Раздел 2. ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Глава 9. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Общие сведения об усилителях

Усилителем электрических сигналов называется электронное устройство, преобразующее электрическую энергию источника питания в энергию выходных электрических сигналов под управлением входных электрических сигналов, подаваемых на источник питания через усилительный элемент — транзистор, электронную лампу, туннельный диод, вариконд и т.п. При этом чем меньше мощности требуется затратить для управления изменением тока усилительного элемента, тем больше усиление по мощности дает усилитель.

Существуют приборы, которые могут усиливать либо напряжение (например, повышающий трансформатор), либо ток (понижающий трансформатор). Но в этих приборах не происходит усиления по мощности. Из-за потерь в трансформаторе мощность на его выходе меньше, чем на входе.

Характерная особенность электронных приборов, используемых для усиления, заключается в том, что они всегда обеспечивают усиление входного сигнала по мощности. Это объясняется их параметрами и схемами включения, из которых видно, что в любых схемах включения ток и напряжение на выходе больше, чем на входе усилительного элемента. Так как ток и напряжение определяют мощность (Р = UI), то можно говорить и об усилении мощности с помощью усилительных элементов.

Усилитель электрических сигналов представляет собой активный четырехполюсник, структурная схема которого приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Структурная схема усилителя

Основой усилителя является управляемый усилительный элемент (УЭ), который подключен к источнику питания (ИП). Режим и условия работы усилительного элемента задают устройства смешения, подключенные во входные и выходные цепи усилительного элемента (УСм), и элементы конструктивной нагрузки в выходной цепи усилителя (R). Для связи усилительного элемента с нагрузкой (Н) и источником сигнала (ИС) в усилителе предусматриваются цепи связи (ЦС).

Совокупность усилительного элемента со всеми дополнительными элементами, обеспечивающими заданный режим работы, называют каскадом усиления.

На практике реальные усилители состоят из нескольких каскадов для получения необходимого усиления, так как один каскад не всегда может обеспечить требуемое усиление. Таким образом, усилитель состоит из определенного числа каскадов. При этом выходной усилительный сигнал предыдущего каскада становится входным сигналом последующего каскада и получает дополнительное усиление.

Общее число каскадов усилителя определяется требуемым коэффициентом усиления и тем, какое усиление может дать каждый каскад. Источник сигнала (например, микрофон, линия, датчик) подключается к входу первого каскада. Потребитель усиленного сигнала, т.е. нагрузка (ею может быть линия, измерительный прибор или устройство, исполнительный механизм и т.п.), подключается к выходу последнего каскада усиления, который называют выходным или оконечным каскадом усиления (ОКУ) (рис. 9.2). Все каскады многокаскадного усилителя до выходного можно считать предварительными каскадами усиления (ПКУ), или проходными каскадами усиления, но в этом случае входной каскад останется каскадом предварительного усиления.

Рис. 9.2. Структурная схема многокаскадного усилителя электрических

сигналов

Задача оконечного (выходного) каскада — отдать в нагрузку заданную мощность или напряжение. Задача предварительных каскадов — усилить входной сигнал источника сигнала до уровня, который необходимо подать на вход оконечного каскада, чтобы получить на его выходе заданную мощность или напряжение. Каскад предварительного усиления перед оконечным каскадом иногда называют предоконечным каскадом усиления (ПОКУ), в задачу которого входит согласование необходимого уровня сигнала на входе оконечного усилителя.

Каждый каскад характеризуется своими входными и выходными сопротивлениями. Входное сопротивление следующего каскада включено параллельно выходному сопротивлению предыдущего каскада. При параллельном соединении двух сопротивлений общее сопротивление меньше наименьшего из них, т.е. входное сопротивление следующего каскада фактически становится сопротивлением нагрузки предыдущего каскада.

Таким образом, в многокаскадных усилителях одним из важных вопросов является согласование входного сопротивления первого каскада с внутренним сопротивлением источника сигнала, входного сопротивления последующего каскада с выходным сопротивлением предыдущего, а также выходного сопротивления оконечного (выходного) каскада с сопротивлением потребителя усиленного сигнала. Для передачи усиленного сигнала с одного каскада на другой применяют цепи межкаскадных связей. Кроме того, во многих усилителях предусматриваются различные виды регулировок, с помощью которых меняются уровень выходной мощности и различные качественные показатели усилителей.