Усилитель электрических сигналов - это устройство, в котором осуществляется увеличение интенсивности сигналов за счет использования энергии вспомогательного источника. Усилители относятся к одному из основных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Их классификация весьма разнообразна и определяется диапазоном и полосой частот усиливаемых сигналов, уровнем сигналов на входе и выходе, типом используемых приборов и, наконец, механизмом усиления и схемной реализацией.
Узкополосные усилители усиливают сигналы в заданном узком диапазоне частот, обеспечивая тем самым эффективную фильтрацию мешающих сигналов (помех) других частот. В современных системах связи и радиолокации используются специальные широкополосные информационные сигналы. Для их обработки требуются широкополосные и сверхширокополосные усилительные каскады. В измерительной аппаратуре и вычислительной технике используются усилители постоянного тока, а в радиовещательной и аудиоаппаратуре применяются усилители как высокой, так и звуковой частоты.
При приеме слабых сигналов во входных каскадах приемных трактов должны стоять маломощные, но высокочувствительные усилители. Наоборот, выходные усилители радиопередатчиков должны отдавать в антенну сигналы большой мощности. Что касается схем усилителей, то их разнообразие обуславливается всеми перечисленными факторами.
Рис. 1. Усилитель напряжения
Проиллюстрируем принцип усиления электрических сигналов с помощью схемы, приведённой на рис. 1. Здесь последовательно с источником питания с напряжением Е включены резистор нагрузки Rн и управляющий элемент УЭ. Сопротивление управляющего элемента Ry зависит от напряжения Uвх или тока Iвх входного сигнала. В результате ток Iн, протекающий по нагрузке, а следовательно, и напряжение на ней Uн будут изменяться в соответствии с изменением Ry, то есть в соответствии с изменениями Uвх или Iвх. Можно сказать, усиление осуществляется путем управления током источника питания с помощью слабого сигнала. Чем чувствительнее управляющий элемент к изменениям входного сигнала, тем больше изменения напряжения или тока в цепи нагрузки, тем выше коэффициент усиления усилителя. Изменение сопротивления управляющего элемента может осуществляться в широких пределах при очень малой затрате энергии источника усиливаемого сигнала. В то же время мощность, выделяющаяся в нагрузке, может быть значительной. Эта мощность получается в результате преобразования энергии источника питания. Строго говоря, все электронные усилители являются усилителями мощности, так как мощность сигнала в выходной цепи усилителя всегда превышает мощность сигнала на входе усилителя. Однако во многих случаях основным показателем служат не входная и выходная мощности, а ток или напряжение на входе и выходе усилителя. Поэтому электронные усилители делят на усилители тока, напряжения и мощности.
Управляющими (активными) элементами электронных усилителей могут являться электровакуумные приборы (лампы), полевые и биполярные транзисторы и другие электронные приборы. Одно из важных мест в современной электро- и радиосхемотехнике и микроэлектронике занимают транзисторы.
В настоящей лабораторной работе будет изучаться усилитель напряжения на биполярном транзисторе.
Рис. 2. Усилитель в виде четырехполюсника
Определим наиболее общие показатели работы и характеристики линейного усилителя, представив его в виде четырехполюсника (рис. 2). Главным показателем работы усилителя напряжения является коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент передачи четырехполюсников определяют для режима установившихся гармонических колебаний, когда Uвх=Авх cos (ωt + φвх) и Uвых=Авых cos (ωt + φвых). Если далее использовать обобщённую гармоническую функцию U=А exp j(ωt + φ) и понятие комплексной амплитуды А=А ехр (jφ), то свойства усилителя удобно характеризовать комплексным коэффициентом усиления
, (1)
где
Таким образом, модуль комплексного коэффициента усиления К определяет собственно усиление, а фаза φк - сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями. Эти величины могут изменяться при изменении частоты входного сигнала, поэтому одной из основных характеристик усилителя является его частотная характеристика. Поскольку от частоты зависят как К(ω), так и φ(ω), то различают соответственно амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Вид этих характеристик определяется схемой усилителя. Усилительные свойства реальных усилителей ограничены конечным диапазоном частот, в котором К(ω)≈const. Если полоса частот, занимаемая спектром усиливаемого сигнала, превышает этот диапазон, то спектр сигнала изменяется (обедняется) а, значит, и сам сигнал изменяется при усилении. Такое преобразование сигнала называется частотным искажением.
Активные элементы усилителей имеют нелинейные зависимости токов от напряжений (вольтамперные характеристики), что приводит к изменению формы усиливаемого сигнала и обогащению его спектра. Эти изменения называются нелинейными искажениями.
К линейности усилительных каскадов приемо-передающей аппаратуры предъявляются жесткие требования. Нелинейность усилителей приводит к взаимодействию сигналов различных частотных каналов и к появлению на их выходах комбинационных составляющих. Частоты этих составляющих могут попадать в полосы других информационных каналов, создавая так называемые интермодуляционные помехи.
Рис. 3. Амплитудная характеристика усилителя
Наименьшие нелинейные искажения имеют место при усилении слабых сигналов, когда вольтамперные характеристики активных элементов можно приближенно считать линейными. Нелинейные свойства усилителя отражает его амплитудная характеристика Авых (Авх) (рис. 3). Она измеряется при подаче на вход усилителя гармонического сигнала постоянной частоты. Идеальная амплитудная характеристика имеет вид прямой, проходящей через начало координат под углом наклона, определяемым коэффициентом усиления. Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной. В области больших сигналов это связано с нелинейностью характеристик электронных приборов. При малых сигналах работа усилителя ограничена его собственными шумами, на фоне которых полезные сигналы на выходе устройства становятся неразличимыми. Таким образом, нормальный режим работы усилителя имеет место в интервале входных напряжений, соответствующих точкам А и В рис. 3. Величина этого интервала определяет динамический диапазон усилителя.
Рис. 1. Усилитель напряжения
Рис. 2. Усилитель в виде четырехполюсника
, (1)
Рис. 3. Амплитудная характеристика усилителя