Краткие теоретические сведения

Усилитель это устройство, преобразующее сигнал малой мощности в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.

Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий усилительный элемент (биполярный, полевой транзистор либо операционный усилитель), пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и постоянный источник питания, которые обеспечивают нужный режим работы каскада.

Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе ряд усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но и согласование с источником и потребителем сигнала.

Усилительный каскад это минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один или несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала – транзистор или электронная лампа),цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т.д.

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления – коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

 

Исходя из определения усилителя, любой усилитель увеличивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффициентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности, однако при проектировании усилителей акцент ставится на усиление одной из трёх величин, поэтому различают усилители напряжения, тока и мощности. Наиболее часто требуется усиление напряжения, поэтому в литературе наиболее распространён К_U, и, в ряде случаев, он принимается за определение коэффициента усиления вообще.

С целью увеличения коэффициента усиления несколько каскадов объединяются в много­каскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произве­дению одноименных коэффициентов усиления всех каскадов устройства:

К = К₁•К₂•...•К_N,

где N – число каскадов.

При этом выходное напряжение предыдущего каскада пода­ется на вход последующего. Соединение каскадов производится через элементы связи (конденсаторы, резисторы либо трансфор­маторы), которые определяют тип усилителя.

Каскадами предварительного усиления обычно являются усилители напряжения, а оконечными каскадами – усилители мощности.

Изучаемый в работе усилитель состоит из двух каскадов: усилителя напряжения на биполярном транзисторе и бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, соединенных по схеме с резистивно-емкостной связью.

На рис. 1 изображена, принципиальная схема исследуемого двухкаскадного усилителя.

 

Рис.1Принципиальная схема исследуемого двухкаскадного усилителя

 

Первый каскад усилителя (рис. 2) собран на транзисторе n-p-n типаVT1, включённом по схеме с общим эмиттером(ОЭ).Делитель напряжения R3-R4 задает величину постоянного напряжения на базе тран­зистора (режим работы по постоянному току), резистор R5является нагрузочным резистором в цепи коллектора, обеспечивающим динамический режим работы транзистора. Элементы R6 и С2 обеспечивают температурную стабилизацию усиления. На входе и выходе каскада имеются разделительные конденсаторы С1 и Ср1(или Ср2), необходимые для обеспечения независимости режима работы каскада по постоянному току (режима покоя, характеризующегося I_Б0, I_K0, U_БЭ0,U_КБ0) от входной и выходной цепей. Их емкость не должна влиять на передаваемый переменный сигнал.

Входное сопротивление каскада на транзисторе с ОЭ обычно составляет порядка несколько сотен Ом. Выходное сопротивление велико и может составлять несколько десятков кОм. Поэтому при работе усилителя на низкоомную нагрузку необходимо использовать согласующий каскад.

В современной электронике при создании усилителей на не слишком большие выходные мощности и не слишком малые сопротивления нагрузки наиболее широко применяются двухтактные устройства без использования трансформаторов. Такие усилители мощности имеют небольшие габаритные размеры и массу, а также обладают повышенной надежностью.

Рис. 3. Второй каскад

На рис. 3 показан второй (выходной) каскад усилителя, являющийся бестрансформаторным двухтактным усилителем мощности. Он собран на комплементарных транзисторах VT2 и VT3 (транзисторах разной структуры [n-p-n и p-n-p], но имеющих близкие характеристики), работающих в режимах эмиттерных повторителей напряжения (схема с общим коллектором). Режим работы по постоянному току задают делитель R8-R9 и коллекторные резисторы R10 иR11. Диоды VD1 и VD2 создают небольшое смещение напряжения для увеличения начальных токов и обеспечивают работу усилителя в режиме АВ. Начальные токи, протекающие через транзисторы VT2 и VT3,в силу разнополярности транзисторов взаимно компенсируются. Это приводит к уменьшению искажений сигнала, а также обеспечивает параметрическую температурную стабилизацию работы транзисторов. Выходное сопротивление каскада мало (порядка десятков килоом), что обеспечивает хорошее согласование с низкоомной нагрузкой.

Второй каскад является усилителем тока, а его коэффициент передачи по напряжению близок к 1 (что характерно для эмиттерного повторителя), К_р>>1.

Основными характеристиками усилителей являются амплитудная и амплитудо-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. Эта характерис­тика представлена на рис. 4. Участок «ab» кривой соответ­ствует линейному режиму работы усилителя (т.е. U_вых пропор­ционально U_вх, и коэффициент усиления К = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. При дальнейшем увеличении U_вх выходное напряжение U_вых не меняется, усилитель работает в режиме насыщения. Рабочим участком является линейный участок характеристики «ab».

 

Рис. 4. Амплитудная характеристика Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика

 

Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это за­висимость коэффициента усиления от частоты усили­ваемого сигнала. Вид этой характеристики для усилителя с RC-связью показан на рис. 5.

Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями. Они оцениваются коэффициентами частотных искажений на верхних частотах М_В = и на нижних частотах М_Н = , где К_В и К_Н – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах, а К₀ – максимальное значение коэффициента усиления. Обычно допустимое значение коэффициента частот­ных искажений М принимают равным . Частоты f_Н и f_В, соответствующие минимальным значениям коэффициента усиления, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот Δf = f_Н–f_В полосой пропускания усилителя.

Влияние емкости связи между каскадами Ср1 (Ср2) можно проанализировать по амплитудно-частотной характеристике усилителя при различных значениях Ср1 и Ср2.

Влияние нагрузки на работу первого каскада исследуется по амплитудным характеристикам при наличии низкоомной нагрузки (резистор R7) на выходе первого каскада и наличии согласующего высокоомного второго каскада (при отключении резистора R7).