Материал: Введение в схемотехнику электрических цепей. Литвиненко В.П., Литвиненко Ю.В

7. УСИЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ

7.1. Задача усиления сигнала

Усилитель электрических сигналов – это электронное устройство четырьмя полюсами (точками подключения, выводами) - четырехполюсник, как показано на рис. 7.1. На два входных полюса подается входной сигнал uВХ (t) илиiВХ (t) , а к двум выходным полюсам подключено сопротивление нагрузки ZН , с которого снимается выходной сигнал uВЫХ (t) или iВЫХ (t) , по форме совпадающий с входным сигналом, но име-

ющий более высокий уровень.

напряжению, току или мощности), t - время задержки сигнала. Идеальный усилитель – это линейное электронное устройство. Он практически не реализуем, к его свойствам можно лишь приблизиться с определенной точностью.

Реальный усилитель – нелинейное устройство, свойства которого зависят от уровня, формы и частоты входного сигнала. Часто его приближенно рассматривают как линейный четырехполюсник.

Усилители электрических сигналов классифицируются по различным признакам. По виду сигналов различают усилители напряжения, тока и мощности, по рабочим частотам –

55

усилители низких (УНЧ), высоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот, по полосе усиливаемых частот – узкополосные и широкополосные усилители. По назначению усилители делятся, например, на:

-усилители постоянного тока (УПТ);

-предварительные усилители;

-оконечные усилители;

-дифференциальные усилители и т.д.

По выходной мощности усилители разделяют на маломощные (например, до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 Вт до 3 Вт) и высокой мощности (выше 3 Вт).

Усилители классифицируются по принципиальной схеме: усилитель с резистивно-емкостными связями, эмиттерный повторитель, схема Дарлингтона и др.

7.2. Коэффициент усиления

Характеристики усилителя оцениваются при входном гармоническом сигнале с круговой частотой 2 f . Модуль

входного и выходного напряжений усилителя на рис. 7.1. Ана-

логично определяется модуль коэффициента усиления по

току

где IВХ иIВЫХ - амплитуды (или действующие значения) входного и выходного токов усилителя.

Коэффициент усиления по мощности - величина дей-

ствительная и положительная, равная отношению мощности PВХ , потребляемой входной цепью усилителя от источника сигнала, к выходной мощности PВЫХ , отдаваемой усилителем в

56

нагрузку

7.3. Частотные характеристики

Зависимость коэффициента усиления Ku ( ), Ki( ) или

Ku ( f ), Ki( f ) ( 2 f ) называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя, их пример показан на рис. 7.2а.

Рис. 7.2

Коэффициент усиления может измеряться в децибелах

есть положительные значения АЧХ в децибелах указывают на усиление, а отрицательные – на ослабление сигнала. Коэффициент усиления по мощности в децибелах определяется равенством

так как мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения.

Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называют за-

висимость от частоты разности фаз между выходным и вход-

57

измеряется в радианах или градусах, ее пример показан на рис. 7.2б.

Форма частотных характеристик определяется схемой и параметрами элементов усилителя.

Важнейшей характеристикой усилителя является полоса П усиливаемых частот, она определяется как частотный интервал, внутри которого коэффициент усиления падает не более, чем в 2 раз (на 3 дБ) по сравнением со значением на заданной номинальной частоте (для УНЧ она равна 1 кГц) или относительно максимального значения АЧХ,

fMAX и fMIN - верхняя и нижняя граничные частоты (рис. 7.2а). В (7.8) частоты измеряются в Гц, как принято при проектировании и экспериментальных исследованиях усилителя, аналогично определяется полоса в рад/с.

Усилитель должен иметь высокое входное и низкое выходное сопротивления.

7.4. Усилитель с резистивно-емкостными связями

Принципиальная схема усилителя с резистивноемкостными связями показана на рис. 7.3.

Это усилитель с резистивной коллекторной нагрузкой RК , связь усилителя с входной и выходной цепями осуществ-

ляется через разделительные конденсаторы CР1 и CР2 . Его основой является биполярный транзистор VT1 типа n-p-n, включенный по схеме с общим эмиттером и питающийся от источника положительного постоянного напряжения с ЭДС E.

Тип транзистора выбирается исходя из его частотных свойств, мощности и стоимости. Для самостоятельных экспериментальных работ целесообразно выбрать дешевый отечественный высокочастотный маломощный транзистор КТ315А.

58

Рис. 7.3

Расчет элементов и характеристик усилителя проведен в [3], результаты представлены в табл. 7.1 и табл. 7.2.

Таблица 7.1

рис. 7.2. Пример временных диаграмм напряжений на входе (uВХ ) с амплитудой 10 мВ и выходе (uВЫХ ) усилителя, полученных методом схемотехнического моделирования, показан на рис. 7.4.

Как видно, цепь на рис. 7.2 усиливает сигнал, хотя коэффициент усиления по напряжению меньше расчетного. Уси-

59