Усилители электрических сигналов. Основы усиления. Классы усиления

Московский авиационный институт

(государственный технический университет)

Факультет № 7

«Робототехнические и интеллектуальные системы»

Кафедра 703

«Системное проектирование авиационных боевых комплексов»

Реферат

по курсу «Общая электротехника»

на тему:

«Усилители электрических сигналов. Основы усиления. Классы усиления»

Москва 2011

Оглавление

1.      Введение…………………………………………………………...………..3

2.      Основные определения и область применения усилителей……………..4

3.      Классификация усилителей………………………………………………..5

4.      Типы усилительных элементов……………………………………………7

5.      Входные и выходные данные…………………………………………….17

6.      Коэффициент усиления и коэффициент полезного действия………….18

7.      Частотная характеристика………………………………………………..20

8.      Структурная схема усилителя…………………………………………....23

9.      Классы усиления………………………………………………………….26

10. Заключение………………………………………………………………..44

11. Список использованной литературы……………………………………45

ВВЕДЕНИЕ

В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является плавным и однозначным и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Часто в технике возникает необходимость усиливать слабые электрические колебания с сохранением их формы.

Усиливаемые электрические колебания называют электрическими сигналами или просто сигналами, а устройства, усиливающие сигналы,— усилителями электрических сигналов, или просто усилителями. Эффект усиления возможен только в том случае, если в самом устройстве имеется некоторый источник, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности на выходе. Этот принципиально необходимый для усиления источник энергии называется источником питания.

Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала с помощью так называемых активных элементов. Для связи активных элементов с источником входных колебаний между собой и выходной нагрузкой, а также для того чтобы придать усилителю необходимые частотные свойства, применяют обычные пассивные элементы электрических цепей: резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Активные и пассивные элементы, выполненные либо в отдельных дискретных деталей, либо в едином технологическом цикле как интегральная схема, соединяются нужным образом и вместе с источником питания образуют усилительное устройство. Для усиливаемых сигналов усилитель, имея два входных и два выходных зажима представляет собой электрический четырехполюсник.

Усилители имеют очень широкое применение; без них невозможно звуковое кино, проводное вещание, телевидение, радиосвязь, дальняя проводная связь, радиовещание, радиолокация, радионавигация, радиоизмерения. Кроме того, усилители используются почти во всех областях промышленности, техники и науки; их применяют в автоматике, телемеханике, следящих, управляющих и регулирующих устройствах, счетно-решающих и вычислительных машинах, в аппаратуре ядерной физики и аппаратуре исследования космического пространства, аппаратуре геологической разведки, точного времени, химического анализа, медицинской, музыкальной аппаратуре и многих других случаях.

КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилители подразделяют на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых сигналов их делят на два типа: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

Усилители гармонических сигналов или, короче, гармонические усилители, предназначены для усиления гармонических сигналов, т, е. периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются сравнительно медленно (много медленнее длительности устанавливающихся процессов в усилителе). К таким усилителям относятся микрофонные усилители, магнитофонные усилители, усилители звукового кино, усилители воспроизведения граммофонной записи, радиовещательные усилители и ряд других.

Усилители импульсных сигналов или, короче, импульсные усилители, предназначены для усиления импульсных периодических и непериодических сигналов различной величины и формы. Устанавливающиеся процессы в таких усилителях должны протекать очень быстро, значительно быстрее времени установления фронтов усиливаемых импульсов. К импульсным усилителям относятся усилители радиолокационных устройств, усилители сигналов телевизионного изображения (видеоусилители), усилители импульсных систем связи, усилители счетно-решающих устройств, усилители многих систем регулирования и управления и т. д.

По полосе усиливаемых частот усилители делят на:

- усилители переменною тока, усиливающие сигналы в полосе частот от низшей рабочей частоты fн>0 до высшей рабочей частоты fв, но не усиливающие постоянную составляющую сигналов;

- усилители постоянного тока, усиливающие сигналы в полосе частот от нуля (fн =0) до высшей рабочей частоты fв усиливающие как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую;

- усилители высокой частоты (УВЧ), усиливающие модулированные сигналы высокой частоты, например электрические колебания радиочастоты, применяемые антенной радиоприемника;

- усилители низкой частоты (УНЧ), усиливающие электрические колебания первичного не преобразованного сигнала. Свое название, в настоящее время нередко не соответствующее полосе рабочих частот, УНЧ получили в начале развития усилительной техники, когда частоты первичных сигналов не превышали нескольких килогерц (речь, музыка, телеграфные сигналы).

По характеру зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты различают:

- резонансные усилители, у которых усиление изменяется с частотой сигнала по кривой, связанной с законом изменения сопротивления параллельного резонансного контура;

- полосовые усилители, у которых усиление почти постоянно в определенной узкой полосе частот и резко падает за ее пределами; резонансные усилители и полосовые усилители с узкой полосой рабочих частот также называют избирательными или селективными усилителями.

- широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот, порядка нескольких мегагерц и больше.

Если подводимые к усилителю сигналы усиливаются им без преобразования их частоты, усилитель называют усилителем прямого усиления; если же частоты сигналов в усилителе преобразуются, усилитель называют усилителем с преобразованием.

По назначению усилители можно разделить на широковещательные, магнитофонные, измерительные, телевизионные, радиолокационные и т. д.

По роду применяемых в усилителе усилительных элементов усилители делят на ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические и др. Ламповые и транзисторные усилители называют электронными усилителями, так как принцип их действия основан на электронных процессах в вакууме и полупроводнике.

ТИПЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Усиление электрических сигналов осуществляется в усилителе посредством специальных устройств, называемых усилительными элементами и обладающих способностью при небольшой затрате энергии на управление управлять энергией во много раз большей. Они получают электрическую энергию от источника питания и преобразуют ее в усиливаемые сигналы, являясь, таким образом, управляющими устройствами.

Усилительный элемент вместе с электрическими деталями схемы (резисторами, конденсаторами и т. п.), через которые к нему подводят энергию от источника питания, а также подают и снимают усиливаемые сигналы, называют усилительный каскадом или каскадом усиления. Усилительный каскад, представляющий собой одну «ступень» усиления сигнала, иногда содержит несколько усилительных элементов.

В настоящее время известно большое количество различных типов усилителных элементов.

В микротелефонном усилительном элементе мембрана телефонной трубки Т жестко связана с мембраной микрофонного капсюля М (рис. 1-1).

В цепь микрофонного капсюля включают последовательно источник постоянного тока Е с напряжением в несколько вольт и сопротивление нагрузки Rн. Если к обмотке поляризованного электромагнита телефонной трубки подвести слабые электрические сигналы, которые требуется усилить, то они заставят колебаться мембрану телефонной трубки, а следовательно, и связанную с ней мембрану микрофонного капсюля. Это вызовет изменение сопротивления угольного порошка микрофонного капсюля, что приведет к появлению усиленных электрических колебаний в цепи нагрузки. При рациональной конструкции и правильном режиме работы микротелефонный усилительный элемент может усилить мощность подводимых к нему слабых электрических сигналов в несколько десятков раз. Основными достоинствами его являются простота устройства и большой срок службы.

Наряду с указанными достоинствами микротелефонный усилительный элемент обладает серьезными недостатками, основными из которых являются: очень узкая полоса усиливаемых частот (не больше нескольких килогерц даже в специальных конструкциях) и неравномерное их усиление из-за резонансных свойств и большей массы колеблющейся системы; непостоянство усиления и его зависимость от положения элемента; высокий уровень шумов; большие искажения усиливаемых колебаний и т. п. Указанные недостатки привели к тому, что в современных усилителях электрических сигналов микротелефонные усилительные элементы не применяют. Электровакуумный усилительный элемент представляет собой хорошо известную вакуумную электронную лампу.

Принцип усиления электрических сигналов электронной лампой поясняется на рис. 1-2, где Л- электронная лампа, Еа- источник питания цепи анода, подключаемый положительным полюсом к аноду лампы и отрицательным к ее катоду, Ен- источник питания цепи накала, Ес- источник смещения, задающий на сетку лампы необходимый начальный отрицательный потенциал, Uи- источник усиливаемых сигналов, Rн- сопротивление  нагрузки. Изменение напряжения между сеткой и катодом лампы от воздействия подводимых сигналов вызывает изменение анодного тока лампы iа. Изменяющийся анодный ток, проходя через сопротивление нагрузки Rн, создает на нем изменяющееся падение напряжения и выделяет здесь мощность усиленных сигналов, повторяющих по форме сигналы, подводимые к цепи сетка — катод.

При правильном режиме работы электронная лампа может усиливать мощность подводимых к ней электрических сигналов в десятки тысяч раз и выше (иногда до нескольких миллионов раз). Помимо большого усиления, достоинствами электронной лампы являются: очень широкая полоса усиливаемых частот, простирающаяся от нуля герц (от постоянного тока) до сотен и даже тысяч мегагерц в лампах специальных конструкций; нечувствительность к изменению температуры окружающей среды и другим внешним воздействиям; высокое постоянство усилительных свойств; малые искажения усиливаемых сигналов; малый уровень шумов; высокое входное сопротивление, облегчающее задачу передачи усиленных сигналов от одного усилительного каскада к другому; большой диапазон отдаваемой в нагрузку мощности (от долей микроватта до сотен и даже тысяч киловатт). К недостаткам лампы можно отнести: сравнительно небольшой срок службы (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч часов); наличие цепи накала, требующей специального источника питания и потребляющей значительную энергию, а также требующей определенного времени для прогрева лампы при ее включении (от долей секунды до десятков секунд); сравнительно высокое напряжение источника анодного питания (от нескольких десятков вольт до 10-15 кв).

Наиболее известным и распространенным полупроводниковым усилительным элементом является полупроводниковый триод (транзистор). Принцип усиления электрических сигналов транзистором пояснен на рис. 1-3. Здесь Т — транзистор, Ек — источник питания выходной цепи, Еб — источник смещения входной цепи, задающий необходимое начальное напряжение или ток смещения во входную цепь; Uи — источник усиливаемых сигналов, Rн — сопротивление нагрузки. Небольшие изменения тока в цепи база — эмиттер транзистора, вызываемые подводимыми к этой цепи сигналами, вызывают во много раз увеличенные изменения тока в цепи коллектора. Изменяющийся  ток  коллектора,   проходя  через   сопротивление  нагрузки, создает на нем падение напряжения и выделяет в нем мощность усиленных сигналов, повторяющих по форме сигналы, подводимые к транзистору.