Усилитель – это устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искажений.
Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных условий восприятия информации человеком и т.д. Например, для обеспечения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как правило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.
По усиливаемой электрической величине различают: усилители мощности, напряжения и тока. Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи усилителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей по определению коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится.
По диапазону усиливаемых частот усилители делятся:
· на усилители постоянного тока (УПТ);
· на усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ);
· на усилители высокой частоты (УВЧ);
· на сверхвысокие (СВЧ) усилители.
В компьютерах, например, УПТ используются в источниках питания, УНЧ – в звуковых платах, УВЧ- и СВЧ-усилители – в приемниках радио- и телевизионных сигналов. В дальнейшем будем рассматривать в основном только усилители переменных напряжений и токов, так как такие сигналы являются основными в системах передачи информации.
По используемым элементам различают усилители на транзисторах, микросхемах, электронных лампах, диодах и т.д. Далее мы будем рассматривать усилители только на транзисторах и микросхемах. Такие усилители широко используются в компьютерах.
По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы (для полупроводниковых элементов Um < 0,1 В) и поэтому все элементы усилителя при воздействии малых переменных сигналов характеризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (Um> 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается. Возникает нелинейный режим работы усилителя. Далее мы будем рассматривать усилители, работающие только в линейном режиме.
Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначению, по полосе усиливаемых частот, по характеру усиливаемого сигнала и т.д.
Основными показателями усилителя являются коэффициенты усиления по напряжению, по току, по мощности:
,
а также сопротивления, входное () и выходное (
). К дополнительным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного действия, потребляемую от источника питания мощность, нелинейные искажения, массу и габариты и т.п.
Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают:
· усилитель с общим эмиттером (ОЭ);
· усилитель с общей базой (ОБ);
· усилитель с общим коллектором (ОК).
По переменному напряжению в этих схемах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.
В схеме с общим эмиттером (рис. 2.1) эмиттер транзистора соединен с корпусом усилителя. Через катушку с большой индуктивностью, называемую дросселем Др, на базу транзистора подается напряжение смещения ЕБЭ = 0,5…0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора.
t/image_post/electronika_lanovenko/pic20_4.gif align=left>
Значение начального постоянного тока коллектора определяется техническими условиями эксплуатации и для маломощных транзисторов примерно равно IКН = 0,1…10 мА. Усиление по мощности осуществляется за счет энергии источника питания (ЕП). Напряжение источника питания, как правило, равно 5…20 В, а полярность устанавливается такой, чтобы закрыть коллекторный переход.
Вместе с напряжением питания (ЕП) ток (IКН) и напряжение смещения (ЕБЭ) определяют режим по постоянному току усилителя. Описанный режим по постоянному току – обязательное условие, обусловливающее возможность усиления слабых сигналов в усилителе. Если транзистор закрыт и постоянный ток коллектора транзистора равен нулю, то каскад не будет усиливать слабые переменные сигналы.
Совокупность переменных токов и напряжений на элементах каскада определяют режим усилителя по переменному напряжению. Через конденсатор СР (рис. 2.1) переменный входной сигнал поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллектора. Конденсатор СР в схеме имеет большую емкость. Следовательно, его емкостное сопротивление (Хс = 1/wСР) мало, и поэтому он хорошо пропускает переменный входной ток.
Основное назначение этого конденсатора – не пропустить на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале. Поэтому конденсатор СР называется разделительным. В рассматриваемой схеме разделительный конденсатор, кроме того, не пропускает на входную клемму усилителя постоянное напряжение смещения, присутствующее на базе транзистора. Часто усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с «закрытым» входом.
Через дроссель Др (см. рис. 2.1) проходит напряжение смещения, так как сопротивление катушки постоянному току равно нулю. Для переменного тока этот дроссель, имея большую индуктивность, создает большое сопротивление. Входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь поступает на управление транзистором. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные потенциалы.
В цепи коллектора (рис. 2.1) включено сопротивление внутренней нагрузки каскада, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора через выходной разделительный конденсатор протекает по внешней нагрузке усилителя
, подключаемой к выходному зажиму каскада (см. рис. 2.1). На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сигнал.
В схеме усилителя с общей базой (рис. 2.2) назначение разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопротивления аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отличие от схемы с общим эмиттером в усилителе ОБ через дроссель Др на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смещения. Только при такой полярности напряжения смещения открывается транзистор, через него начинает протекать постоянный ток и только в этом случае усилитель ОБ сможет усиливать слабые переменные сигналы.
В схеме усилителя с общим коллектором (рис. 2.3) важную роль играет блокировочный конденсатор СБЛ. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, блокировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать практически одинаковыми переменные потенциалы двух узлов. Тем самым, «блокируется» поступление переменного напряжения из одной части в другую.
В усилителе ОБ (рис. 2.3) основное назначение блокировочного конденсатора – соединить через свое малое сопротивление коллектор транзистора по переменному напряжению с корпусом усилителя. Поэтому в точке на коллекторе переменное напряжение будет практически равно нулю, что соответствует схеме ОК. В отличие от схем с общим эмиттером и с общей базой, коллектор транзистора в схеме с общим коллектором (см. рис. 2.3) с корпусом не соединен. На коллекторе присутствует большое постоянное напряжение источника питания.
Отметим, что при отсутствии блокировочного конденсатора рассматриваемая схема (