Краткие теоретические сведения

Усилители – это устройства, предназначенные для усиления переменных сигналов. Такое преобразование осуществляется за счет энергии постоянного источника питания.

Усилители широко применяются в науке и технике.

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

На рис. 1, приведён наиболее распространенный усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) на основе биполярного транзистора n-p-n типа VT. Назначение элементов каскада: источник питания Е_к (включается между клеммой +Е_к и «землёй» _┴) обеспечивает режим каска­да но постоянному то­ку («режим покоя»), т.е. величины токов I_бо, I_к и напряжений U_бэ0, U_кэ0, на которые накладываются переменные составляющие токов и напряжений. За счёт энергии посто­янного источника осуществляется усиление переменного сигнала U_вх, снимаемого с генератора синусоидальных колебаний, в усиленный сигнал U_вых, поступающий, в нагрузку R_н. Величина резистора R_б определяет значение «тока покоя» в цепи базы I_бо, R_к – нагрузочный резистор, определяет значение переменного выходного напряжения U_вых. Разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2 исключают прохождение постоянных составляющих токов и напряжений каскада в генератор или нагрузку (или из генератора и нагрузки в каскад).

Усилительный каскад, изображенный на рис. 1, является усилителем напряжения. Он характеризуется коэффициентом уси­ления по напряжению

k =,

который составляет величину порядка 10...100.

С целью получения большого коэффициента усиления усили­тельного устройства несколько каскадов объединяются в много­каскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произве­дению коэффициентов усиления всех каскадов устройства:

k = k₁•k₂•...•k_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.

На рис. 2 изображена, принципиальная схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной (RC) связью, являющейся наиболее распространенным типом связи. Каскады соединены через разделительный конденсатор С_р2. Элементы R_э и С_э в цепях эмиттеров транзисторов VТ₁ и VТ₂ обеспечивают температурную стабилизацию режима усиления. Делители напряжения R1-R2 и R3-R4 задают величину постоянного напряжения на базах тран­зисторов VТ₁ и VТ₂ каждого каскада.

Аналогичная схема усилителя с RC-связью на микросхемах представлена на рис. 3, где в усилительных каскадах исполь­зованы операционные усилители с большим коэффициентом усиле­ния (М₁ и М₂). Назначение соединительных элементов схемы аналогично усилителю на транзисторах. Коэффициент усиления этого усилителя значительно выше, чем усилителя на дискретных элементах.

Основные характеристики усилителей – амплитудная и амплитудно-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения 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 k = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. Рабочим участком является линейный участок характеристики («ab»).

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

Коэффициент усиления в области средних частот k₀ посто­янен. В области низких частот (при f→0) сопротивление конден­сатора связи С_р2 растёт:

X_Cр2 =→∞

Напряжение на нём также растёт, следовательно, выходное напря­жение первого каскада падает и k→0 при f→0. Так как выход первого каскада шунтируется входной ёмкостью второго каскада С₀ то в области высоких частот при f→∞ соп­ротивление ёмкости падает

X_C0 =→0,

следовательно, напряжение на входе второго каскада падает и k→0 при f→∞.

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_в =

где k_в и k_н – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах. Очень часто допустимое значение коэффициента частот­ных искажений М принимают равным . Частоты f_{н гр} и f_{в гр}, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот

Δf = f_{н гр} - f_{в гр}

полосой пропускания усилителя.