Глава 14. Электронные усилители и генераторы. Электронные усилители

Усилители электронные: типы, характеристики, назначение

Электронными усилителями являются специальные приборы, повышающие мощность, напряжение или ток поступающих сигналов. Их точное предназначение и принципы действия зависят от конкретного вида устройства, которых достаточно много. Они используются в звукозаписывающих студиях, на телевидении и радио, помогают в приеме Wi-Fi-сигналов и сигналов из космоса. И это далеко не весь перечень функций, потому трудно переоценить значение этих приборов.

усилители электронные

Триоды и первые усилители

В начале XX века в мире происходило бурное развитие технологий. Развивалось машиностроение, промышленность, энергетика. Именно в это время зародилась такая наука, как электроника. Поначалу она не имела широкого практического применения, однако уже через полвека это направление стало важнейшим для человеческой цивилизации. Всё, чем в наши дни пользуется человек, было бы невозможно без развития электронных технологий. Важным прорывом того периода стало изобретение устройства под названием триод.

Первая модель этого устройства представляла собой стеклянную лампу с тремя электрическими контактами и была предназначена для изменения входного сигнала электрического тока. Изменение происходило путём усиления входного сигнала. Так появился первый в истории электронный усилитель, который на заре века позволил произвести прорыв в отрасли связи – удалось создать первый беспроводной телеграф.

Общие принципы

Основной принцип работы абсолютно любого усилителя электрических сигналов, вне зависимости от функционального назначения, связан с тем, что при малых изменениях значений электрического тока и/или напряжения на входе усилительной цепи происходит значительное увеличение этих параметров на выходе, что может быть применено на практике.

усилитель электрических сигналов

Основная часть любого усилителя – это устройство под названием транзистор. Он состоит из трёх отдельных полупроводниковых элементов, которые имеют электрические контакты – это коллектор, база, эмиттер. При протекании переменного тока через них, в зависимости от его направления, транзистор усиливает или ослабляет мощность входного сигнала.

Параметры усилителей

Самая главная характеристика усилителя – это коэффициент усиления, и равен он отношению значения параметра на входе к значению параметра на выходе из цепи. Фактически этот показатель и даёт главное представление о качестве устройства и о его возможностях. Ещё один важный параметр – амплитудная характеристика. Фактически это функциональная зависимость амплитуды выходных показателей от значений входного сигнала. Важность данного параметра заключается в том, что зависимость эта нелинейная, а значит, на разные значения сигнала на входе схема будет реагировать по-разному. Третий важный параметр электронного усилителя – амплитудно-частотная характеристика, которая фактически показывает зависимость значения коэффициента усиления от частоты входного сигнала. Как получается на практике, при разной частоте переменного тока усиление происходит по-разному.

Классификация

Существует несколько признаков, по которым выделяют те или иные разновидности усилителей. Первый – это частота. Низкочастотные приборы способны повышать показатель не более чем на сотню килогерц. У высокочастотных он растет в пределах от 100 кГц до 100 МГц, иногда чуть более. Есть еще так называемые «избирательные» устройства, работающие в определенном небольшом диапазоне частот. Самый широкий охват у четвертого вида приборов. Широкополосные способны усиливать от 10 Гц до 100 МГц.

Другая типология связана с тем, что в устройствах содержится активный элемент. Это может быть, к примеру, транзистор. Выделяют полупроводниковые, СВЧ-усилители, диодные, ламповые.

характеристики усилителей

Одна из новейших разновидностей – параметрические, где рост мощности сигнала происходит посредством энергии генерирующего внешнего источника. Эпизодически меняется емкость нелинейного индуктивного элемента в электрической цепи. Существуют усилительные приборы на туннельных диодах, которые используют для передачи звука в приемниках радио.

Более известна классификация по режимам. Они обозначаются заглавными символами латинского алфавита. До 60-х годов прошлого века существовало всего четыре класса: A, B, C, D. Впоследствии технологии совершенствовались и усложнялись, появились дополнительные типы режимов, подклассы, усилители с переменным напряжением.

Основы телевещания

Важнейший негативный фактор, влияющий на качество ТВ-сигнала, – удалённость от источника (телевышки). Если удалённость от телевизионной вышки настолько высока, что антенна просто не в состоянии поймать сигнал, имеет смысл включить в сеть телевизионный усилитель.

Телевизионный сигнал – это сложный электромагнитный импульс, несущий в себе видео- и аудиоинформацию. Из-за этого усилители для ТВ-антенн заметно отличаются от радиоприборов. Существует множество ТВ-усилителей, различных по характеристикам и функционалу.

телевизионный усилитель

В основном они делятся на две категории – усилители аналогового сигнала и цифрового ТВ (DVB-T2). Также стоить принимать во внимание, что выбор прибора зависит и от того, на сколько ТВ-приёмников необходимо передать сигнал.

Применение в мобильных сетях

Самое важное для человека устройство в наши дни – разумеется, мобильный телефон. Сегодня в мире насчитывается несколько миллиардов карманных средств связи. Но какой бы в них был толк, если бы не существовало мобильных сетей? Телефон превращается просто в дорогую игрушку, когда абонент находится в таких местах, где не существует покрытий мобильных сигналов. В каждом мобильном аппарате существует усилитель связи. Дело в том, что одной встроенной антенны для приёма сигнала сотового оператора буде недостаточно по причине того, что сигнал ослабевает с расстоянием от источника.

Чтобы связь происходила без помех, специальный усилитель связи в телефоне увеличивает мощность пойманного антенной сигнала и переводит его уже в удобный для абонента вид. Но иногда даже этого встроенного усилителя бывает недостаточно при слишком слабом покрытии местности. И тогда применяются специальные внешние усилители – репитеры, идущие отдельно от комплекта телефона.

Применение в Wi-Fi

В современную информационную эру сложно представить свою жизнь без доступа ко Всемирной паутине. Самым популярным типом беспроводного соединения, бесспорно, считается Wi-Fi. Однако у этой технологии есть заметный минус – ограниченная дальность действия. При отсутствии преград устройства могут принимать сеть на расстоянии лишь до 100 метров. Это не всегда удобно, особенно для крупных компаний или фирм, филиалы которой находятся в разных районах города.

усилитель wifi

Подобный недостаток снимают усилители WiFi. Это специальные устройства-повторители, которые принимают слабый электромагнитный сигнал, преобразуют его в более мощный и ретранслируют на близлежащие приёмники интернет-сигнала. WiFi-усилители всё чаще становятся популярными в загородной местности, что делает этот тип интернет-соединения не менее популярным, чем мобильный.

Изменение звуковой частоты

Человек способен слышать звук только в определенных пределах восприятия. Фактически на звуковые сигналы с частотой свыше 20 тысяч Гц люди не могут реагировать. Ультразвуковые волны слышат лишь некоторые виды животных, преимущественно ведущие ночной образ жизни. Что касается низкочастотных, то здесь порог для человека – от 16 Гц. Все, что ниже, называется инфразвуком. Подобные волны образуются при падении метеорита, во время бурь. Но для человеческого уха такие сигналы неслышимы.

Усилитель частоты применяют во многих бытовых приборах и технике. Это телевизоры, передатчики радио, музцентры. Есть и отдельные специальные устройства. Суть их – в достижении определенного частотного диапазона, равного тому, что способен воспринять человеческий мозг. Низкие частоты преобразуются, изменяется мощность колебаний. В некоторых аппаратах есть возможность регулировать тембры, уровень громкости. С помощью встроенного эквалайзера можно даже корректировать амплитуду сигнала.

С применением радиоламп

В ламповых усилителях используются вакуумные лампы. Такие приборы популярны в студиях звукозаписи и воспроизведения музыки. Их достоинство в том, что помимо получения подходящих частот удается получить дополнительные тоны. Их именуют гармониками, и если в полупроводниковых устройствах это как четные, так и нечетные, то в ламповых – преимущественно только первые. Звучание получается чище, музыка – качественнее.

ламповый усилитель

Мощность ламповых усилителей ниже, чем в транзисторных, но зато их схемы гораздо проще, без обилия сложных деталей. Считается, что такие приборы более натурально передают звук, в особенности высокие диапазоны частот. С воспроизведением басов могут быть проблемы. Поэтому рекомендуют прослушивать с помощью устройств в основном вокальную или джазовую музыку.

О моноблоках

Существует разновидность электронных усилителей, которые называют моноблочными. Их влияние распространяется только на один звуковой канал. Отсюда термин, где «моно» обозначает «единственный». Подобными агрегатами пользовались музыканты из довольно известных групп, таких как Grateful Dead. Усилители работают на лампах, но существуют и с транзисторами. Их преимущество: дают превосходное качество звука.

усилитель частоты

Для оборудования стереосистемы потребуется два моноблока. Это связано с влиянием на правый либо левый звуковой канал. В дополнение желательно приобрести предварительный усилитель. Моноблоки – проверенные временем устройства. Они появились одними из первых из подобных себе и распространены по сей день. Недостатки – довольно высокая цена и особые требования по размещению и использованию. Потому подобную аудиосистему оборудовать могут позволить себе только профессиональные музыканты, имеющие средства.

fb.ru

3.5. Электронные усилители

3.5.1. Определение и классификация усилителей

Электронный усилитель – это устройство, увеличивающее мощность электрических сигналов. Основным элементом усилителя является прибор, обладающий управляющими свойствами, т.е. управляющий элемент (транзистор, тиристор, лампа и др.). Кроме того, в состав усилителя входят пассивные элементы и источник питания.

Один управляющий элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Структурная схема усилительного каскада показана на рис.3.20. К входу усилителя подключается источник сигнала. Входной маломощный сигнал управляет энергией источника питания значительно большей мощности. Таким образом, используя управляющий элемент, например, транзистор и более мощный источник питания, можно усиливать мощность входного сигнала. Внешняя нагрузка Rн, потребляющая энергию усиленного сигнала, подключается к выходу усилителя. Нагрузкой, а также источником входного сигнала часто служат соответственно последующий и предыдущий каскады усиления, т.к. в общем случае усилитель может содержать несколько каскадов усиления.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности. Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузочном сопротивлении заданную величину выходного напряжения, его входное сопротивление намного больше сопротивления источника сигнала Rвх>>Rи, а сопротивление нагрузки намного больше выходного сопротивления усилителя Rн>>Rвых. Режим усилителя тока обеспечивается, когда Rвх<<Rи и Rн<<Rвых. В режиме усилителя мощности Rвх ≈ Rи и Rвых ≈ Rн. Такое деление достаточно условно потому, что любой усилитель в конечном итоге усиливает мощность.

По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

По диапазону и абсолютным значениям усиливаемых частот сигнала – усилители постоянного тока (полоса частот от нуля до верхней граничной частоты), переменного тока, высокой частоты, промежуточной частоты, низкой частоты, широкополосные усилители.

По виду связи между каскадами различают усилители с RC-связью, трансформаторной, резонансно-трансформаторной и непосредственной.

3.5.2. Основные параметры и характеристики усилителей

Входное и выходное сопротивления. Входное сопротивление Rвх представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Выходное сопротивление Rвых определяется между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке и отсутствии входного сигнала.

Коэффициент усиления. Основным показателем всех усилительных схем является коэффициент усиления – отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе. Так как выходной сигнал отличается от входного не только по величине, но и по фазе, то в общем случае коэффициент усиления – величина комплексная:

K = Kexp(jφ),

где К - модуль коэффициента усиления;

φ - угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами.

В зависимости от усиливаемого параметра различают

коэффициенты усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх, по току Ki = Iвых/Iвх и по мощности Kp = Pвых/Pвх. Коэффициент усиления по мощности всегда число действительное.

Так как восприятие слуховых органов человека подчиняется логарифмическому закону, усиление удобно выражать в логарифмических единицах – децибелах. К тому же во многих схемах усиления уровень мощности сигнала в различных точках может меняться от микроватт до

киловатт, и коэффициент усиления в безразмерных единицах выражался бы довольно громоздким числом. Формулы перевода имеют вид:

Ku(дБ) = 20lgKu; Ki(дБ) = 20lgKi; Kp(дБ) = 10lgKp.

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Необходимо иметь в виду, что входной сигнал любой формы можно представить как сумму гармонических составляющих, имеющих различные частоты и усиливающихся неодинаково.

На рис.3.21,а показана типичная частотная характеристика для усилителя с RC-связью. Как видно из рисунка, модуль коэффициента усиления на различных частотах имеет разные значения, в результате чего на выходе усилителя изменяется форма сложного сигнала или амплитуда гармонического, т.е. усилитель вносит в усиливаемый сигнал частотные искажения. Они обусловлены наличием реактивных элементов (емкостей и

индуктивностей), сопротивления которых зависят от частоты.

Частотные искажения на частоте f оцениваются коэффициентом

частотных искажений М:

М = К0/Кf,

где К0 - модуль коэффициента усиления на средних частотах;

Kf - модуль коэффициента усиления на частоте f.

Обычно в зависимости от назначения усилителя допустимые частотные искажения лежат в интервале сотые доли децибела - несколько децибел.

Частоты fн и fв, на которых искажения достигают гранично-допустимую величину для усилителя данного назначения, называются граничными. Диапазон частот Δf = fв - fн называется полосой пропускания усилителя. Обычно на частотной характеристике выделяют три участка: средний, почти горизонтальный участок, со средней частотой f0, левый (область нижних частот) и правый (область верхних частот) участки, на которых заметно снижается коэффициент усиления.

Фазовая (фазочастотная) характеристика усилителя (рис.3.21,б) представляет собой зависимость фазового сдвига между выходным и входным напряжениями от частоты, пунктиром на рис.3.21,б показана идеальная фазовая характеристика усилителя без искажений – это прямая линия, проходящая через начало координат. Из сравнения частотной и фазовой характеристик видно, что появление частотных искажений сопровождается наличием фазового сдвига между выходным и входным сигналами, т.е. появлением фазовых искажений. Они обусловлены теми же причинами, что и частотные.

В усилителях звуковых сигналов фазовые искажения не играют существенной роли, поскольку они не воспринимаются на слух при прослушивании музыки и речи. В усилителях импульсных сигналов они влияют на форму усиливаемых сигналов.

Амплитудная характеристика (рис.3.21,в) выражает зависимость амплитуды напряжения (или действующего значения) выходного сигнала усилителя от амплитуды напряжения (или действующего значения) сигнала на его входе при некоторой постоянной частоте. Когда значения входного сигнала малы, амплитудная характеристика проходит не через начало координат, т.к. в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Причиной шумов являются пульсации напряжения источника питания, а также неоднородность структуры материала элементов и непостоянство электрических процессов во времени.

При больших входных сигналах (Uвх>Uвх.макс) пропорциональность между выходным и входным напряжениями нарушается из-за нелинейности вольт-амперных характеристик транзистора. Данное обстоятельство приводит к искажению формы выходного сигнала, эти искажения называются нелинейными. Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармоник (коэффициенту нелинейных искажений):

где Ui - действующее (амплитудное) значение i-й гармоники выходного напряжения.

Допустимое значение коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Для усиления речи и музыки среднего качества коэффициент гармоник 2%.

Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряжений сигнала, которые данный усилитель может усилить без внесения помех и искажений сверх нормы и равен отношению максимального входного напряжения к минимальному:

D = Uвх.макс/Uвх.мин.

Динамический диапазон обычно выражается в децибелах.

Переходная характеристика представляет собой графически выраженную временную зависимость мгновенного значения выходного напряжения при воздействии на вход усилителя единичного скачка напряжения. Эта характеристика используется при оценке линейных искажений, вносимых усилителем при передаче импульсных сигналов. Искажения импульсных сигналов называются также переходными искажениями, а аналитическая запись переходной характеристики – переходной функцией.

studfiles.net

Электронный усилитель - это... Что такое Электронный усилитель?

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

История

1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Устройство и принцип действия

УНЧ с обратной связью. Типичная схема

Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскады усиления

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)
- Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.
- Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.
- Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.
- Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.
Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE)[1]
Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.
- Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.
- Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

Режим B, двухтактный каскад
Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

Классификация

Аналоговые усилители и цифровые усилители

В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе

Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)
Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках
Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот

Усилитель постоянного тока (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике
Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот

Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот
Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот
Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Виды усилителей по типу нагрузки

с резистивной;
с ёмкостной;
с индуктивной;
с резонансной.

Специальные виды усилителей

Дифференциальный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход.
Операционный усилитель — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.
Инструментальный усилитель — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала
Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью
Логарифмический усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала
Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала
Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала
Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)
Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений
Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал
Изолирующий усилитель — усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления

Некоторые функциональные виды усилителей

Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.
Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.
Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника.
Резонансный усилитель — усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой.
Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения.
Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку.
Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать.
Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.

Усилители в качестве самостоятельных устройств

Усилители звуковой частоты
- Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.
- Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.
- Бытовые усилители звуковой частоты . В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.
Измерительные усилители — предназначены для усиления сигналов в измерительных целях.
Антенные усилители — предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.

Предварительный усилитель
Hi-Fi УНЧ McIntosh MA6800
Усилитель мощности Aleph 3

Основные нормируемые параметры

См. также

Примечания

↑ Hickman, R. W. and Hunt, F. V., "On Electronic Voltage Stabilizers, " Review of Scientific Instruments, vol. 10, p. 6-21 (January 1939)

Литература

Симонов Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — М.: Советское радио, 1973
Букреев С. С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. — М.: Советское радио, 1972
Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983
Справочник по радиоэлектронным устройствам: Т. 1 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
Рамм Г. С. Электронные усилители.
Шамшин В. Г. История технических средств коммуникации, 2003.

Нормативно-техническая документация

ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
ГОСТ 29180-91. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы СВЧ. Усилители малошумящие. Параметры и характеристики. Методы измерений.
ОСТ4-203.007-84. Аппаратура для озвучивания открытых и закрытых пространств. Усилители звуковой частоты. Общие технические условия.
ОСТ45-138-99. Усилители оконечные звуковой частоты станций проводного вещания. Основные параметры. Методы измерений.
IEC 60527(1975). Усилители постоянного тока. Характеристики и методы испытаний.
IEC 60581-6(1979). Акустическая аппаратура и системы высокой верности воспроизведения (Ні-Fi). Минимальные требования к параметрам. Часть 6. Усилители.
IEC 61305-3(1995). Аудиоаппаратура и аудиосистемы с высокой верностью воспроизведения бытовые. Методы измерения и установления рабочих характеристик. Часть 3: Усилители.
IEC 60268-3(2000). Оборудование звуковых систем. Часть 3. Усилители.

Ссылки

dic.academic.ru

Глава 14. Электронные усилители и генераторы

14.1. Электронные усилители

14.1.1. Транзисторные усилители

Назначением усилителя как электронного устройства является увеличение мощности сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усилители сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилителями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усилители. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

, (14.1)

где ,– мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Соответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэффициенты усиления напряжения и тока

; . (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного сопротивлений и сопротивлений источника сигналаи нагрузки. Для усилителя напряжения характерны соотношения:,, которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения,дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью работают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сигнала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при и.

Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из нескольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточным каскадами.

Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информационные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проходной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармонических составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свойства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспечивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной обратной связью – операционные усилители.

Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлениеми ЭДС. При= 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питанияи источником смещения.

Резистор уменьшает коэффициент усиления по току биполярного транзистора и крутизну характеристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивления конечны.

Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиления. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выполняются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями (рис. 14.2 а, б).

Вусилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30Гц.

В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение цепей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный режим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достигается путем использования реактивных сопротивлений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конденсаторными (RC-связями) и трансформаторными связями.

Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их относительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному режиму усиления мощности вплоть до согласования транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выполняют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот (). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне отдо . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплечего моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзисторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических операций.

studfiles.net

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ — КиберПедия

Электронные усилители

Транзисторные усилители

, (14.1)

где , – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

; . (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного сопротивлений и сопротивлений источника сигнала и нагрузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения , дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлением и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питания и источником смещения .

В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц.

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот ( ). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне от до . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

14.1.2. Усилители на микросхемах

В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC-связью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилителей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц. Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхемах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденсаторов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обве– дена пунктиром) и схема его включения.

Рис. 14.4

При выведенных отрицательных обратных связях коэффициент усиления напряжения в зависимости от модификации усилителей составляет 250…800. При входном сопротивлении = 1,5 кОм и сопротивлении нагрузки = 5 кОм коэффициент усиления мощности может составлять (2…20)·104. Такое усиление позволяет за счет сильных общих отрицательных обратных связей обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления мощности. При этом наибольшая выходная мощность может достигать 1 мВт.

Усилитель на рис. 14.4 трехкаскадный, причем третий каскад выполнен на основе включения транзисторов Т3 и Т4 по схеме составного транзистора, поэтому в нем возможны общие отрицательные обратные связи.

Операционные усилители

С развитием интегральной технологии производства наиболее распространенным элементом для построения электронных устройств стал операционный усилитель. Он представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, обладающий высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

На принципиальных схемах в самом общем виде операционный усилитель обычно изображают в виде прямоугольника с двумя входными и одним выходным выводами (рис. 14.5). Один из входов усилителя, напряжение на котором усиливается с тем же знаком, называется неинвертирующим и обозначается «+». Напряжение на другом входе – инвертирующем («–») – усиливается с изменением знака на обратный. Коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью одинаков для обоих входов операционного усилителя, причем во всем рабочем температурном диапазоне. Этого достигают выполнением всех элементов усилителя, в том числе и входных транзисторов, на одной кремниевой пластине.

Основные параметры схем, выполняемых на операционном усилителе (ОУ), удобно рассматривать, считая его идеальным, с параметрами:

1) коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью бесконечно большой;

2) напряжение на выходе равно нулю при нулевой разности входных напряжений;

3) входное сопротивление бесконечно большое;

4) выходное сопротивление равно нулю;

5) полоса пропускания частот бесконечна (усилитель не вносит задержки).

Схема операционного усилителя, изображенная на рис. 14.6 называется инвертирующей схемой ОУ. Характерной особенностью ее является то, что неинвертирующий вход заземлен, а инвертирующий вход связан с выходом через сопротивление обратной связи Для инвертирующего включения ОУ характерны перемена знака входного сигнала, а также зависимость коэффициента усиления (коэффициента передачи) только от параметров цепи обратной связи. При достаточно большом значении коэффициента усиления, даже в случае его изменения от экземпляра к экземпляру ОУ или от температуры, параметры усилителя практически не меняются. Такая схема, называемая инвертирующим повторителем входного сигнала, используется как промежуточное звено при связи источника сигнала, имеющего относительно большое внутреннее сопротивление (но меньшее, чем входное сопротивление ОУ), с низкоомным приемником.

Определим с учетом знака выходного напряжения значение входного тока

. (14.3)

Из этого следует, что напряжение на инвертирующем входе для данной схемы стремится к нулю. Поэтому здесь инвертирующий вход может рассматриваться как точка «кажущейся» земли.

На основе инвертирующего усилителя выполняют сумматоры, у которых с инвертирующим входом связано несколько источников сигналов со своими входными сопротивлениями (рис. 14.7).

Поскольку инвертирующий вход, называемый в данном случае «суммирующей точкой», сохраняет потенциал земли, входные токи каждого из источников не зависят друг от друга. Через элемент обратной связи протекает сумма этих токов.

При малом переменном напряжении входного сигнала, соизмеримом с падением напряжения на открытом диоде, для его выпрямления могут применяться схемы на основе ОУ. В них практически исключается влияние падения напряжения на диоде. На рис. 14.8 представлена схема однополупериодного выпрямителя, где диод VD1 включен в цепь обратной связи.

Для схемы, показанной на рис. 14.9 а с учетом того, что потенциал точки суммирования токов за счет обратной связи совпадает с потенциалом земли, имеют место следующие зависимости

;

. (14.4)

Таким образом, посредством этой схемы осуществляется интегрирование входного сигнала с изменением знака. Такой интегратор может применяться, для сглаживания выпрямленного напряжения. Например, подключив в схеме (рис. 14.8) параллельно резистору конденсатор, получим выпрямитель.

Схему дифференциатора, выполняющего операцию, обратную интегрированию, т.е. дифференцирование, можно получить из предыдущей схемы, поменяв местами конденсатор и резистор (рис. 14.9 б). Для этой схемы характерны следующие

соотношения

; . (14.5)

В схеме неинвертирующего усилителя (рис. 14.10) источник входного сигнала с внутренним сопротивлением связан с неинвертирующим входом, а инвертирующий заземлен через резистор и имеет обратную связь через резистор .

Этот усилитель в определенном масштабе воспроизводит на выходе входное напряжение. Достоинством его является большое входное и малое внутреннее выходное сопротивления. При = 0 усилитель превращается в повторитель входного напряжения.

Для сравнения двух сигналов используют схемы ОУ в режиме компаратора. В этих схемах для получения максимальной точности, определяемой чувствительностью схемы, петля обратной связи обычно не замыкается.

На рис. 14.11 показан компаратор, применяемый для сравнения разнополярных входных сигналов – сигнала и опорного . Если одно напряжение

превышает другое, то выходная часть ОУ за счет большого коэффициента усиления переходит из одного состояния насыщения в другое. Таким образом, компаратор служит для преобразования разности аналоговых входных сигналов в дискретный выходной.

Реальный ОУ отличается от рассмотренного ранее идеального наличием входных токов и выходного сопротивления, несбалансированностью обоих плеч входного дифференциального усилителя и конечным значением коэффициента усиления . Поэтому выбор параметров элементов внешних связей ОУ с другими узлами схемы связан с его электрическими параметрами. Для этого в справочной литературе приводится около 20 параметров.

Электронные генераторы

Электронным генератором называют устройство, создающее электрические колебания определенной частоты и формы и использующее для этого энергию источника постоянного тока (напряжения).

По принципу действия генераторы бывают с внешним[2] и внутренним возбуждением. Генераторы с внутренним возбуждением (автогенераторы) возбуждаются самостоятельно (без внешнего источника). Основными характеристиками генераторов являются форма, частота и амплитуда создаваемых колебаний.

По форме колебаний генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных колебаний и генераторы несинусоидальных (релаксационных) колебаний.

По частоте колебаний генераторы подразделяются на низкочастотные (от долей герц до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц … 10 мГц) и сверхвысокочастотные (более 10 мГц).

Важными характеристиками являются мощность выходного сигнала, стабильность частоты и коэффициент полезного действия.

cyberpedia.su

Электронные усилители

Электронные усилители — это устройства для увеличения мощности электрических колебаний без изменения их формы при помощи электронных ламп или полупроводниковых триодов (транзисторов). Электронные усилители широко используются в биологических и медицинских исследованиях как составные части многих измерительных и регистрирующих приборов для повышения их чувствительности. Такая необходимость возникает, в частности, при измерении и регистрации биоэлектрической активности органов и тканей на осциллографах. Осциллографом называют любое устройство для регистрации колебательных процессов в координатах «отклонение — время». К промышленным приборам для регистрации электрических процессов относятся шлейфные (электронно-оптические) осциллографы, содержащие в качестве отклоняющей системы шлейфный гальванометр — петлю обратнопараллельных тонких проводов с наклеенным зеркальцем между полюсами сильного магнита. При прохождении тока петля вместе с зеркальцем поворачивается, а отраженный зеркалом луч падает на движущуюся фотопленку. Распространенные восьмишлейфные осциллографы Н-102 имеют шлейфные гальванометры с внутренним сопротивлением 2—10 Ом и чувствительностью (без усилителей) около 20 мм отклонения на 1 мА тока при частотах до 900 Гц. Аналогичными осциллографами Н-105 производят запись на широкую (120 мм) фотобумагу, причем имеется возможность использовать специальную ультрафиолетовую бумагу, дающую непосредственно видимую запись при дневном свете. Электроннолучевые осциллографы разных систем имеют в качестве основного элемента осциллографическую трубку — стеклянную колбу, с одной стороны имеющую подогревный катод (источник свободных электронов), а с другой — экран, покрытый люминофором, светящимся в точке падения электронного луча. При помощи «блока развертки» луч совершает возвратно-поступательные движения по горизонтальной линии, тогда как под влиянием исследуемых колебаний он отклоняется по вертикали. Электроннолучевые осциллографы промышленных типов имеют усилители в широко используются в медицине в качестве осциллоскопов для визуального наблюдения различных колебательных процессов, а при наличии фотоприставки — для их регистрации. Существуют осциллографы с чернильной записью и магнитописцы (специальные магнитофоны) для клинико-физиологических исследований.

Осциллографы, используемые обычно в клинико-физиологических исследованиях, требуют для полного отклонения величины в десятки и сотни вольт напряжения (электроннолучевые, электромеханические или чернильнопишущие осциллографы) или десятков миллиампер тока (электронно-оптические, или шлейфные), что в тысячи и сотни тысяч раз превышает величину биоэлектрических колебаний. Это противоречие устраняется применением электронных усилителей.

В соединении с измерительными преобразователями неэлектрических величин в электрические (см. Датчики) электронные усилители позволяют регистрировать различные и весьма слабые биофизические и биохимические реакции и процессы в живом организме (пульсовые волны, тоны и шумы сердца, насыщение крови кислородом и др.) и передавать усиленные колебания по радио или телефону (см. Телеметрия). Электронные усилители используются также в приборах для формирования и усиления электрических колебаний различной формы в целях воздействия на органы и ткани (электронные стимуляторы), а также для управления подачей световых и звуковых раздражителей (фотофоностимуляторы).

Принцип работы электронных усилителей, как и усилителей любого типа, состоит в том, что подлежащие усилению слабые колебания используются для управления потоком энергии, полученной от специального источника питания (батареи аккумуляторов, выпрямители и т. д.). В качестве управляемого элемента (переменного электрического сопротивления) служит электронная лампа, в которой расположены три металлических электрода — катод, анод и управляющая сетка. Для постоянного разогрева катода используют дополнительный источник энергии. Катод и анод лампы подключены во внешнюю цепь, содержащую источник питания и нагрузку. Усиливаемые колебания электрического напряжения подаются на входные клеммы между сеткой и катодом. При отсутствии сигнала на входе через лампу течет постоянный ток, а при изменении потенциала сетки по отношению к катоду увеличивается или уменьшается поток электронов (это равносильно изменению сопротивления лампы).

В зависимости от типа нагрузки (осциллографа) и выходной величины различают каскады (ступени) электронных усилителей: напряжения, тока и мощности. Практически с одного каскада можно получить усиление до 100— 200. При необходимости иметь большее усиление используют многокаскадные усилители, в которых выходные клеммы предыдущего каскада соединяются с входными клеммами последующего.

Получили распространение электронные усилители на полупроводниковых триодах (транзисторах). В простейшем случае схема включения транзистора аналогична схеме с электронной лампой. Во внешнюю цепь включают электроды: эмиттер (аналог катода) и коллектор (аналог анода), управляющим электродом является база (аналог сетки). Усиление по напряжению может достигать 100, а по мощности — до 1000 на один каскад. Преимуществами полупроводниковых триодов являются малые размеры, большой срок работы, отсутствие источников питания для накала (и поэтому мгновенная подготовка к работе), малое потребление энергии, что позволяет, например, изготовлять усилители и электронные стимуляторы объемом в несколько кубических сантиметров для вживления в грудную полость, сверхминиатюрные передатчики для эндорадиозондирования (см.) и других целей.

Основными характеристиками электронных усилителей являются: 1) коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов; 2) частотная и фазовая характеристики — графическое или табличное задание зависимости коэффициентов усиления и сдвига фазы колебаний от их частоты; 3) переходная характеристика — изображение формы усиленной кривой во времени при подаче на вход сигнала прямоугольной формы; 4) амплитудная характеристика — зависимость амплитуды колебаний на выходе от величины амплитуды на входе; 5) коэффициент нелинейности — отклонение амплитудной характеристики (в процентах) от прямой линии; 6) уровень шумов — величина эффективного напряжения собственных помех, отнесенного к входу усилителя.

www.medical-enc.ru

Электронные усилители

Количество просмотров публикации Электронные усилители - 317

Рис. 36. Схемы сглаживающих фильтров

Рис. 35. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки обмотки трансформатора

Схема выпрямителя показана на рис. 35. Необходимым элементом выпрямителя является силовой трансформатор Тр с двумя вторичными обмотками n=ω1/ω2-1=ω1/ω2-2 . Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки сдвинуты по фазе на 180°. Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов Д1, Д2 . Выходное напряжение Ud снимается между нулевой точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих диодов. Принцип действия схемы рассмотрим для случая чисто активной нагрузки RН. При поступлении полуволны напряжения u1 положительной полярности на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения u2-1 и u2-2 с полярностью относительно нулевой точки, показанной на рис. 35 без скобок. К аноду диода Д1 относительно нулевой точки прикладывается напряжение положительной полярности, а к аноду диода Д2 - отрицательной. При указанной полярности напряжений на анодах диод Д1 на интервале 0 —π открыт, а диод Д2 закрыт. Поскольку в открытом состоянии падение напряжения на диоде мало, практически все напряжение u2-1 прикладывается к нагрузке RH, создавая на ней напряжение ud. На данном интервале анодный ток диода равен току нагрузки ia1=id=u2-1/RH. В конце интервала 0—π напряжения и токи в схеме достигают нулевых значений.

При поступлении напряжения u1 отрицательной полярности полярность напряжений на вторичных обмотках становится обратной. В проводящем состоянии находится диод Д2 , а диод Д1 закрыт. К нагрузке RH прикладывается напряжение u2-2 определяющее напряжение ud той же полярности, что и на предшествующем интервале. Теперь токи в схеме определяются полуволной напряжения положительной полярности u2-2:id=ia2=u2-2/RH. В последующем процессы в схеме повторяются: поочередно проводят ток то диод Д1 ,то диод Д2.

Фильтрацию выпрямленного напряжения осуществляют обычно путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих ф и л ь т р о в. Виды выходных сигналов однополупериодного выпрямителя без фильтра и с простейшим емкостным фильтром приведены на рисунке ниже.

Сглаживающие фильтры выполняют на базе реактивных элементов — индуктивностей (катушку с сердечником называют дроссель) и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и наоборот—для постоянного тока. Указанные свойства этих элементов используют при построении простейших сглаживающих фильтров: сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор - параллельно ей. Виды сглаживающих фильтров показаны на рис. 36. На рис. 36, а, б представлены схемы простейших одноэлементных сглаживающих фильтров, выполненных соответственно на базе дросселя Lф и конденсатора Сф; на рис. 3.28, в - схема однозвенного Г-образного LC-фильтра, а на рис. 3.28, г — схема двухзвенного сглаживающего фильтра с использованием двух Г-образных LС-фильтров. Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций.

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так, для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам рис. 36 а, в, г, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный х а р а к т е р, а для сглаживающего фильтра, выполненного по схеме рис. 36 б, — активно-емкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с крайне важно й точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.

Усилитель - ϶ᴛᴏ устройство, преобразующее маломощный входной сигнал в подобный, но более мощный выходной.

Учитывая закон сохранения энергии, усилитель рассматривают как многополюсник, в котором помимо входной и выходной цепей есть цепь для поступления энергии от источника питания (рис. 37).

Рис. 37. Структурная схема усилителя: 1 – входная цепь; 2 – предварительный усилитель; 3 – промежуточные каскады; 4 – оконечный каскад; 5 – источник питания.

Входная цепь предназначена для согласования с источником сигнала, как по амплитуде, так и по сопротивлению. Как правило, требуется обеспечение большого входного сопротивления, что обеспечивается предварительным усилительным каскадом. Для получения требуемого коэффициента усиления может потребоваться многокаскадный усилитель. Основное усиление сигнала обеспечивается в промежуточных каскадах. Оконечный каскад – усилитель мощности. Он обеспечивает согласование усилителя с нагрузкой. Для обеспечения максимальной выходной мощности требуется выполнение равенства Rвых=Rнагр (режим согласования).

В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. Схема и выходные характеристики изображены на рис. 38:

Рис 38. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером

Видно, что схема стала очень сложной. При этом главное, что здесь есть - ϶ᴛᴏ резистор

Rк, на котором происходит падение напряжения от тока, проходящего через транзистор, резистор, который определяет коэффициент усиления по напряжению, и который составляет от единиц килоом до мегома (чем больше данный резистор, тем больше усиление). Все остальные элементы более или менее условны.

Прежде всего Rэ крайне важно для термостабилизации транзистора. Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному току. Сэ – конденсатор, который шунтирует данный резистор на рабочих частотах, так что при переменном сигнале резистора нет. Этот конденсатор – несколько мкФ. Обычно это электролитический конденсатор.

Ср – разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от внешних сигналлов. Обычно это несколько мкФ.

Rб1 – важный резистор, управляющий работой транзистора, служит для задания рабочей точки. Этот резистор задаёт постоянную составляющую тока базы. Его значение зависит от величины Rк .

Rб2 – практически ненужный резистор, просто он ставится для предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его закоротить. Обычно это 1 или несколько килоом, так как входное сопротивление транзистора мало.

Rн – сопротивление нагрузки, лучше, в случае если оно большое, так как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если оно будет малым, выходной сигнал упадёт.

Uвх – сигнал на входе транзистора. Как видно, на входе много различных деталей – резисторов и конденсаторов. Но на рабочих частотах сопротивления конденсаторов малы, и они хорошо пропускают сигналы. А два параллельных резистора Rб1 и Rб2 достаточно велики по сравнению с входным сопротивлением транзистора. По этой причине учтём только это входное сопротивление.

Одними из базовых 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 Kp всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для Ku можно записать Кu = Ku1·Ku2…KuN.

В случае если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:

Кu = Ku1 + Ku2 +…+ KuN .

Помимо усиления сигнала крайне важно , чтобы усилитель не изменял его формы, ᴛ.ᴇ. 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), Kr:

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

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.5, а), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного сигнала Uвх неизменной частоты. При небольших Uвх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших Uвх 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 Ku 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 Mн и высшей Mв 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 f = fв - fн принято называть полосой пропускания усилителя.

Резистивно-емкостной усилительный каскад.

Усилительные каскады этого типа (рис. 39) получили наибольшее распространение, так как имеют простую схемную реализацию при малых габаритах элементов и обладают хорошими характеристиками.

Рис. 39. Резистивно-емкостной усилительный каскад

Назначение элементов схемы.

Разделительный конденсатор на входе – Ср1 предназначен для разделения усилительного каскада с источником сигнала по постоянному току, а полученный переменный сигнал он легко пропускает.

Аналогичную роль играет разделительный конденсатор–С р2 на выходе – он разделяет каскад и нагрузку по постоянному току. Величина этих конденсаторов влияет на величину fн усилителя, так как с понижением их сопротивление сигналу растет, и они хуже его передают по цепи усиления. Для понижения fн нужно увеличивать Ср.

Rн – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи. Оно задает положение (вместе с Rэ) нагрузочной прямой (зависимость Iк от Uкэ при наличии Rн в цепи коллекторного тока) на семействе выходных характеристик.

referatwork.ru