Усилители электрических сигналов. Основы усиления. Классы усиления

В экспериментально снятых частотных характеристиках по вертикальной оси вместо коэффициента усиления нередко откладывают выходное напряжение  Uвых, имеющее место при подаче на вход постоянного по величине входного напряжения Uвх = const различных частот.

Частотные искажения, вносимые усилителем на какой-либо частоте, оценивают при помощи относительного усиления Y на этой частоте, представляющего собой отношение коэффициента усиления Ki на данной частоте к коэффициенту усиления в области средних частот Kср; относительное усиление может быть выражено как в относительных, так и в логарифмических единицах. Определение величины Y и его перевод из относительных единиц в децибелы и обратно производят по выражениям:

Значение Y в относительных единицах, равное единице, а в децибелах,  равное нулю, соответствует   отсутствию   частотных  искажений.

Логарифмическими единицами особенно удобно пользоваться для определения коэффициента усиления или коэффициента частотных искажений многокаскадного усилителя: в этом случае коэффициенты усиления или коэффициенты частотных искажений отдельных каскадов не перемножают, как это приходится делать при использовании относительных единиц, а складывают.

В расчетных формулах вместо относительного усиления Y удобнее использовать обратную величину, называемую коэффициентом частотных искажений и обозначаемую через М:

Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя и изменяется в широких пределах. Например, для усилителей сигналов речи и музыки в рабочей полосе частот допускают частотные искажения от 1 до 6 дб в зависимости от качества усилителя и его назначения. Для усилителей измерительных приборов допустимые искажения определяются требуемой точностью измерения и могут составлять десятые и даже сотые доли децибела.

Для практических расчетов удобны нормированные частотные характеристики (рис. 2-1,6), в которых по вертикальной оси откладывают относительное усиление Y в линейном масштабе, а по горизонтальной — в логарифмическом масштабе безразмерную величину X, пропорциональную частоте и связанную с электрическими данными схемы (нормированную частоту).

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ

Обычно усиление, даваемое одним каскадом, оказывается не достаточным, а поэтому усилитель собирают из нескольких каскадов, передавая усиленный сигнал с предыдущего каскада на следующий.

Для наглядного изображения устройства усилителя пользуются блок-схемой, называемой также функциональной или скелетной схемой (рис. 3-1), на которой прямоугольниками с вписанными в них обозначениями показывают основные части усилителя. Такими частями являются: входное и выходное устройства, предварительный и мощный усилители.

Входное устройство применяют для разделения постоянных составляющих тока или напряжения источника сигнала и входной цепи первого транзистора или лампы, симметрирования ( Симметрированием цепи  называют  превращение  ее  из  несимметричной, имеющей  один  заземленный   провод,   в  симметричную,  оба   провода   которой  -не  заземлены   и   несут  равные   и   противоположные   по  отношению   к   земле напряжения сигнала.  Симметрирование  позволяет сильно  уменьшить  влияние на цепь посторонних источников помех и широко используется в линиях связи.) входной цепи усилителя, согласования (Согласованием двух соединяемых цепей называют приведение входного сопротивления одной цепи к равенству выходному сопротивлению другой. Согласование устраняет отражение сигнала в месте соединения цепей, могущее вызвать появление частотных, фазовых и переходных искажений.) входного сопротивления усилителя с выходным сопротивлением источника сигнала, повышения напряжения сигнала на входе. Иногда входное устройство также содержит регулятор усиления (рис. 3-2). Если указанные задачи не ставятся, источник сигнала подключают к входной цепи первого транзистора или первой лампы непосредственно, без входного устройства.

Выходное устройство применяют для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выходной цепи последнего транзистора или лампы и нагрузки усилителя, симметрирования выходной цепи, создания последнему транзистору или лампе нужного сопротивления нагрузки, согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки (рис. 3-3). Если указанные задачи не ставятся, нагрузку включают непосредственно в выходную цепь последнего транзистора или лампы без выходного устройства.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления, назначением которых является усиление напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи на вход мощного усилителя. Основным требованием,  предъявляемым к каждому каскаду предварительного усиления, является возможно большее усиление напряжения тока или мощности сигнала, так как при этом количество каскадов будет наименьшим, а усилитель — наиболее простым и дешевым. Это требование определяет подбор транзисторов и ламп для каскадов предварительного усиления и выбор режима их работы. Если источник сигнала дает достаточную для подачи на вход мощного усилителя мощность сигнала, предварительный усилитель не нужен.

Мощный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов мощного усиления. Назначение мощного усилителя — отдача в нагрузку заданной мощности усиленного сигнала. Основным требованием, предъявляемым к каскадам мощного усиления и определяющим выбор транзисторов или ламп для них и режима работы последних, является отдача заданной мощности. При большой выходной мощности усилителя входная цепь ею последнего каскада потребляет значительную мощность, которую должен отдать предыдущий каскад, также являющийся каскадом мощного усиления. Поэтому усилители большой мощности иногда имеют несколько каскадов мощного усиления. Если нагрузкой усилителя является емкость небольшой величины (например, модулятор кинескопа, отклоняющие пластины электроннолучевой трубки и т. д.), то на нагрузке требуется обеспечить лишь напряжение сигнала заданной величины. В этом случае мощный усилитель не нужен и последний каскад усилителя будет каскадом предварительного усиления.

Классы усиления

Понятие режима работы или класса усилителя определяется соотношением анодного тока покоя к величине тока сигнала и формой анодного тока. До сих пор во всех примерах рассматривались усилители класса А, хотя данный факт до сих пор никак не акцентировался. Для исправления указанного упущения необходимо ввести некоторые определения.

Режим класса А

При этом режиме величина анодного тока покоя всегда задается такой, чтобы даже при минимально возможном значении входного сигнала (а также и при его отсутствии) анодный ток не снижался до нулевого значения. Иными словами, лампа, работающая в классе А, никогда не запирается. Если на вход (управляющую сетку) такого каскада усиления будет подано синусоидальное напряжение, форма анодного тока также будет синусоидальной. Режим класса А характеризуется наилучшей линейностью усиления, однако по энергетической эффективности он самый плохой. Теоретическое значение максимального КПД при синусоидальной форме выходного сигнала в режиме класса А равно 50%. Наиболее простое тому объяснение — большой ток покоя, существующий даже при полном отсутствии входного сигнала. Низкий КПД кроме очевидного высокого энергопотребления, неудобен тем, что на анодах ламп рассеивается повышенная тепловая мощность, что уменьшает максимально достижимую полезную мощность, отдаваемую ими.

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной . Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток , а следовательно и коллекторный ток   нигде не снижаются до нуля (рис. 3.31). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки   равен . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока   КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.

Рис. 3.31. Усиление в режиме класса А

Режим класса В

В этом режиме ток покоя равен нулю, а сам анодный ток протекает только при действии положительной полуволны входного сигнала. Таким образом, лампа заперта в период действия отрицательной полуволны входного сигнала. Так как входной сигнал фактически претерпевает однополупериодное выпрямление, в сигнале возникают существенные искажения в виде гармоник. Для решения данной проблемы приходится принимать дополнительные меры (применение двухтактных схем усиления). Однако, в режиме класса В анодный ток существует при любом значении амплитуды входного сигнала, что не нарушает линейности амплитудно-амплитудной характеристики усилителя. Теоретическое значение максимального КПД (при полном использовании лампы по напряжению и току, что на практике недостижимо) при синусоидальной форме выходного сигнала в случае двухтактного усилителя класса В составляет 78,5%. Это напрямую связано с отсутствием тока покоя.

Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис. 3.32). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Угол отсечки   равен . Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.

Рис. 3.32. Усиление в режиме класса В

Для того чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода - второй транзистор в этом же режиме. На рис. 3.33. представлена схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположного типа, но с идентичными параметрами, образующих так называемую комплементарную пару. Для питания коллекторной цепи используется два одинаковых источника питания   и , которые создают обратное включение коллекторных переходов. Резисторы   и одинаковы, при   они фиксируют потенциал баз транзисторов, равный потенциалу корпуса.

Рис. 3.33. Двухтактная схема класса В с симметричным источником питания

Режим класса В обычно используют преимущественно в мощных двухтактных усилителях, однако в чистом виде его применяют редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим класса AB.

Режим класса AB

Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала.

Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов (рис. 3.34).

Рис. 3.34. Усиление в режиме класса АВ

При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, составляющий от максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в этом случае составляет .

При работе двухтактных усилительных каскадов в режиме класса АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации нелинейных искажений, возникающих за счет нелинейности начальных участков вольт-амперных характеристик транзистора.

Схема двухтактного усилительного каскада, работающего в классе AB, приведена на рис. 3.35.

Рис. 3.35. Двухтактная схема класса AВ с делителем напряжения

Коллекторные токи покоя и   задаются напряжением смещения, подаваемым на базы транзисторов с сопротивлений и , и составляют незначительную часть максимального тока в нагрузке:

вследствие этого результирующая характеристика управления двухтактной схемы класса AB принимает линейный вид (штрихпунктирная линия на рис. 3.36).

Рис. 3.36. Характеристика управления двухтакной схемы, работающей в классе AB

Напряжения смещения транзисторов VT1 и VT2 определяются как

;

Ток делителя R1,R2,R3 ,R4  должен быть не менее :

Чем ближе работа усилительного каскада к классу A (чем больше угол отсечки ), тем меньше КПД, но лучше линейность усиления.

КПД каскадов при таком классе усиления выше, чем для класса А, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого коллекторного тока .

Режим класса С

В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току (рис. 3.37).                                                           Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки . Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %.

Рис. 3.37. Усиление в режиме класса С

Из-за больших нелинейных искажений режим класса С не используется в усилителях звуковой частоты, этот режим нашел применение в мощных резонансных усилителях (например, радиопередатчиках).

Режим класса D

Иначе этот режим называется ключевым режимом. В этом режиме рабочая точка может находиться только в двух возможных положениях: либо в зоне отсечки (транзистор заперт и его можно рассматривать как разомкнутый ключ), либо в зоне насыщения (транзистор полностью открыт и его можно рассматривать как замкнутый ключ). В активной зоне рабочая точка находится только в течение короткого промежутка времени, необходимого для перехода её из одной зоны в другую. Поэтому при работе в ключевом режиме линия нагрузки может на среднем своем участке выходить за пределы гиперболы допустимых мощностей, при условии, что переход транзистора из закрытого состояния в открытое и наоборот производится достаточно быстро (рис. 3.38).