Принцип усиления. Классификация усилителей.

Усилителем называют устройство, которое служит для преобразования информационных сигналов, и для которого выполнено условие: мощность сигнала, несущего информацию, на выходе устройства больше чем на входе. Усиление - можно определить как непрерывный процесс управления большим количеством энергии с помощью малых затрат энергии.

Форма как управляющей, так управляемой энергии может быть разной:

электрической, механической, световой.

Мы в этом курсе будем рассматривать усиление и усилители электрических сигналов.

Управляющий источник энергии - источник сигнала; цепь, по которой поступает энергия - входная цепь, вход усилителя.

Потребитель усиленных сигналов - нагрузка усилителя, выходная цепь, выход.

Как уже было сказано, мощность усиливаемых сигналов, отдаваемая в нагрузку должна быть больше мощности, подводимой к входу, отсюда следует: усилитель не может работать без источника дополнительной энергии.

Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемых сигналов, называют источником питания усилителя или основным источником питания. Кроме основного существует еще вспомогательные источники питания, энергия которых не преобразуется в усиливаемые сигналы, а служит для приведения усилительных элементов в рабочее состояние (пример источники напряжения смещения для транзисторов и т. д.)

Усилители находят широкое применение в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, телевидении, проводной связи, аппаратуре записи и воспроизведения звука и видео, измерительной аппаратуре, ЭВМ, следящих и управляющих устройствах, аппаратуре геофизической разведки, точного времени, медицине.

Классификация усилителей:

Усилители можно классифицировать: по характеру усиливаемых сигналов, по полосе усиливаемых частот, по назначению усилителя, по роду используемых усилительных элементов.

· По характеру усиливаемых сигналов:

a) Усилители гармонических сигналов. Для усиления непрерывных и квазипериодических электрических сигналов, гармоническая составляющая которых меняется много медленнее нестационарных (переходных) процессов в усилителе.

Примеры: звукозаписывающая аппаратура, многие усилители измерительной аппаратуры.

б) Усилители импульсных сигналов (или импульсные усилители). Предназначены для усиления электрических импульсов различной формы и величины.

Нестационарные процессы в таких усилителях должны быть настолько короткими по времени, чтобы форма усиливаемых сигналов этими процессами почти не менялась. Усилители импульсных радиолокационных и навигационных систем, усилители цифровых сигналов телевизионные видео усилители и т. д.

· По ширине полосы частот и абсолютным значениям усиливаемых усилителем частот:

а) Усилители постоянного тока. Хотя правильнее было бы называть их усилителем медленно меняющихся токов и напряжений полоса от до высшей рабочей частоты , т.е. усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала.

б) Усилители переменного тока. Усиливающие лишь переменную составляющую сигнала в полосе частот от низшей рабочей частоты до верхней частоты .

в) Усилители высокой частоты.Для усиления колебаний модулированной высокой частоты, например, радиосигналов. Иногда подразделяют:

10МГц 1ГГц - ВЧ

свыше 1 ГГц - СВЧ

г) Усилители промежуточной частоты. Например, усилители модулированных колебаний, применяемые в радиоприемных устройствах супергетерофазного типа. Усилители высоких и промежуточных частот обычно характеризуются малой величиной отношения .

д) Усилители низких частот. По смыслу близки к усилителям постоянного тока (к ним относятся усилители звуковых частот). Усилители преобразованной частоты не всегда можно отнести к усилителям НЧ. Так для усиления сигнала TV изображения 3 10МГц

усилитель называют особо видео усилитель.

· По отношению к полосе усиливаемых частот усилители бывают:

а) Широкополосными и выше.

б) Избирательные и селективные усиливающие сигналы в узкой полосе частот, за ее пределами усиления резко падает.

в) Резонансные с резонансной характеристикой.

Кроме того, если усилители прямого усиления

усилители с преобразованием частоты

Усилители различаются также по назначению, конструкции и.т.п. Пере-

числить все возможные конфигурации крайне сложно. Еще электронные

усилители можно разделить на ламповые ВЧ и СВЧ (особенно большой мощности) и полупроводниковые транзисторные разных типов, диодные (например, параметрические и.т.п.).

Поскольку обычно усилитель имеет отдельные вход и выход сигнала, то его можно определить как активный четырехполюсник. В тоже время простейшие активные элементы, как правило, транзисторы и лампы имеют по 3 сигнальных вывода. Необходимо провести некоторые сведения из теорий 3 - полюсников.

§2.Неопределенная матрица проводимостей и поворот трехполюсников.

Y известна. Y=?

Пусть U тогда, матрица неопределенных проводимостей

(Y )=

4 - известных параметра, ( - 5 неизвестных.

Необходимо найти по крайне мере 5 уравнений связывающих параметры проводимостей:

1) Т.к. при , то сумма элементов столбцов матрицы равна нулю.

3 уравнения

2) Изменим потенциал точки отсчета U на , тогда все напряжения изменятся на U , а токи не изменятся, т.к. разности U останутся теми же.

Т.о. сумма коэффициентов в каждом уравнении должна быть равной 0:

сумма элементов строк ( )=0.

Еще 3 уравнения итого 6 уравнений , 1-следствие 5 других, т.о. 5 уравнении - 5 неизвестных все ( ) определены.

Матрица неопределенных проводимостей описывает любое подключение 3

полюсника:

1)Если U =0 вернемся к 2 -м первым уравнениям

2)Если U =0 , то для и есть 2 уравнения, а уравнение для можно не

рассматривать т.к.

Первым должно стать уравнение для выходного тока, а в нем первым – входное направление.

3)Если =0 вход 3 выход 1 ,надо зачеркнуть вторую строку и второй столбец

но это еще не то, что надо: т.к. первая строка соответствует выходу надо поменять строки, а кроме того, переставить столбцы

Применение матрицы в усилителях.

Пусть нам известна матрица Y параметров для схемы включения с О.Э.

→ О.Б. О.К.

Аналогично для полевых транзисторов и ламп.

§3 Общие соотношения для усилителей.

Основными параметрами усилителей являются коэффициенты усиления по напряжению , по току , по мощности , входные и выходные проводимости и .

Рассмотрим усилитель как трёхполюсник:

отдельно постоянный ток, отдельно переменный

;;

это получается если поменять местами вход и выход и закоротить

, подставляя Y_вх

если

т.е. имеет место усиление.

§4 Нелинейные цепи в режиме постоянного тока.

Определим состояние равновесия (точки покоя) в активных нелинейных цепях, то есть решим первую часть задачи:

· Определим поведение активных элементов на постоянном токе.

Диод i=f(U),

ВАХ в линейном i=U/R

Надо определить рабочую точку, падение напряжения и ток. Возможны и другие варианты:

q=f(u) варикап q=CU

(Трансформатор\катушка) с ферромагнитным сердечником

Вебер АХ

Нелинейные трёхполюсники - вакуумные лампы, транзисторы, ОУ

Расчёт: 1) по постоянному току

2) по переменному току

Примеры:

1) Схемы с нелинейным элементом (диод).

Составим уравнения:

; ; ;

Пути решения уравнений:

а) Аналитический (используя аппроксимации характеристик нелинейных элементов).

; ; ; ; , это трудно и такая точность на практике не нужна.

б) Графически-Аналитический.

если

строим обе характеристики и находим точку пересечения

если K=0

если Е<0

в) Графический способ.

этот способ обычно применяют при соединении двух нелинейных элементов

2) Рассмотрим следующую схему с двумя нелинейными элементами.

найдём и сведём задачу к предыдущей.

если