Каскады предварительного усиления

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информацион­ных сигналов на большие расстояния, обеспечения работы регистрирующих устройств, создания нормальных условий восприятия информации человеком и т. д. Например, для обеспечения работы громкоговорителей мультимедиа-ком­пьютера, как правило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы.

По другим параметрам коэффициент передачи усилителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей, по определению, коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоян­ного тока (УПТ), усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ), усилители высо­кой частоты (УВЧ) и СВЧ - усилители. В компьютерах, например, УПТ исполь­зуются в источниках питания, УНЧ — в звуковых платах, УВЧ и СВЧ - усилите­ли — в приемниках радио- и телевизионных сигналов. В дальнейшем мы будем рассматривать в основном только усилители переменных напряжений и токов, так как такие сигналы являются основными в системах передачи информации.

По используемым элементам различают усилители на транзисторах, микро­схемах, электронных лампах, диодах и т. д. Ниже рассматриваются усилители только на транзисторах и микросхемах. Такие усилители широко используются, например, в компьютерах.

По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элементы усилителя при воздействии малых переменных сигналов характеризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m > 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается — усилитель переходит в нелинейный режим рабо­ты. Ниже рассматриваются усилители, работающие только в линейном режиме.

Кроме того, усилители можно классифицировать также по числу каскадов, по назначению, по полосе усиливаемых частот, по характеру усиливаемого сигнала и т. д.

Рисунок 6.1 – Измерение основных параметров усилителя

Среди отмеченных усилителей значительное место занимают такие, нагруз­кой усилительного прибора которых является резистор, по этой причине полу­чившие название резистивных. Они, как правило, являются усилителями напряжения и обычно работают в режиме малого сигнала, когда амплитуда входного напряжения много меньше напряжения смещения.

Основные параметры линейных усилителей напряжения (на примере усили­тельного каскада). Чтобы уяснить методику измерения некоторых из них, воспользуемся схемой, представленной на рисунке 6.1.

1. Коэффициент усиления по напряжению:

. (6.1)

Наибольший коэффициент усиления достигается в рабочем диапазоне ча­стот. Обычно он определяется на средней частоте усиливаемого диапазона: ¦₀ = Коэффициент усиления зависит от параметров усилительно­го прибора, конфигурации схемы и величин ее элементов, а также от нагрузки. Кроме этого, на практике определенное применение получил сквозной коэф­фициент усиления по напряжению:

(6.2)

Наибольший сквозной коэффициент усиления — в рабочем диапазоне ча­стот. Он также определяется на средней частоте ¦₀ и характеризует усили­тельные свойства системы в целом, то есть с учетом параметров предыдущего каскада. Измерение коэффициента усиления не представляет особого тру­да. Здесь достаточно измерить с помощью вольтметра напряжения U₁ (или Е) и U₂ на средней частоте и вычислить их отношение. Обычно коэффициент усиления однокаскадных усилителей составляет единицы-десятки раз.

Входное сопротивление. Входным называют сопротивление усилителя на сред­ней частоте ¦₀ со стороны зажимов 1-1' при подключенной нагрузке к зажимам 2-2'.

Обычно входное сопротивление на средней частоте является чисто активным,

поэтому:

На практике для измерения входного сопротивления R_BX пользуются вольт­метром. Чтобы определить ток I_lt в эту ветвь включают небольшое, заранее известное сопротивление R (рисунок 6.2).

Измерив напряжения U_x и U₂, определяют ток:

а затем рассчитывают входное сопротивление:

(6.3)

Рисунок 6.2 – Измерение входного сопротивления усилителя

Усилитель считается более качественным, если он обладает высоким вход­ным сопротивлением. В этом случае его влияние на параметры предыдущего каскада будет незначительным. Величина входного сопротивления зависит от вида усилительного прибо­ра, схемы его включения и режима работы. Так, в усилителях на биполярных транзисторах оно составляет сотни Ом — единицы кОм, а на полевых транзи­сторах и лампах — сотни кОм — единицы МОм.

4. Выходное сопротивление. Выходным называют сопротивление усилителя на средней частоте ¦₀ со стороны зажимов 2-2' при подключенном внутреннем сопротивлении предыдущего каскада со стороны зажимов 1-1' (рисунок 6.3). Как и R_m, сопротивление на средней частоте диапазона является чисто активным. Эквивалентная схема для измерения выходного сопротивле­ния показана на рисунке 6.4.

 

Рисунок 6.3 – Определение выходного сопротивления усилителя

Усилитель с подключенным к нему источником сигнала в общем случае мож­но представить эквивалентным генератором. Если к зажимам 2-2' подключать различной величины сопротивления, то напряжения на них будут также отли­чаться. Степень отличия зависит от внутреннего сопротивления усилителя. Из данной схемы видно, что при подключенном сопротивлении R (переклю­чатель в положении 2) сопротивлениеRBbIX можно найти так: (6.4)

 

Величина Еэквизмеряется при отключении R (положение XX), то есть при хо­лостом ходе, и часто обозначается Еэкв= Uxx.Поэтому

 

Рисунок 6.4 – Эквивалентная схема для определения выходного сопротивления усилителя

Предпочтительным является малое выходное сопротивление, так как в этом случае сопротивление нагрузки (последующий каскад) меньше влияет на пара­метры усилителя. В схемах на биполярных транзисторах Rвых составляет едини­цы кОм, а на лампах и полевых транзисторах - десятки кОм. Для получения высоких коэффициентов усиления необходимо каскадное включение нескольких усилителей, обеспечивающее последовательное усиление сигнала до требуемого значения. Каскадную схему усилителя можно представить в виде трех функционально отличных каскадов усиления (рисунок 6.5): предвари­тельного усилителя (Пр. У); промежуточного усилителя (Пм. У); выходного уси­лителя (Вых. У).

Предварительный усилитель обеспечивает непосредственную связь источни­ка сигнала и усилительного устройства.

Поэтому важнейшее требование, которому он должен удовлетворять, — мини­мальное ослабление входного сигнала. Для этого предварительный усилитель дол­жен обладать большим входным сопротивлением Rвх. Это сопротивление долж­но быть существенно больше сопротивления источника сигнала Rист.сигн, то естьRвх>>Rист.сигн.

В этом случае изменения входного напряжения усилителя будут соответст­вовать изменениям ЭДС источника в его входной цепи. Основное требование, предъявляемое к предварительному усилителю, — обеспечение наибольшего усиления входного сигнала при минимальных его искажениях.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между пред­варительным и выходным усилителями.

Выходной усилитель предназначен для получения на выходе усилительного устройства мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устрой­ства, выполняющего определенные функции.

Поэтому, в отличие от предварительного и промежуточного усилителей, вы­ходная мощность которых сравнительно невелика, основным параметром выход­ного усилителя является КПД.

Рисунок 6.5 – Функциональные каскады усилителя

Применяемые на практике транзисторные усилители мощности бывают однотактные и двухтактные. Однотактные усилители мощности используют для работы с нагрузочными устройствами, мощность которых составляет единицы ватт.

Двухтактные выходные усилители применяют при больших значениях мощ­ности нагрузочных устройств.

Наличие трех функциональных разнотипных каскадов не является обяза­тельным. Известны электронные усилители, в которых предварительный и про­межуточный усилители не имеют явно выраженных разграничительных призна­ков и совмещены в одном усилительном каскаде.

То же самое относится к промежуточным и выходным усилителям, которые также можно объединять. Наконец, возможны схемы усилительных устройств с несколькими усилителями одного типа.