е транзистора: схема с ОБ (общей базой), ОЭ (общим эмиттером) и ОК (общим коллектором). Рассмотрим схему с ОЭ на рис. 2.

По определению, в этой схеме по переменному напряжению (входной сигнал) с корпусом усилителя соединяется вывод эмиттера.
  Через дроссель др на базу транзистора подается напряжение смещения Eбэ порядка 0.5...0.8 В соответствующей полярности для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Дроссель имеет большую индуктивность, а это значит, что катушка не препятствует прохождению постоянного тока смещения и на базу подается постоянное напряжение смещения. Для переменного тока этот дроссель создает огромное сопротивление, поэтому он не ответвляется в цепь смещения Eбэ, а полностью поступает на базу.
  Конденсатор в цепи базы Cр имеет большую емкость и называется разделительным. Уже по названию можно судить о его назначении, что-то разделять, т. е. он не препятствует прохождению переменного тока и представляет огромное сопротивление для постоянного. Поэтому основное его назначение в схеме: предотвратить появление на входе усилителя постоянного напряжения. Соответственно, на выходе Cр усилителя препятствует появлению так же постоянного напряжения. Следует заметить, что дроссель в данной схеме также называется разделительным, но разделяет, как мы уже знаем, переменное напряжение.
  Усиление сигнала (по мощности) в схеме с ОЭ происходит за счет энергии питания Eп, и равно, как правило, в пределах
5...20 В, а полярность устанавливается такой, чтобы закрыть коллекторный переход. Снимается усиленный сигнал с резистора Rн.
  Подведем итог. Значит, чтобы произошло усиление сигнала в данной схеме, нужно задать режим по постоянному току, описанный выше и не забывать при этом, что коллекторный переход должен быть закрыт.

  В схеме усилителя с ОБ рис.3 назначение всех элементов такое же, как и при схеме с ОЭ. Единственное, здесь, чтобы открыть эмиттерный переход, на эмиттер нужно подать отрицательное напряжение смещения
-Eбэ.
   На рис.4 показана схема усилителя с ОК общим коллектором. В этой схеме присутствует конденсатор Cб, который называется блокировочным, от слова "блокировать". А блокирует он поступление переменного напряжения из одной части схемы в другую, т.е. переменная составляющая закорачивается на корпус и этим устраняется ее влияние на другие каскады устройства. Именно поэтому в схеме с ОК блокировочный конденсатор соединяет коллектор с корпусом усилителя по переменному напряжению. А вот по постоянному напряжению коллектор с корпусом не соединен, а, напротив, там присутствует значительное напряжение источника питания. Здесь следует отметить и то, что блокировочный конденсатор в схеме может отсутствовать, так как он используются почти во всех источниках питания.
  В схеме с ОК напряжение смещения поступает на базу транзистора не через дроссель, а через резистор, исходя только из разницы стоимости дросселя и резистора. При этом часть энергии входного сигнала будет бесцельно расходоваться на нагревание резистора Rб.

В схемах с ОК коэффициент усиления по напряжению равен единице, поэтому усиления сигнала по напряжению не происходит, и такие схемы еще называют повторителями. Особенность данной схемы в том, что у нее очень большое входное сопротивление и малое выходное по сравнению с другими схемами. Эта ее особенность нашла применение в микроэлектронной аппаратуре. В заключении нужно сказать немного об усилителях на полевых транзисторах, которые так же строятся с использованием трех основных схем. И соответственно от вывода транзистора, соединяемый с корпусом различают: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС).

полезные ссылки