Что такое усилитель?
В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона
слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник
Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:
Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.
Что такое черный ящик в электронике
В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик.
Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.
То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.
Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).
Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.
Дифференциатор
Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже
Дифференциатор на операционном усилителе.
Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.
Выходное напряжение составит
Что такое четырехполюсник
В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».
Пассивный четырехполюсник
Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).
В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.
Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.
Активный четырехполюсник
А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.
То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.
Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.
Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.
В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.
В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .
Интегратор
Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже
Интегратор на операционном усилителе.
Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.
Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит
Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования
Обобщенная схема усилителя
Она выглядит примерно вот так:
Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС EИ и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада Rвх .
Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).
В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .
Идеальный операционный усилитель и его свойства
Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.
Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:
- Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
- Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
- Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
- Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
- Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.
Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.
Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.
Типы усилителей
Усилители можно разделить на три группы:
Усилитель напряжения
Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:
где
KU — это коэффициент усиления по напряжению
Uвых — напряжение на выходе усилителя, В
Uвх — напряжение на входе усилителя, В
Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .
В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е. Rвх >>Rи и Rн намного больше, чем Rвых (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.
Усилитель тока
Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:
где KI — коэффициент усиления по току
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Iвх — сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А
Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.
Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.
Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.
Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.
Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.
Усилитель мощности
Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.
Чем же УМ отличается от УН и УТ?
Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.
Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:
где
P — мощность, Вт
I — сила тока, А
U — напряжение, В
Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:
где
KP — коэффициент усиления по мощности
Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт
Pвх — мощность на входе усилителя, Вт
Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .
Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).
Общие сведения об электронных усилителях
2.1.1 Структура электронного усилителя
Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы. Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.
Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала.
Обобщенная схема включения усилителя приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Схема включения электронного усилителя
Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых – сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее десятков – сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.
Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой. В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.
Электронный усилитель может быть однокаскадным, двухкаскадным или многокаскадным. В общем случае усилитель состоит из нескольких каскадов, к первому из которых подключают источник сигнала, а к выходу последнего – нагрузку. Необходимость в использовании нескольких каскадов обусловлена, в первую очередь, тем, что сигнал, передаваемый от источника к нагрузке предварительно необходимо усилить в тысячи – десятки тысяч и более раз. При использовании в усилителе в качестве активного элемента, например, биполярного транзистора с коэффициентом передачи тока базы 50 … 100, задача может быть решена только в том случае, если последовательно включить несколько каскадов усиления. Кроме этого часто возникает необходимость согласовывать выходное сопротивление источника сигнала со входным сопротивлением усилителя, либо выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки.
Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.
В состав усилителя входят следующие элементы:
— оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);
— предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным, то предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;
— каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления напряжения), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;
— выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;
— входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;
— цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или частъ каскадов предварительного усиления;
— устройство безынерционной защиты (УБЗ) – для защиты транзисторов оконечного каскада усилителя от перегрузки;
— источник питания и фильтры (ФП)в цепях питания каскадов предварительного усиления.
Рисунок 2.2 – Обобщенная структурная схема усилителя
Однако в каждом частном случае структурная схема усилителя может содержать не все элементы, показанные на рисунке 2.2. Так, в случае использования однотактного оконечного каскада небольшой мощности предоконечный каскад не отличается от обычного каскада предварительного усиления и потому не должен рассматриваться как особый элемент структурной схемы. Кроме того, могут отсутствовать устройства безынерционной защиты или другие элементы, показанные на рисунке 2.2.
2.1.2 Классификация усилителей
Электронные усилители находят применение в самых различных областях науки, техники и производства. Являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью более сложных устройств и систем, усилители нашли широкое применение в радиовещании, звуковом кино, технике звукозаписи, телевидении, радиолокации и радионавигации, ядерной физике, медицине и биологии, вычислительной технике, в системах автоматики, в измерительной технике и т. д. Несмотря на такой широкий спектр областей приложения, усилители, предназначенные для совершенно различных целей, могут обладать идентичными свойствами. Поэтому классификация усилителей по назначению, как правило, не применяется, так как дает мало сведений для суждения о свойствах и особенностях таких устройств.
Обычно при классификации усилителей учитывают:
— характер (форму) входного сигнала;
— диапазон усиливаемых частот;
— функциональное назначение;
— тип усилительных элементов.
По форме усиливаемых сигналов различают усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т. д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.
По диапазону частот усилители делят на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока. Усилителями постоянного тока называются такие усилители, которые усиливают колебания с частотами, начиная с fн = 0 до некоторой (обычно не очень высокой) частоты fв, то есть способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала (рисунок 2.3, а. Буквой K на рисунке 2.3 обозначен коэффициент усиления усилителя). Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания в диапазоне частот от нижней граничной частоты fн до верхней граничной частоты fв. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня (рисунок 2.3, б, в).
Среди усилителей переменного тока выделяют:
— усилители звуковой частоты, рабочий диапазон которых находится в пределах 20 Гц … 20 кГц, причем fн << fв (рисунок 2.3, б);
— усилители радиочастоты, у которых отношение fв / fнблизко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых (рисунок 2.3, в). Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах. В выходные цепи каскадов здесь включаются колебательные контуры, резонансная частота которых fp » (fн + fв) / 2. Поэтому они называются также резонансными усилителями. Их полоса пропускания Df = fв – fн<< fр. Остальные усилители, в отличие от резонансных, иногда называют апериодическими;
— широкополосные усилители (ШУ), у которых fв > 100 кГц, a fн – десятки герц. К ним относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных приемников и т. д.
Рисунок 2.3 – Положение полосы пропускания на оси частот
для разных классов усилителей
По функциональному назначению усилители условно делят на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Такое деление в значительной степени является условным. Как отмечалось ранее, усиление мощности может быть достигнуто за счет усиления напряжения, за счет усиления тока, либо за счет усиления и напряжения и тока. Однако принято считать, если главным назначением усилителя является повышение напряжения до необходимого уровня, то он называется усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока. Усилителями мощности обычно называют выходные каскады многокаскадного усилителя, способные отдавать во внешнюю нагрузку требуемую мощность.
По типу усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, диэлектрические, магнитные усилители и усилители на интегральных микросхемах.
Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейные, сетевые и т. д.), по числу каскадов, по конструктивному исполнению (переносные, стационарные) и т. д.
2.1.3 Основные параметры и характеристики усилителей
Сумму сведений, характеризующих основные свойства технического устройства, называют его показателями. Технические показатели электронного устройства характеризуют усиление, искажения, точность преобразования, уровни сигналов на входе и выходе и т. д. и позволяют оценить степень пригодности устройства для того или иного применения.
Рассмотрим основные технические показатели электронных усилителей. Их можно разделить на две отдельные группы – параметры и характеристики.
К основным параметрам усилителя относятся: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, допустимый уровень линейных и нелинейных искажений, уровень собственных шумов, коэффициент полезного действия, динамический диапазон изменения входного сигнала.
Рассмотрим перечисленные параметры более подробно.
2.1.3.1 Входное и выходное сопротивления. Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой. В общем случае значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты.
Усилитель может быть представлен эквивалентной схемой, изображенной на рисунке 2.4. Как видно из рисунка, такая схема является четырехполюсником – то есть электрической системой с четырьмя внешними зажимами.
Рисунок 2.4 – Представление усилителя в виде четырехполюсника
Входное сопротивление усилителя представляет собой внутреннее сопротивление между его входными зажимами. В большинстве случаев оно определяется параллельным соединением резистивного (активного) сопротивления Rвх и емкости Свх. Входное сопротивление усилителя может быть представлено в виде отношения комплексных амплитуд напряжения между входными зажимами усилителя и тока , протекающего в его входной цепи:
. (2.1)
Величину входного сопротивления выбирают либо в зависимости от характера сопротивления источника сигнала, либо в зависимости от вида согласования усилительного устройства с источником сигнала – по току, по напряжению или по мощности. Обычно желательно обеспечить большое сопротивление Rвх и малую емкость Свх. В некоторых измерительных усилителях иногда требуется, чтобы Rвх ® 0.
Значения коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности зависят от соотношения между и . Если нужно получить максимальный коэффициент усиления по напряжению, то должно выполняться условие . Для получения максимального коэффициента усиления по току необходимо, чтобы , а для максимального усиления мощности нужно выполнить равенство .
Выходное сопротивление усилителя – это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель является источником сигнала, внутреннее сопротивление которого равно
, (2.2)
где – комплексная амплитуда выходного напряжения в режиме холостого хода (при RН ® ¥);
– комплексная амплитуда выходного тока при коротком замыкании в нагрузке (RН = 0).
При выборе значения выходного сопротивления усилителя в каждом конкретном случае, как и при выборе входного сопротивления, подходят индивидуально. В общем случае можно использовать те же рекомендации, что и при выборе входного сопротивления, а именно:
— если нужно получить максимальный коэффициент усиления по напряжению, то необходимо выполнить условие
;
— для получения максимального коэффициента усиления по току необходимо, чтобы
;
— для максимального усиления мощности нужно выполнить равенство
.
2.1.3.2 Коэффициент усиления. Коэффициент усиления является одним из наиболее важных параметров усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины, различают коэффициенты усиления напряжения KU, тока KIи мощности KP.
Коэффициент усиления напряжения (передачи напряжения) усилителя – это отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений:
. (2.3)
Коэффициент усиления определяют в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.
Коэффициентом усиления тока называется отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного токов:
. (2.4)
Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности сигнала, подаваемого на вход усилителя, называется коэффициентом усиления мощности:
. (2.5)
При последовательном соединении нескольких усилительных каскадов общий коэффициент усиления системы определяется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:
. (2.6)
На практике коэффициенты усиления часто выражают логарифмическими единицами – децибелами. Коэффициент усиления мощности можно представить следующим образом
. (2.7)
Если мощности РНи Рвх выделяются на одинаковых сопротивлениях (RН = Rвх = R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений
. (2.8)
Аналогично можно записать и для коэффициента усиления тока
. (2.9)
Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением, то есть
. (2.10)
При наличии в каскадах усилителя реактивных элементов (индуктивностей, разделительных и блокировочных конденсаторов, емкостей р-п-переходов транзисторов и пр.) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину, зависящую от частоты
, (2.11)
где K(w) – модуль комплексного коэффициента усиления;
j(w) – аргумент комплексного коэффициента усиления, представляющий собой разность фаз выходного и входного сигналов.
2.1.3.3 Линейные искажения. Предположим, что коэффициент усиления K(w) не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в K раз и по фазе на угол j.
Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как K – комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель будут изменяться по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями.
В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления K в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме) и фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).
Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, а фазовые – с помощью фазочастотной характеристики.
2.1.3.4 Нелинейные искажения. Как известно из теоретических основ электротехники, если электрическая цепь содержит хоть один нелинейный элемент, то такая цепь называется нелинейной. В состав усилителей входят элементы (приборы), имеющие нелинейные ВАХ – транзисторы, диоды, магнитопроводы, полупроводниковые конденсаторы микросхем и др. Поэтому, если не обеспечить функционирование названных приборов в пределах линейных участков ВАХ, то коэффициент усиления усилителя будет зависеть от амплитуды входного сигнала, что, в свою очередь, будет вызывать нелинейные искажения усиливаемого сигнала.
Таким образом, под нелинейными искажениями понимают изменения формы усиливаемого колебания, вызванные зависимостью коэффициента усиления усилителя от амплитуды входного сигнала.
При прохождении сигнала через нелинейное устройство (усилитель) происходит изменение его спектрального состава – появляются высшие гармоники в его спектре. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. Нелинейные искажения сигнала в усилителях принято оценивать с помощью коэффициента гармоник.
Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:
. (2.12)
Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения гармоник, причем вместо напряжений можно оперировать токами или мощностями
. (2.13)
Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.
В различных по назначению усилителях предъявляют разные требования к величине коэффициента гармоник, который, как правило, выражают в процентах. Так, например, для вещательной аппаратуры с высоким качеством воспроизведения речи и музыки он не должен превышать 1 … 2%, для устройств среднего качества – 5 … 7%. В усилителях звуковых частот класса Hi-Fi обычно обеспечивают Kг = 0,3 … 0,5%. Как показывает практика, если коэффициент гармоник не превышает 0,2 … 0,5 %, то нелинейные искажения на слух практически незаметны.
2.1.3.5 Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия (КПД) h усилителя характеризует экономичность расходования энергии источника питания. Обычно он измеряется при усилении гармонического колебания частоты 1 кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет собой отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания:
. (2.14)
Разность РS – РН = Рпот является мощностью потерь в усилителе.
Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь в нем, которая превращается в тепло. Например, для предотвращения перегрева оконечных транзисторов их приходится снабжать радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Таким образом, КПД усилителя косвенно характеризует также его удельные размеры и массу (на единицу выходной мощности).
2.1.3.6 Собственные помехи. Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, подведенный к его входу, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него ипоэтому называемые собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в усилителях постоянного тока – еще и дрейф нуля.
Фон – это колебание с частотой питающей сети или кратной ей. Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя источника напряжения (при питании от сети переменного тока). В ламповых усилителях дополнительным источником фона являются цепи накала катодов, если они питаются переменным током.
Наводками называются помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями. Источниками этих помех могут быть сетевой трансформатор блока питания, его соединительные провода, провода электросети или какие-либо электроустановки.
Для количественной оценки фона и наводок используют отношение их напряжения на выходе усилителя к выходному гармоническому напряжению, соответствующему номинальной выходной мощности. Для качественных усилителей напряжение фона не должно превышать – 60 … – 70 дБ.
Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда (электронов и дырок) во всех электропроводящих материалах, из которых выполнены детали усилителя.
Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок, полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно.
Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным ко входу. Так же оценивают иногда и уровень фона.
2.1.3.7 Амплитудно- и фазочастотная характеристики. Как показано ранее, в общем случае коэффициент усиления усилителя является комплексной величиной. Поэтому для коэффициента усиления напряжения можно записать:
. (2.15)
Как видно из приведенной формулы, модуль и аргумент комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя являются функциями частоты.
Зависимость модуля комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты (K(w)) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Типовая АЧХ усилителя звуковых частот изображена на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Типовая амплитудно-частотная характеристика усилителя
Для АЧХ усилителя типичным является наличие так называемой области средних частот,в пределах которой KU почти не зависит от частоты и принимает свое максимальное значение KU0. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления.
В области нижних и верхних частот АЧХ обычно спадает (коэффициент усиления напряжения уменьшается). Частоты, на которых модуль комплексного коэффициента усиления напряжения уменьшается относительно своего максимального значения в раз (на рисунке 2.5 этот уровень показан как 0,707KU0), называются граничными частотами усилителя (или частотами среза АЧХ): fн (wн)и fв (wв) – соответственно нижняя и верхняя граничные частоты. Диапазон частот от wн до wв называется полосой пропускания усилителя: .
По АЧХ усилителя можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот. Характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений, определяемый из отношения
, (2.16)
где KUf – коэффициент усиления по напряжению на заданной частоте.
Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах полосы пропускания, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах. Обычно принимают Mн = Mв= , то есть на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30 … 20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300 … 3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать широкополосные усилители, полоса пропускания которых занимает диапазон частот от единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.
Зависимость аргумента комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты j(w) называется его фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Типовая ФЧХ усилительного каскада показана на рисунке 2.6 сплошной линией.
Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения. Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (штрихпунктирная линия на рисунке 2.6), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал Dt. Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте
. (2.17)
Рисунок 2.6 – Фазочастотная характеристика усилителя
Из рисунка 2.6 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот. Вчастности, в усилителе звуковых частот на граничных частотах угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами по сравнению с этим параметром в середине полосы пропускания составляет .
В многокаскадном усилителе коэффициент частотных искажений определяется как произведение соответствующих коэффициентов всех каскадов
, (2.18)
а фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями – как алгебраическая сумма фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами
. (2.19)
2.1.3.8 Переходная характеристика. Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения ивых(t) усилителя от времени при подаче на его вход скачкообразного перепада напряжения ивх(t). Переходная характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного стационарного состояния в другое, когда входное воздействие скачком изменилось на некоторую величину, условно принимаемую за единицу.
Переходную характеристику h(t)подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рисунок 2.7), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения в каждый момент времени t к его значению в установившемся режиме: h(t) = uвых(t)/Uвых 0. На практике ПХ, в основном, используют для оценки искажений импульсных сигналов при прохождении ими через усилитель.
Искажения скачкообразного (импульсного) напряжения делят на два вида: искажения связанные с нарастанием напряжения, и искажения его вершины. Первые оценивают временем нарастания (установления) tнар и выбросом d, вторые – спадом вершины D или ее непостоянством. Временем нарастания называется время, в течение которого фронт нормированной ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9.
Рисунок 2.7 – Переходная характеристика усилителя
Выбросом называется максимальное превышение мгновенного значения напряжения над установившимся значением. Выброс выражают в процентах от установившегося значения напряжения. При колебательном характере процесса может иметь место несколько заметных выбросов в переходной характеристике. Оценке подлежит обычно наибольший из них.
Спад верхней части нормированной ПХ также измеряется в процентах от установившегося значения выходного напряжения. Он может быть положительным и отрицательным (подъем).
В усилителях для высококачественного воспроизведения импульсных сигналов выброс d и спад D обычно не должны превосходить 10%.
Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным методом.
2.1.3.9 Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость установившегося значения выходного напряжения от напряжения, подаваемого на вход усилителя. Типовая АХ усилителя показана на рисунке 2.8. Снимают амплитудные характеристики усилителей при синусоидальном входном сигнале для одной из частот, лежащих в полосе пропускания усилителя.
Рисунок 2.8 – Амплитудная характеристика усилителя
Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления KU. Поэтому в идеальном случае амплитудная характеристика представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат, тангенс угла наклона которой определяет коэффициент усиления KU0. Однако в действительности АХ совпадает с прямой только в средней части 2, на участке АВ. Начальный участок 1 АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных помех UШ. Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя (переход усилительного элемента каскада в режим насыщения), чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания.
Как видно из рисунка 2.8, при изменении входного напряжения в пределах от Uвх1 до Uвх2 усилитель можно считать линейным устройством, для которого существует линейная зависимость между приростами входного и выходного напряжений. Таким образом, АХ дает возможность определить пределы изменения Uвх, для которых усилитель с необходимой точностью можно рассматривать как линейное устройство.
В общем случае уровень сигнала, подаваемого на вход усилителя, не является величиной постоянной. Он может изменяться от некоторой минимальной величины Uг мин до максимальной Uг макс. Отношение
(2.20)
называется динамическим диапазоном сигнала.
Часто динамический диапазон сигнала выражают в логарифмических единицах:
. (2.21)
Динамический диапазон сигналов может изменяться в широких пределах. Так, например, динамический диапазон звучания симфонического оркестра составляет 70 … 80 дБ, речи диктора – 25 … 35 дБ и т. д. Чтобы в усилителе не происходило нелинейных искажений входного сигнала (то есть сохранялся его динамический диапазон), необходимо соблюдение условия , где
(2.22)
представляет собой динамический диапазон усилителя. В (2.22) в качестве Uвх1 и Uвх2 выступают соответствующие минимальное и максимальное входные напряжения, полученные из амплитудной характеристики усилителя (рисунок 2.8).
Сигнал, подаваемый на вход усилителя, может быть выделен среди собственных помех усилителя, если его уровень превышает уровень помех. Наиболее существенной шумовой составляющей, которая не может быть полностью скомпенсирована, является тепловой шум сопротивления, вызываемый флуктуационным движением электронов в объеме проводника. Наиболее существенное влияние оказывает шум входного сопротивления усилителя, шумовое напряжение которого Uш в микровольтах может быть вычислено по формуле
, (2.23)
где Rвх – входное сопротивление первого каскада, кОм;
Df = fв – fн – полоса пропускания усилителя, кГц.
Если принять Uвх1 = (10 … 20)Uш, то с достаточной для практики точностью можно полагать, что при этом в нижней части АХ начинается линейный участок.
Выходная мощность усилителя
Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:
где
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
UВых — напряжение на нагрузке, В
Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:
где
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Uвых — напряжение на нагрузке, В
cosφ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения
Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид
Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.
Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.
Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:
В УН KU > 1, KI = 1; в УТ KI > 1, KU = 1; в УМ KU > 1 и KI > 1.
Логарифмирующий преобразователь
Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже
Логарифмирующий преобразователь.
Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.
Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением
где IO – обратный ток диода, е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72, q – заряд электрона, U – напряжение на диоде, k – постоянная Больцмана, T – температура в градусах Кельвина.
При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит
тогда выходное напряжение
Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:
- Высокая чувствительность к температуре.
- Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.
Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.
Виды усилителей по полосе пропускания
По ширине полосы пропускания усилители делятся на:
Усилители низкой частоты
Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.
Усилители высокой частоты
Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.
Широкополосные усилители
Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.
Узкополосные усилители
Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.
