Усилители

 

 

Для увеличения мощности сигналов с сохранением их формы используют усилители. Принцип действия усилителей основан на преобразовании энергии источника питания в энергию сигнала. Основную функцию преобразователя энергии выполняет усилительный элемент, способный с помощью небольшого входного сигнала управлять большой энергией источника питания. В качестве усилительного элемента используются электронные лампы, транзисторы, пара- метрические устройства и др. Усилительный элемент в сочетании с необходи- мыми для его работы элементами (сопротивлениями, конденсаторами, катуш- ками индуктивности) представляет собой одну ступень усиления, называемую усилительным каскадом.

В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока или мощности. Однако такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность сигнала.

Среди большого разнообразия типов усилителей, классификацию которых осуществляют по различным признакам [12], наибольший интерес с позиций спектрального анализа представляют усилители с ярко выраженными частот- ными свойствами. Среди них особого внимания заслуживают усилители широ- кополосные (импульсные) и узкополосные (избирательные).

К широкополосным относят усилители, ширина полосы пропускания кото- рых соизмерима со средней частотой этой полосы. Они предназначены для уси- ления импульсных сигналов различной формы в частности, телевизионных ви- деосигналов. В структуре этих усилителей отсутствуют резонансные цепи. За- метим, что усилители звуковых частот также являются широкополосными, од- нако их выделяют в отдельный класс.

Узкополосные усилители работают в узкой полосе частот и делятся на ре- зонансные и полосовые усилители. В резонансных усилителях нагрузкой слу- жит колебательный контур, в полосовых – полосовой фильтр.

Рассмотрим схемы и частотные характеристики этих усилителей.

 

 

5.6.1. Широкополосный усилитель

 

 

На рис. 5.6 изображены схема усилителя на полевом (МДП) транзисторе с общим истоком и его эквивалентная схема.

Назначение элементов схемы усилителя:

конденсаторы

C p1 и

C p2

– разделительные, блокируют протекание посто-

янного тока, обеспечивая прохождение только переменных составляющих входного и выходного сигналов;

резисторы

R1 и

R2 образуют делитель напряжения для подачи на затвор

транзистора напряжения рабочей точки;

резистор Rи

и конденсатор Cи

– цепь отрицательной обратной связи для

термостабилизации режима работы усилителя по постоянному току;

 

сопротивление

 

Rсн

= RсRн

Rс + Rн

 

– нагрузка усилителя;

 

 

тах.

емкость Сп

– паразитная емкость, которая проявляется на высоких часто-

Усилитель нагружен на параллельно соединенные сопротивление

Rсн и

емкость

Сп. Такую нагрузку называют апериодической. Поэтому такие усили-

тели часто называют апериодическими.

 

 

Рис. 5.6. Апериодический усилитель (а) и его эквивалентная схема (б)

 

 

Процесс усиления входного сигнала данным усилителем с использованием сток-затворной характеристики транзистора поясняется рис. 5.7.

 

Рис. 5.7. Графическая иллюстрация процесса усиления

 

 

При отсутствии входного напряжения (в режиме покоя) напряжение на за-

творе равно напряжению смещения, в цепи стока проходит ток покоя

ico . На-

пряжение на стоке постоянно и равно

равно нулю.

uco

= Ec

− icoRc. Выходное напряжение

При поступлении на вход усилителя входного сигнала

uвх(t) = E sin ωt на

затворе транзистора будет действовать напряжение

uзи(t) = U зо + E sin ωt . Ток

стока начинает изменяться по синусоидальному закону при этом напряжение на стоке равно

ic (t) = ico + I 0 sin ωt ,

uс(t) = Ec −ic (t)Rc

= Ec −ico Rc − I 0Rc sin ωt .

Постоянная составляющая не проходит через разделительный конденсатор

C p2 , и на выходе усилительного каскада будет напряжение

uвых(t) = −I 0Rc sin ωt .

При определенном значении сопротивления

Rc и соответствующей кру-

тизне сток-затворной характеристики транзистора амплитуда выходного на-

пряжения

I 0R c

может превышать амплитуду входного сигнала E . Следует об-

ратить внимание на то, что выходной сигнал в схеме с общим истоком находит-

ся в противофазе входному сигналу.

Определим частотный коэффициент передачи усилителя, пользуясь его эк- вивалентной схемой (см. рис. 5.6,б). На этой схеме изображена эквивалентная схема транзистора, содержащая следующие параметры:

 

 

ра;

емкость

Cси

(сток-исток) – межэлектродная выходная емкость транзисто-

сопротивление

Rвх

– входное сопротивление транзистора;

усилительные свойства транзистора отражены генератором тока

SU1 с

внутренним сопротивлением

характеристики S .

Ri и крутизной вольт-амперной (сток-затворной)

Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением

Rд, нагрузка – со-

противлением

Rсн.

Анализ эквивалентной схемы усилителя позволяет записать выражение для частотного коэффициента передачи усилителя следующим образом:

K( jω) = − SU1Zвых(jω),

Uвх

SUвхK вх ( jω)Z вых( jω)

K ( jω) = −

В этом выражении

 

Uвх

= −SK вх ( jω)Z вых( jω) . (5.6)

Kвх( jω) =

jωτ1

 

– частотный коэффициент передачи входной цепи, со-

1 + jωτ1

стоящей из разделительной емкости

С р1 и сопротивления делителя

Rд, причем

τ1 = RдC р1 – постоянная времени входной цепи;

Z ( jω) =

Rсн

 

– частотный коэффициент передачи выходной цепи,

вых

1 + jωτ2

состоящей из паразитной емкости

Сп, выходной емкости транзистора

Cси и

сопротивления нагрузки ни выходной цепи.

Rсн, причем τ2

= Rсн(Cси

+Cп)

– постоянная време-

При получении данного выражения учитывалось, что у полевых транзи-

сторов

Rвх

>> Rд, Ri

>> Rсн.

Таким образом,

K ( jω) = −

SRсн jωτ1 = −

SRсн jωτ1 .

(1 +

jωτ1)(1 +

jωτ2)

1 + jωτ1 +

jωτ2 −ω

τ1τ2

Из физических соображений очевидно, что τ1 >>τ2 . Тогда

 

 

K ( jω) = −

SRсн

1 +1 + τ2 +

= −

jωτ2 1 +

К0 .

1 + jωτ2

jωτ1 τ1

jωτ1

Здесь

K0 = SRсн

– максимальный коэффициент усиления.

Анализ этого выражения целесообразно производить отдельно для ниж-

них, средних и верхних частот.