Структура усилительного устройства

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получать на выходной нагрузке усилителя те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эти устройства преобразуют маломощный сигнал на входе в аналоговый сигнал большей мощности на выходе. Увеличение мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от дополнительного источника (ИП).

Другим источником в устройстве является управляющий источник энергии, от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель. Его называют источником входного сигнала.

Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой.

Электрические колебания усиливаются с помощью специальных приборов – усилительных элементов (УЭ), которые получают электрическую энергию от ИП и преобразуют ее в энергию усиливаемых сигналов, т. е. обладают управляющими свойствами.

Связь усилителя с источником входного сигнала, нагрузкой и источником питания иллюстрирует рис. 1. Усилительное устройство имеет входную и выходную сигнальные цепи и цепи питания. Во входную цепь включен источник сигнала, от которого к входу усилителя подводится сигнал с напряжением U_ВХ, током I_ВХ и мощностью Р_ВХ. В выходную цепь включена нагрузка, к которой от усилителя подводится усиленный сигнал с напряжением U_ВЫХ, током I_ВЫХ и мощностью Р_ВЫХ. Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

Рис. 1. Структурная схема усилительного устройства

Мощность Р_ВЫХ, отдаваемая усилителем в нагрузку, меньше мощности Р₀, потребляемой им от ИП. Это обусловлено неизбежными потерями части потребляемой мощности Р_П = Р₀ – Р_ВЫХ в усилительных элементах и пассивных элементах (резисторах и т. д.) усилителя, приводящих к нежелательному нагреву этих элементов, а также к снижению КПД усилителя, оцениваемому как η = Р_ВЫХ/Р₀. Вопросы снижения этих потерь (или, иначе говоря, повышения КПД усилителя) и отвода тепла очень важны, особенно в мощных усилителях и в усилителях в интегральном исполнении.

Нагрузкой усилителя могут быть – электродинамический громкоговоритель («динамик») или устройство из нескольких динамиков («колонка»), электронно-лучевая трубка (в осциллографе), головные телефоны, монитор, последующие усилители, каналы связи и т. д.

В качестве источника сигнала используют микрофоны, передающие телевизионные трубки, детекторы радиоприемников, предшествующие усилителям, каналы связи, различные датчики и т. д.

В качестве усилительных элементов в усилителях телекоммуникационной аппаратуры используют преимущественно биполярные и полевые транзисторы (БТ и ПТ) в виде дискретных приборов и операционных усилителей на интегральных микросхемах (ИМС).

В качестве источника питания в электронных усилителях обычно используют источник постоянного тока (выпрямитель, химический источник) с необходимыми значениями напряжения Е₀ и тока питания I₀.

Принцип усиления

От источника питания усилитель отбирает мощность P₀, необходимую для усиления входного сигнала.

Рис. 2. Эквивалентная схема, поясняющая принцип усиления

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону изменения входного сигнала.

Работу усилительного устройства поясняет рис. 2. На нем изображена упрощенная эквивалентная схема выходной цепи усилителя. Один входной и один выходной зажимы усилителя имеют общую точку, которая соединена с источником питания и «заземляется». Последовательно с источником питания включены два сопротивления: постоянное сопротивление нагрузки R_Н и изменяемое внутреннее сопротивление усилителя R₀, которое он оказывает постоянному выходному току УЭ. Напряжение E₀ делится между этими двумя сопротивлениями.

При отсутствии сигнала на входе усилителя в выходной цепи протекает ток покоя I₀ = E₀ / (R₀ + R_Н), на внутреннем сопротивлении усилителя R₀ падает напряжение U₀. Под воздействием управляющего напряжения или тока, подводимого ко входу усилителя изменяется сопротивление постоянному току R₀. Изменение этого сопротивления может осуществляться в очень широких пределах при очень малой затрате энергии на входе. При этом переменное напряжение на сопротивлении нагрузки R_Н может быть получено во много раз больше, чем входное переменное напряжение. Общее представление о работе любого УЭ дают выходные статические характеристики. Для суждения о работе УЭ в конкретной схеме нужно начертить линию нагрузки. На рис. 3 приведены только координатные оси выходных статических характеристик, а сами характеристики не показаны, поскольку линия нагрузки не зависит от них.

Рис. 3. Процесс преобразования энергии ИП в усиленный выходной сигнал

Линия нагрузки представляет собой геометрическое место точек, в котором должны находиться выходное напряжение и выходной ток при данном сопротивлении нагрузки R_H и напряжении питания E₀. Все точки нагрузочной прямой являются возможными значениями тока i_ВЫХ и напряжения u_ВЫХ внешнего сопротивления R_Н. Точка А есть точка покоя (исходная рабочая точка или статическая рабочая точка), представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. В процессе воздействия гармонического сигнала на входные электроды усилителя изменяется сопротивление R₀ и, как следствие, значения токов и напряжений на выходе УЭ. Тогда рабочая точка изменяет свое положение (в пределах А1 и А2). На рис. 3 показаны линии внутренних сопротивлений усилителя R₀₁ = 1 кОм и R₀₂ = 4 кОм, значения которых определяют координаты этих точек.

В случае гармонического входного сигнала переменная составляющая выходного тока I_m должна колебаться относительно постоянной составляющей (тока покоя) I₀, что и показано на рис. 3. А выходное сопротивление УЭ должно изменяться по закону R₀ (t) = R₀ (1 + sinωt). Тогда полный выходной ток i_вых = Е₀/(R_Н + R₀(t)) = I₀/(1+n sinωt), где n = R₀/(R_Н + R₀).

Необходимо отметить, что при идеальных статических характеристиках такие изменения приведут к уплощению нижней полуволны выходного переменного тока (правой полуволны выходного переменного напряжения U_m), так как R₀₂ будет равно 3 кОм. В реальном усилителе закон изменения R₀ от входного сигнала более сложный.

Главным отличительным признаком усилителя является его способность увеличивать мощность сигнала, получая Р_ВЫХ > Р_ВХ. Это означает, что усилитель является активным четырехполюсником. На схеме рис. 1 данный факт отмечен треугольником – знаком усиления.