Усилители электрических сигналов. Основы усиления. Классы усиления

Полярность источника питания и смещения, указанная на рис, 1-3, относится к транзисторам типа р-п-р, являющимися наиболее распространенными.  При транзисторах типа п-р-п полярность источника питания и смещения изменяют на обратную. При наивыгоднейшем режиме работы хороший транзистор может усилить мощность подведенных к нему электрических сигналов в десятки тысяч раз, лишь немного уступая в этом отношении электронной лампе. Большими преимуществами транзисторов по сравнению с лампами являются: отсутствие цепи накала, исключающее источник питания этой цепи и время прогрева, что приводит к почти мгновенной готовности усилителя к работе после включения питания; очень большой срок службы (многие десятки тысяч часов при правильной эксплуатации), связанная с этим высокая надежность работы, превышающая надежность работы электронной лампы; меньшая мощность, потребляемая от источников питания (иногда    в десятки и даже в сотни раз); меньшие размеры и вес; малая чувствительность к сотрясениям и ударам. Вследствие указанных достоинств транзисторы все шире используют вместо электронных ламп.

Основными недостатками транзисторов по сравнению с электронными лампами пока еще являются: сильное влияние температуры на свойства, больший разброс параметров, более низкое входное сопротивление, что затрудняет передачу усиленных сигналов от предыдущего каскада к последующему, меньшая максимальная выходная мощность.

Принцип действия сверхпроводникового усилительного элемента, называемого иначе криотроном, основан на том, что изменение напряженности магнитного поля меняет температуру перехода вещества в сверхпроводящее состояние. Простейший криотрон представляет собой тонкую проволочку или пленку из сверхпроводящего материала, окруженную управляющей обмоткой. Охладив проволочку до температуры ее перехода в сверхпроводящее состояние, пропускают ток усиливаемого сигнала через управляющую обмотку. Возникающее при этом переменное магнитное поле изменяет сопротивление сверхпроводящей проволочки, включив которую последовательно с источником питания и нагрузкой, получают в последней усиленный сигнал.

К достоинствам криотрона относятся малые размеры и малая мощность питания, большой срок службы, более низкий уровень собственных шумов по сравнению с электронной лампой и транзистором. Его недостатком является необходимость охлаждения до температуры наступления сверхпроводимости, которая для известных в настоящее время сверхпроводящих материалов превышает температуру абсолютного нуля (—273° С) лишь на несколько единиц или десятков градусов. Это требует использования сложных и дорогих охлаждающих агрегатов, почему криотроны пока не находят широкого применения.

Магнитный усилительный элемент, называемый более кратко магнитным усилителем, изображен на рис. 1-5, а. Здесь на сердечнике из магнитного материала размещено несколько обмоток. Источник постоянного смещения Ес, присоединенный к обмотке 1, расположенной на среднем стержне сердечника, сдвигает начальную точку кривой намагничивания на сгиб характеристики намагничивания материала сердечника. Усиливаемые сигналы подводят к управляющей обмотке 2, расположенной также на среднем стержне. При таком положении исходной точки кривой намагничивания ток сигнала (iи на рис. 1-5,6) сильно изменяет магнитную проницаемость, сердечника, а, следовательно, и индуктивность управляемых обмоток 3, расположенных на крайних стержнях сердечника. В результате, изменяется по величине переменный ток iп источника питания Еп, текущий через управляемые обмотки (рис. 1-5,6). Промодулированный сигналом ток iп выпрямляется детектором Д (ток iд на рис 1-5,6) и после отфильтровывания фильтром Ф токов частоты источника питания и ее высших гармоник и компенсации постоянной составляющей приобретает форму усиливаемых сигналов и поступает в нагрузку Н (ток iн на рис. 1-5,6).

К достоинствам магнитных усилителей относятся: большое усиление (того же порядка, что и у электронной лампы); мгновенная готовность к работе; нечувствительность к сотрясениям; высокая надежность работы и практически неограниченный срок службы. Их недостатком является сложность схемы и необходимость иметь источник питания переменного тока с частотой, по крайней мере в несколько раз превышающей наивысшую частоту усиливаемых сигналов.

Указанные свойства делают применение магнитных усилителей очень удобным в тех случаях, когда наивысшая частота усиливаемых сигналов не превосходит нескольких десятков или сотен герц.

При этом отпадает надобность в специальном источнике питания высокой частоты, так как для питания может быть использована непосредственно сеть переменного тока нормальной   (50 гц) или повышенной частоты (400-2000 гц). Поэтому магнитные усилители широко используются в схемах стабилизаторов тока и напряжения, в устройствах автоматического регулирования, а также в системах управления и контроля современных судовых, авиационных, ракетных и артиллерийских механизмов и т. п., где частоты усиливаемых сигналов невелики.

Диэлектрический усилительный элемент (диэлектрический усилитель) содержит конденсаторы из материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля (например, из титаната бария). Электрическая емкость таких нелинейных конденсаторов зависит от приложенного к ним напряжения.

Используя вместо сердечника с обмотками нелинейные конденсаторы можно усилить электрические сигналы способом, сходным с показанным на рис. 1-5. От воздействия напряжения усиливаемых сигналов нелинейные конденсаторы будут изменять свою емкость; это будет модулировать ток питания iп создаваемый источником питания. Выпрямив и отфильтровав модулированный ток и направив в его нагрузку, получают в последней усиленные сигналы.

Диэлектрические усилители имеют достоинства и недостатки, в основном аналогичные достоинствам и недостаткам магнитных усилителей. Однако питать их непосредственно от сети переменного тока неудобно даже при малых частотах усиливаемых сигналов, так как это требует применения нелинейных конденсаторов очень больших емкостей, изготовление которых затруднительно. Поэтому диэлектрические усилители указанного типа почти не имеют применения.

Рассмотренные выше усилительные элементы могут усиливать электрические сигналы с частотой от нуля (постоянный ток) до наивысшей, определяемой физическими и электрическими свойствами устройства. Уровень собственных шумов усилительного элемента определяется принципом его действия, и для рассмотренных устройств, за исключением криотрона, оказывается довольно высоким. Поэтому рассмотренные выше усилительные элементы непригодны для усиления очень слабых электрических сигналов, лежащих ниже уровня собственных шумов устройства, так как такие сигналы будут заглушены  собственными шумами.

Отсюда видно, что для усиления чрезвычайно слабых сигналов необходимы  усилительные   устройства,  обладающие  очень   низким уровнем собственных шумов; по этой причине в системах дальней и сверхдальней космической связи, аппаратуре управления и связи с ракетами и спутниками дальнего действия, радиолокационной и радиоастрономической аппаратуре большого радиуса действия используют особые способы усиления электрических сигналов. Наиболее употребительными из них являются параметрический и квантово - механический  усилители.

Примером усилительного устройства, работающего на квантово - механическом принципе, являются молекулярные усилители. Их принцип действия основан на том, что в определенных условиях молекулы вещества, пролетая в электромагнитном поле, образованном высокочастотным источником питания, могут поглощать часть энергии этого поля; поглощенная молекулами энергия затем отдается ими в нагрузку уже на частоте усиливаемых сигналов, осуществляя тем самым усиление. Молекулярные и другие квантово - механические усилительные устройства сложны в выполнении, обычно требуют применения сильных магнитных полей и охлаждения до очень низких температур (порядка температуры жидкого гелия), усиливают довольно узкую полосу частот, но имеют наименьший уровень собственных шумов в известных в настоящее время усилительных устройствах. Их используют обычно для усиления очень высоких частот - порядка тысяч и десятков тысяч мегагерц.

Несмотря на сравнительно высокий уровень собственных шумов (в обычных условиях порядка долей микровольта) транзисторы и электронные лампы в настоящее время являются наиболее совершенными и универсальными усилительными устройствами. Они дают большое усиление в широкой полосе частот, имеют простые схемы включения, большой срок службы, не требуют какой-либо наладки или настройки в эксплуатации. По этим причинам транзисторные и ламповые усилители в настоящее время являются наиболее распространенными и широко применяемыми

ВЫХОДНЫЕ И ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Свойства усилителя характеризуются его показателями, основными из которых являются: выходные и входные данные; коэффициент усиления и коэффициент полезного действия; частотная, фазовая и переходная характеристики; амплитудная характеристика, динамический диапазон и уровень собственных помех; нелинейные искажения.

К выходным данным относятся: номинальное (заданное техническими требованиями) выходное напряжение Uвых или выходная мощность Р2, отдаваемые усилителем при работе на заданную нагрузку, а также выходное сопротивление усилителя Zвых, характеризующее изменение напряжения сигнала на выходе при изменении сопротивления нагрузки. Нагрузкой усилителя обычно является сопротивление R2, которое в рабочей полосе частот можно считать активным, или емкость С2. Если нагрузкой служит активное сопротивление R2, то выходное напряжение, ток и мощность связаны соотношениями

К входным данным относятся: номинальное входное напряжение Uвх или входной ток Iвх, при которых усилитель отдает заданное техническими требованиями выходное напряжение или мощность в нагрузку, и входное сопротивление усилителя Zвx. Нередко в рабочей полосе частот входное сопротивление усилителя можно считать активным и равным Rвх; в этом случае входное напряжение, ток и входная мощность Рвх связаны соотношениями:

К входным данным также можно отнести э. д. с. источника входного сигнала Uи и его внутреннее сопротивление Zн.

КОЭФФИЦИЕНТ  УСИЛЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Коэффициент усиления – один из важнейших показателей усилителя. Он показывает, во сколько раз полезный эффект в заданной нагрузке на выходе усилителя больше эффекта, создаваемого источником сигналов на его входе. Полезный эффект на выходе выходе может определяться напряжением, током и мощностью.

Коэффициентом усиления напряжения или просто коэффициентом, усиления усилителя К называют отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя Uвых к напряжению сигнала на его входе Uвх

Коэффициент усиления, вычисленный по данной формуле, представляет собой отвлеченное число. Hа практике коэффициент усиления нередко выражают в логарифмических единицах - децибелах, для чего используют выражение

Обратный переход от К(дб) к К осуществляется при помощи формулы

Так, например, если выходное напряжение усилителя равно 80 в, а его выходное напряжение составляет 0,05 в, то его коэффициент усиления в относительных единицах равен 80:0,05=1600, а коэффициент усиления в децибелах будет:

Если, наоборот, известно, что коэффициент усиления в децибелах составляет 38 дб, то усилитель дает усиление напряжения сигнала в

Существуют и другие логарифмические единицы, в которых может быть выражен коэффициент усиления - неперы. Перевод коэффициента усиления напряжения в неперы и обратно осуществляют по формулам

где ln — знак натурального логарифма  и e — основание натуральных логарифмов. Для перевода коэффициента усиления из децибел в неперы число децибел достаточно разделить на 8,68, а при обратном переводе — помножить на эту величину.

Из-за присутствия в усилителе и его нагрузке реактивных сопротивлений фаза выходного напряжения не совпадает с фазой входного. Поэтому, строго говоря, коэффициент усиления усилителя всегда представляет собой комплексную величину K=a+jb, модуль  которой

определяет величину усиления, а аргумент  = arctg b/a — угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями

Коэффициент усиления тока КT, представляет собой отношение выходного тока усилителя Iвых к его входному току Iвх. Коэффициент усиления мощности Км, равен отношению выходной мощности усилителя Р2 к его входной мощности Рвх. Коэффициенты усиления тока и мощности также могут быть   выражены в логарифмических единицах.

Коэффициент полезного действия (к.п.д.) усилителя  представляет собой отношение мощности сигнала Р2, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от источников питания

Для усилителей большой мощности к. п. д. является одним из важнейших показателей.

ЧАСТОТНАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА

Так как коэффициент усиления усилителя при изменении частоты изменяется как по модулю, так и по фазе, отдельные гармонические составляющие сигнала, подаваемого на вход усилителя, усиливаются неодинаково и сдвигаются на различное время; обе причины приводят к искажению формы выходного сигнала.

Искажения формы сигнала, вызываемые неодинаковым усилением различных частот, называют частотными искажениями; искажения формы, вызываемые сдвигом фазы, вносимым усилителем, называют фазовыми искажениями. Как частотные, так и фазовые искажения обусловлены линейными элементами схемы усилителя, т. е. элементами, подчиняющимися закону Ома; поэтому их называют линейными искажениями.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его частотной характеристике, представляющей собой зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Частотную характеристику строят в прямоугольных координатах, откладывая по вертикальной оси в линейном масштабе коэффициент усиления в относительных или логарифмических единицах, а по горизонтальной оси — частоту в герцах (или круговую частоту  = 2) в логарифмическом масштабе (рис. 2-1, а).