Технические дисциплины - ТОЭ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………..2

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ……….2

КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ………………………………………………………...2

ТИПЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ…………………………………………………...3

ВЫХОДНЫЕ И ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ……………………………………………………….7

КОЭФФИЦИЕНТ  УСИЛЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ…....8

ЧАСТОТНАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА………………………………………………………….9

БЛОК-СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ………………………………………………………………...10

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.1

 

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 усилительных 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.

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

Uвых = Iвых R2 ;  P2 = Iвых Uвых =R2 =.

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:

Uвх = Iвх Rвх ; Pвх = Iвх Uвх =.

 

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

K = (2-1)

Коэффициент усиления, вычисленный по формуле (2-1) представляет собой отвлеченное число. Hа практике коэффициент усиления нередко выражают в логарифмических единицах - децибелах, для чего используют выражение

К(дб) =20 lg=20 lg K.                                                                                                         (2-2)

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

К= (2-3)

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:

К(дб) = 20 lg 1600 = 20∙3,2 = 64 дб.

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

К==101,9 =80 раз.

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

К = 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 Рпит:      =.

Для усилителей большой мощности к. п. д. является одним из важнейших показателей. 2

 

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). 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:

;lg Y;                                                                               (2-4)

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:

;20 lg M; .

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).

БЛОК-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. 3

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить