Назначение, классификация и основные параметры усилителей.
Усилители служат для преобразования электрических сигналов по величине. Они являются наиболее универсальными электронными устройствами и в той или иной форме используются практически в любых электронных системах (рисунок 8.1).
Рисунок 8.1 – Общее функциональное обозначение усилителя
Классификация усилителей электрических сигналов проводится по:
· виду используемых активных элементов: усилители электронные, магнитные, оптико-электронные и т.п.;
· виду основного усиленного сигнала: усилители напряжения, тока или мощности;
· связи между каскадами: усилители с непосредственными связями, реостатные или резистивные, резистивно-емкостные ( 
– усилители), трансформаторные, резистивно-трансформаторные;
· способу усиления: усилители непосредственного (прямого) усиления и усилители с преобразованием спектра усиливаемого сигнала (усилители типа МДМ, модемы);
· характеру зависимости между входным и выходным сигналами: усилители линейные и нелинейные (с отсечкой, логарифмические и. т. п);
· полосе пропускания: усилители широкополосные или видеоусилители, звуковые, узкополосные, усилители постоянного тока.
Усилитель может быть представлен в виде четырехполюсника (рисунок 8.2), на вход которого подан сигнал от внешнего источника с 
и внутренним сопротивлением 
, а к выходу подключена внешняя нагрузка 
.
Рисунок 8.2 – Схема замещения усилителя четырехполюсником
Входными параметрами усилителя являются напряжение 
, ток 
, сопротивление 
и мощность 
, а выходными параметрами – напряжение 
, ток 
, сопротивление 
и мощность 
.
Проходные параметры усилителя – коэффициенты усиления по напряжению 
, по току 
, по мощности 
.
В общем случае параметры усилителя – величины комплексные. При работе усилителя с характерными для измерительных устройств сигналами средних частот 1…3 кГц влияние реактивных элементов пренебрежительно мало и параметры можно считать действительными.
Частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению 
от частоты 
(рисунок 8.3). Идеальная характеристика – горизонтальная в диапазоне частот 
, называемом полосой пропускания усилителя. Завалы на реальной характеристике вызываются влиянием реактивных элементов в цепях межкаскадной связи.
Рисунок 8.3 – Частотная характеристика усилителя
Амплитудная характеристика – зависимость между выходным 
и входным 
напряжениями (рисунок 8.4) идеальная характеристика линейного усилителя – прямолинейная. Реальная характеристика при больших сигналах – нелинейная.
Рисунок 8.4 – Амплитудная характеристика: 1 – идеальная; 2 – реальная
Фазовая характеристика – зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями 
от частоты 
. На средних частотах 
фазовый сдвиг отсутствует. Влияние реактивных элементов искажает фазовую характеристику (рисунок 8.5).
Рисунок 8.5 – Фазовая характеристика
2. Обратная связь в усилителях.
В усилителях на вход подают исходный сигнал от внешнего источника, а на выходе получают усиленный выходной сигнал. Как правило, часть этого сигнала через специальную цепь подают также на вход усилителя. Такую передачу сигнала называют обратной связью (ОС). В результате на входе усилителя с ОС действуют два сигнала: исходный сигнал 
и сигнал ОС – 
. Обратные связи влияют на параметры и характеристики усилителя.
Классификация обратных связей проводится:
• по способу образования – принудительные (полезные), специально созданные связи и паразитные, возникающие, например, из-за монтажных емкостей;
• характеру совместного действия двух сигналов на входе усилителя – обратные связи положительные (ПОС) и отрицательные (ООС). При ПОС исходный входной сигнал и сигнал ОС совпадают по знаку или фазе, суммируются и увеличивают результирующий сигнал на выходе усилителя. ПОС применяют в генераторах гармонических и импульсных колебаний. В усилителях ПОС используют сравнительно редко. Для усилителей характерна отрицательная обратная связь, при которой сигнал ОС противоположен по знаку или фазе входному сигналу, вычитается из него и уменьшает результирующий сигнал на выходе усилителя;
• способу образования сигнала ОС на выходе усилителя – обратная связь по напряжению и току. Включение или исключение элементов цепи ОС не должно влиять на выходную цепь (рисунок 8.6).
а б
Рисунок 8.6 – Обратная связь: а – по току; б – по напряжению
Условие, исключающее влияние цепи ОС на выходную цепь усилителя, в случае ОС по току, следующее: 
, где 
– образцовое сопротивление цепи ОС.
Условие, исключающее влияние цепи ОС по напряжению на выходную цепь усилителя, следующее: 
, где 
, 
– резистивный делитель цепи ОС;
• способу подачи сигнала ОС на вход усилителя – последовательная и параллельная ОС. При последовательной связи на входе усилителя суммируются напряжения 
и 
, при параллельной связи – токи 
и 
(рисунок 8.7).
а б
Рисунок 8.7 – Обратная связь в усилителях: а – последовательная;
б – параллельная обратная связь: внешний и внутренний входы
совпадают, 
Цепи ОС являются частотно-независимыми при использовании в них только активных элементов и частотно-зависимыми – при использовании активных и реактивных элементов. Коэффициент обратной связи 
в общем случае – величина комплексная, но в области средних частот и при соответствующем выборе реактивных элементов их влиянием можно пренебречь и считать коэффициент обратной связи чисто активной величиной 
. Этот коэффициент показывает, какая часть выходного напряжения подается на вход в виде сигнала обратной связи.
Отрицательная обратная связь (ООС) влияет на параметры усилителя: в первую очередь на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления усилителя. В усилителе с последовательной ООС (рисунок 8.7 а) есть два входа: внешний «аа», на который подают сигнал 
, и внутренний «бб», где действует напряжение 
. 
усиливается усилителем без обратной связи.
Величину 
называют внутренним коэффициентом усиления. Это коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Величину 
называют коэффициентом усиления усилителя с обратной связью. При ООС 
, или 
.
По определению 
; 
, или 
.
Тогда 
.
Разделим почленно: 
.
Тогда 
.
Следовательно, 
, т.е. ООС уменьшает усиление и повышает стабильность усилителя.
При действии дестабилизирующих факторов: изменение температуры, напряжение питания, параметры элементов, – коэффициенты усиления изменяются, что оценивают относительным изменением коэффициентов:
– в усилителе без ОС; 
– в усилителе с ОС, где 
и 
– абсолютные изменения коэффициентов усиления при действии дестабилизирующих факторов.
Поскольку 
, то 
, или, переходя к конечным приращениям,
.
Следовательно,при ООС относительная нестабильность усилителя уменьшается в 
раз.
При последовательной ООС
.
Таким образом, параллельная ООС также уменьшает коэффициент усиления и повышает его стабильность.
В усилителе с параллельной ООС входы «аа» и «бб» совпадают:
, или 
,
где 
– входной ток усилителя без ОС; 
– ток, создаваемый цепью ОС.
Так как 
; 
, то
.
Откуда
; 
,
где || – знак параллельного соединения сопротивлений; 
– выходное сопротивление цепи ОС.
Следовательно, при параллельной ООС входное сопротивление усилителя уменьшается.
Выходное сопротивление устройств определяют следующим образом:
; 
,
где 
– напряжение холостого хода на выходе в отсутствие нагрузки; 
– ток короткого замыкания выхода.
В усилителе при обратной связи по напряжению 
.
Ток короткого замыкания 
, так как в этом случае вход цепи ОС замкнут накоротко и ОС отсутствует. Тогда 
.
Следовательно, ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя.
При обратной связи по току напряжение холостого хода 
, так как в этом случае выходная цепь разорвана и ОС отсутствует. Ток короткого замыкания 
, 
.
Следовательно, ООС по току увеличивает выходное сопротивление усилителя.
ООС уменьшает частотные искажения и расширяет полосу пропускания усилителя, поскольку уменьшение выходного сигнала на краях полосы пропускания приводит к уменьшению напряжения обратной связи, следовательно, сигнал на входе усилителя остается почти неизменным в довольно широких пределах изменения частоты. Аналогичным образом ООС компенсирует нелинейные искажения выходного сигнала.