Что такое электронный усилитель
Перейти к содержимому

Что такое электронный усилитель

  • автор:

Электронный усилитель

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Содержание

История

  • 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
  • 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
  • 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Устройство и принцип действия

Структура усилителя

  • Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
  • В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
  • Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
  • Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
  • Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскады усиления

  • Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
  • В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
  • В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)
      (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.
    • Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает. (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.
    • Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.
    • Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.  — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

    Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

    • Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
    • В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

    Режим B, двухтактный каскад

    Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

    Классификация

    Аналоговые усилители и цифровые усилители

    • В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
    • В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

    Виды усилителей по элементной базе

    • Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
    • Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)
    • Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках
    • Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

    Виды усилителей по диапазону частот

      (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
    • Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике
    • Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

    Виды усилителей по полосе частот

    • Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот
    • Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот
    • Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

    Виды усилителей по типу нагрузки

    • с резистивной;
    • с ёмкостной;
    • с индуктивной;
    • с резонансной.

    Специальные виды усилителей

       — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход.  — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.  — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала
    • Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью  — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала
    • Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала
    • Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала
    • Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)
    • Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений
    • Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал
    • Изолирующий усилитель — усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления

    Некоторые функциональные виды усилителей

    • Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.
    • Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.
    • Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частотырадиоприёмника.
    • Резонансный усилитель — усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой.
    • Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения.
    • Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку.
    • Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать.
    • Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.

    Усилители в качестве самостоятельных устройств

      • Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.
      • Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.
      • Бытовые усилители звуковой частоты . В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.
         — разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.

      Hi-Fi УНЧ McIntosh MA6800

      Усилитель мощности Aleph 3

      Основные нормируемые параметры

      См. также

      Примечания

      1. Hickman, R. W. and Hunt, F. V., «On Electronic Voltage Stabilizers, » Review of Scientific Instruments, vol. 10, p. 6-21 (January 1939)

      Литература

      • Симонов Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — М.: Советское радио, 1973
      • Букреев С. С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. — М.: Советское радио, 1972
      • Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
      • Рамм Г. С. Электронные усилители.
      • Шамшин В. Г. История технических средств коммуникации, 2003.
      • ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
      • ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
      • ГОСТ 29180-91. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы СВЧ. Усилители малошумящие. Параметры и характеристики. Методы измерений.
      • ОСТ4-203.007-84. Аппаратура для озвучивания открытых и закрытых пространств. Усилители звуковой частоты. Общие технические условия.
      • ОСТ45-138-99. Усилители оконечные звуковой частоты станций проводного вещания. Основные параметры. Методы измерений.
      • IEC 60527(1975). Усилители постоянного тока. Характеристики и методы испытаний.
      • IEC 60581-6(1979). Акустическая аппаратура и системы высокой верности воспроизведения (Ні-Fi). Минимальные требования к параметрам. Часть 6. Усилители.
      • IEC 61305-3(1995). Аудиоаппаратура и аудиосистемы с высокой верностью воспроизведения бытовые. Методы измерения и установления рабочих характеристик. Часть 3: Усилители.
      • IEC 60268-3(2000). Оборудование звуковых систем. Часть 3. Усилители.

      Ссылки

      • Викифицировать список литературы, используя шаблон <<книга>> , и проставить ISBN.
      • Усилители (электроника)
      • Радиотехника
      • Радио
      • Базовые электронные узлы

      Wikimedia Foundation . 2010 .

      Полезное

      Смотреть что такое «Электронный усилитель» в других словарях:

      электронный усилитель — усилитель Усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Примечание В зависимости от амплитудно частотной характеристики, устройства и… … Справочник технического переводчика

      Электронный усилитель — 272. Электронный усилитель Усилитель Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

      электронный усилитель — elektroninis stiprintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electronic amplifier vok. Elektronenverstärker, m rus. электронный усилитель, m pranc. amplificateur électronique, m … Fizikos terminų žodynas

      электронный усилитель поперечного поля — электронный усилитель поперечного поля; амплидин; отрасл. магникон Двухступенчатый электромашинный усилитель, у которого поле возбуждения второй ступени расположено по поперечной оси поля возбуждения первой ступени … Политехнический терминологический толковый словарь

      Электронный усилитель — 1. Усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 … Телекоммуникационный словарь

      Усилитель — Усилитель  элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии… … Википедия

      Электронный генератор — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды электронных… … Википедия

      Усилитель (электроника) — Электронный усилитель усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное… … Википедия

      Усилитель низкой частоты — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… … Википедия

      Усилитель ЗЧ — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… … Википедия

      4. Электронные усилители

      Усилителем называется устройство, которое позволяет при наличии сигнала на входе получить на выходе сигнал той же формы, но большей мощности. Усиление происходит за счет источника питания и активного усилительного элемента (транзистора) с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний на выходе. Входной сигнал является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.

      Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания и пассивные цепи. По отношению к усиливаемым колебаниям усилитель может рассматриваться как электрический четырехполюсник, поскольку имеет две входные и две выходные клеммы. Как правило, одна входная и одна выходная клеммы соединены общей шиной, называемой «землей».

      Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:

      1) по виду используемого усилительного элемента — ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;

      2) по диапазону усиливаемых частот — усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);

      3) по ширине полосы усиливаемых частот — узкополосные, широкополосные усилители;

      4) по характеру усиливаемого сигнала — усилители непрерывных и импульсных сигналов;

      5) по усиливаемой электрической величине усилители напряжения, тока, мощности;

      6) по типу нагрузки — резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

      Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.

      Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала (напряжение, ток или мощность) к входной. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению КU, по току KI или по мощности КP.

      Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):

      , .

      Коэффициент усиления по мощности КР показывает, во сколько раз активная мощность Рвых, отдаваемая усилителем в нагрузку RН больше активной мощности Рвх подводимой к его входным зажимам:

      Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах — децибелах: КР дБ= 10 lgКР.

      В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере, однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом КU. Поэтому для коэффициента КU в дальнейшем индекс U будет опускаться.

      Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные.

      Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью амплитудно-частотной (АЧХ) характеристик.

      Под АЧХ усилителя понимается зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала. Примерный вид АЧХ усилителей показан на рис. 1. Иногда амплитудно-частотной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты сигнала при постоянном входном напряжении.

      Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) КГ. Этот коэффициент измеряется на выходе, усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением

      ,

      где -напряжение и мощность полезного сигнала на выходе усилителя,,,,-напряжения и мощности соответствующих гармоник.

      АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений. В этом случае коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала: он может быть определен как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс (см. рис. 2)

      О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (рис. 3)

      Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейны, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов.

      Динамический диапазон усилителя оценивается по и:

      В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

      Рис. 3

      Резисторными (апериодическими) усилителями напряжения называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Резисторные усилители широко применяют для усиления напряжения звуковой частоты. На рисунке 3 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе. Для установления необходимого режима работы биполярного транзистора с помощью резисторов R1 и R2 на базе создается заданное напряжение Uб0. Резистор RК обеспечивает работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току. Стабилизация работы транзистора при изменении температуры осуществляется включением резистора RЭ. Чтобы сопротивление RЭ не сказывалось на переменном токе, его шунтируют конденсатором CЭ. Разделительные конденсаторы СР препятствуют передаче постоянной составляющей напряжения.

      Контрольные вопросы.

      Что такое электронный усилитель?

      Почему в электронном усилителе происходит усиление мощности?

      Как классифицируются электронные усилители?

      Что такое коэффициент усиления?

      Какой усилитель называют апериодическим (резисторным)?

      Какие искажения в усилителях называют линейными? Чем они обусловлены?

      Какие искажения в усилителях называют нелинейными? Чем они обусловлены?

      Что называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя?

      Что такое полоса пропускания усилителя?

      Почему в апериодическом усилителе уменьшается усиление на низких частотах?

      Лекция №5. Электронные усилители

      Электронным усилителем называют устройство, обеспечивающее увеличение мощности электрических сигналов, поступающих на его вход.

      Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования энергии источника питания. Это преобразование происходит с помощью активных элементов, которые управляются входными сигналами.

      Входной сигнал подается через электрическую цепь, которая называется входной или входом усилителя.

      Электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходной цепью. Для выделения усиленного сигнала в выходную цепь включается нагрузка.

      Нагрузкой может служить резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора, откл. пластины ЭЛТ.

      Нагрузка, по которой протекает постоянная составляющая выходного тока, называется нагрузкой по постоянному току.

      Сопротивление цепи, по которой протекает переменная составляющая выходного тока, образует нагрузку по переменному току.

      Для разделения нагрузок по переменному и постоянном току применяются разделительные конденсаторы и тр-ры.

      Простейший усилитель содержит один активный элемент с присоединенным к нему пассивными элементами.

      Классификация усилителей.

      Классификация усилителей может быть проведена по нескольким признакам.

      1. Характеру усиливаемых сигналов:

      гармонических сигналов, импульсных, усилители постоянного тока;

      2. По ряду усилительных элементов:

      транзисторные, ламповые, диодные;

      3. По роду усиливаемой величины:

      4. По числу каскадов:

      одно и многокаскадные;

      5. По диапазону частот электрических сигналов, в пределах которых усилитель может удовлетворительно работать.

      6. По виду связей усилителя с источниками входного сигнала и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях:

      с гальваническими связями.

      1. Усилители низкой частоты (УНЧ):

      предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от единиц Гц до 10 кГц.

      Характерной особенностью УНЧ является отношение усиливаемых частот, составляющее от 10 до 10 тысяч.

      2. Усилители постоянного тока (УПТ):

      Усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие сигналы в диапазоне частот от до высшей рабочей частоты , составляющей нередко десятки и сотни килогерц.

      3. Избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот.

      Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно ).

      Они используются как на низких так и на высоких частотах и используются в качестве частотных избирательных фильтров.

      4.Широкополосные или импульсные усилители. Применяются для

      усиления сигналов в широкой полосе частот (от нескольких килогерц и ниже) до нескольких мегагерц и выше).

      Основные технические показатели и характеристики

      усилителей.

      Важнейшими техническими показателями усилителя являются:

      1. Коэффициенты усиления (по I,U и P);

      2. Входное и выходное сопротивления;

      3. Выходная мощность;

      4. Коэффициент полезного действия;

      5. Диапазон усиливаемых частот;

      6. Динамический диапазон амплитуд;

      7. Нелинейные, частотные и фазовые искажения.

      Коэффициенты усиления.

      Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз сигнал на выходе усилителя больше, чем на его входе.

      В многокаскадном усилители

      где — число каскадов усиления.

      В электронике получил распространенный способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (ДБ).

      Входное и выходное сопротивления.

      Входное сопротивление представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя.

      Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя ;

      Выходная мощность.

      Выходная мощность- это полезная мощность развиваемая усилителем в нагрузке.

      Усилитель

      Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

      Что такое усилитель?

      В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

      динамический микрофон

      слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

      Усилитель

      Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

      зенитный комплекс тор

      Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

      Что такое черный ящик в электронике

      очень черный ящик

      В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.

      То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

      Усилитель

      Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

      Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

      Что такое четырехполюсник

      В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

      услитель четырехполюсник

      Пассивный четырехполюсник

      Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

      Усилитель

      В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

      Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

      Активный четырехполюсник

      усилитель на транзисторе

      А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

      То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

      Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

      усилитель на транзисторе принцип работы

      Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

      В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

      В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .

      усилитель в роли черного ящика

      Обобщенная схема усилителя

      Она выглядит примерно вот так:

      обобщенная схема усилитель

      Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС EИ и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада Rвх .

      Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

      В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .

      Типы усилителей

      Усилители можно разделить на три группы:

      Усилитель напряжения

      Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

      усилитель напряжения коэффициент

      KU — это коэффициент усиления по напряжению

      Uвых — напряжение на выходе усилителя, В

      Uвх — напряжение на входе усилителя, В

      Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .

      схема усилителя

      В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е. Rвх >>Rи и Rн намного больше, чем Rвых (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

      Усилитель тока

      Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

      Усилитель

      где KI — коэффициент усиления по току

      Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

      Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

      Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

      Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

      Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

      Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

      Усилитель мощности

      Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

      Чем же УМ отличается от УН и УТ?

      Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

      Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

      Усилитель

      Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

      Усилитель

      KP — коэффициент усиления по мощности

      Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт

      Pвх — мощность на входе усилителя, Вт

      Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

      Усилитель

      Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

      Выходная мощность усилителя

      Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

      Усилитель

      Pвых — выходная мощность усилителя, Вт

      Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

      UВых — напряжение на нагрузке, В

      Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

      Усилитель

      Pвых — выходная мощность усилителя, Вт

      Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

      cos φ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения

      Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

      Усилитель

      Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

      Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

      Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

      Виды усилителей по полосе пропускания

      По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

      Усилители низкой частоты

      Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

      Усилители высокой частоты

      Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

      Широкополосные усилители

      Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

      Узкополосные усилители

      Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

      Усилители постоянного тока

      Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

      Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *