Расчет усилителя

Основные определения

Усилительным устройством (усилителем) называется устройство, в нагрузку которого поступает усиленный по мощности входной сигнал. Эффект усиления сигнала по мощности наблюдается только в том случае, когда имеется источник энергии, за счет которого можно увеличить мощность сигнала на выходе.

В зависимости от вида энергии, отбираемой от источника питания, усилители делятся на электрические, пневманические, механические и т.д. Электронные усилители представляют собой разновидность электрических, управление электрической энергией источника питания в которых происходит с помощью усилительных элементов (УЭ), например, биполярных и полевых транзисторов, электронных ламп, транзисторных оптопар и т.п. В результате мощность P0, потребляемая усилителем от источника питания, преобразуется УЭ в мощность P2, выделяемую в нагрузке. Преобразование мощности P0 (в большинстве случаев постоянного тока) в мощность нагрузки P2 переменного тока происходит с помощью входной мощности P1, получаемой усилителем от источника питания[1].

При усилении, как и при любом преобразовании сигнала, имеет место его искажение. В усилителях любые искажения усиливаемого сигнала не должны превышать допустимых. Таким образом, основным свойством электронного усилителя является его способность увеличивать мощность входного сигнала (P1<P2). Если же мощность входного сигнала превышает мощность выходного, хотя выходное напряжение и больше входного, например повышающий трансформатор, такое устройство не может считаться усилителем[3].

В пассивных и активных элементах усилителя происходят потери энергии, в результате всегда выполняется неравенство P2<P0 и мощность потерь

Pп=P0 - P2.

Среди множества современных электронных устройств усилители электрических сигналов получили самое широкое распространение. Они применяются в устройствах радиосвязи, радиовещания, телевидения, измерительной техники, автоматики, вычислительной техники, устройствах бытовой техники и т.п. В связи с таким огромным диапазоном применения электронных усилителей источники усиливаемых сигналов и нагрузки могут быть самыми разнообразными. В качестве источников сигнала используются микрофоны, термопары, фотоэлементы и другие устройства, а также усилители, уровни выходных сигналов которых недостаточны для нормального функционирования нагрузки. Нагрузками усилителей могут служить динамики, электронно-лучевые трубки, каналы связи, а также другие усилители.

Поскольку перечисленные нагрузки сильно отличаются друг от друга по параметрам, то один и тот же усилитель при различных нагрузках может быть зависимым источником ЭДС или зависимым источником тока. Отметим, что наряду с зависимыми источниками ЭДС и тока имеются и независимые источники питания. При анализе необходимо учитывать соотношение между сопротивлением нагрузки и выходным сопротивлением усилителя. Если сопротивление нагрузки на два порядка и более превышает выходное сопротивление усилителя, то последний является источником напряжения. В противном случае имеем источник тока.

Когда входное сопротивление усилителя значительно превышает (не менее чем на два порядка) сопротивление источника сигнала, считается, что усилитель управляется напряжением. Если входное сопротивление усилителя значительно меньше, чем источника сигнала, то усилитель управляется током.

Неотъемлемой частью любого усилителя является источник питания, который в большинстве случаев представляет собой источник постоянного тока (выпрямитель, химический источник тока и т.п.). Следует отметить, что в электронных усилителях может быть не один, а два и более источников питания.

В качестве УЭ в усилителях используются биполярные и униполярные (полевые) транзисторы, аналоговые интегральные микросхемы, электронные лампы, тиристоры, транзисторные оптопары и другие приборы, т.е. Для усиления электрических сигналов в них в основном применяются явления электрической проводимости в полупроводниках, в вакууме и т.д.[2].

Классификация электронных усилителей

Классификация электронных усилителей только по назначению (измерительные, радиолокационные, следящих систем и т.д.) не раскрывает всех их особенностей, так как усилители различного назначения могут обладать одинаковыми свойствами. Поэтому, усилители электрических сигналов классифицируются по ряду различных признаков:

характеру усиливаемых сигналов;

диапазону частот;

назначению;

электрическим характеристикам усиливаемого сигнала;

типу усилительных (активных) элементов.

По характеру усиливаемых сигналов усилители разделяют на две группы: усилители гармонических и усилители импульсных сигналов. К усилителям гармонических сигналов относятся микрофонные, магнитофонные, радиовещательные, медицинского назначения и др. К импульсным усилителям относятся усилители телеграфных, радиолокационных сигналов, видео усилители, усилители цифровых кодов и т.д.

По диапазону частот усилители подразделяются:

усилители постоянного тока, усиливающие медленно изменяющиеся сигналы, при чём усиление может происходить как постоянных, так и переменных составляющих сигналов;

усилители переменного тока, усиливающие только переменные составляющие сигналов, к ним относятся:

усилители инфразвуковых частот (ИНЧ) c fн<20 Гц;

усилители низкой частоты (НЧ) c D f Î [20 Гц - 20 кГц];

усилители высоких частот (ВЧ) c D f Î [100 кГц - 100 МГц];

широкополосные усилители c D f Î [1 кГц - 1 МГц];

избирательные усилители;

универсальные многофункциональные усилители и др.

По назначению усилители разделяют на телевизионные, магнитофонные, измерительные, усилители медико-биологических сигналов и др.

По электрическим характеристикам усиливаемого сигнала различают усилители напряжения, тока и мощности. В целом это разделение условно, так как в любом случае усилитель усиливает мощность.

По типу усилительных (активных) элементов усилители делятся на ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические и др [3].

Основные характеристики усилителя

К характеристикам преобразования усилителей относятся:

амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала;

фазо-частотная характеристика (ФЧХ) - зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями от частоты;

амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) - построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты;

амплитудная характеристика - зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения;

переходная характеристика - зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (d - функция) [3].

Основные параметры усилителей

При усилении сигнала всегда происходит некоторое искажение его формы и потребляется энергия от источника питания. Поэтому данные, характеристические свойства усилителя, должны включать количественную оценку самого эффекта усиления, меру искажений усиливаемого сигнала, а также его энергетические показатели. Все эти сведения и являются основными параметрами усилителя. К ним относятся:

коэффициент преобразования (коэффициент передачи или чувствительность) - отношение выходного сигнала к входному. В случае, когда входной и выходной сигналы имеют одинаковую размерность, можно использовать термин коэффициент усиления, соответствующего электрического параметра.

номинальная выходная мощность - мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений;

полоса пропускания - частотный диапазон (значения нижней и верхней частоты, соответственно fн и fв), в котором усилитель должен удовлетворять требованиям к своим характеристикам;

коэффициент полезного действия (КПД) - отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания;

входное и выходное сопротивления.

искажения сигнала - его изменение, вызванное несовпадением реальных и идеальных характеристик усилителя. Линейные искажения (частотные, и фазовые, переходные) обусловлены влиянием таких реактивных элементов, как конденсаторы и катушки индуктивности, применяющиеся в качестве элементов связи, а также некоторых реактивных паразитных элементов в УЭ. Нелинейные искажения сигнала оцениваются по коэффициенту гармоник[3].

Другие стьтьи в тему

Регулятор мощности
На современном этапе научно-технического прогресса огромную роль играет развитие электроники. Электронная промышленность определяет научно-технический и экономический потенциал Республики Беларусь. В данную отрасль промышленности входит множество объединений, заводов, конструкторских ...

Разработка автоматизированной системы управления газоперекачивающим агрегатом Сургутского месторождения
Развитие газовой и ряда смежных отраслей промышленности сегодня в значительной степени зависит от дальнейшего совершенствования эксплуатации и обслуживания систем трубопроводного транспорта природных газов из отдаленных и порой слабо освоенных регионов в промышленные и центральные рай ...

Разделы

Радиоэлектроника и телекоммуникации © 2018 : www.techelements.ru