Основы электронной техники (стр. 7 )

Рис. 5.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Выходное напряжение (или коэффициент усиления) удобно отклады­вать по оси ординат в децибелах, принимая максимальный уровень за 0 дБ. Тогда точки по уровню 3 дБ будут находиться на уровне – 3 дБ.

АЧХ усилителя звуковой частоты (УЗЧ)

Чтобы обеспечить усиление сигналов всех звуковых частот, УЗЧ должен иметь полосу пропускания, перекрывающую диапазон звуковых частот, т. е. от 20 Гц до 20 кГц. Внутри этого диапазона частот коэффициент усиления УЗЧ должен сохранять постоянное значение. Ниже 20 Гц и вы­ше 20 кГц допустим спад усиления. Типичная АЧХ усилителя звуковой частоты показана на рис. 5.2.

Поскольку музыка и речь представляют собой сложную смесь гар­монических сигналов с различными частотами звукового диапазона, то качество усилителя зависит от того, какую полосу этих частот и их гар­моник данный усилитель может воспроизвести без искажений. Узкая полоса пропускания будет обязательно приводить к ограничению числа усиливаемых и воспроизводимых на выходе усилителя гармоник. Этим объясняется низкое качество звука у дешевых усилителей.

Существуют два основных типа искажений: амплитудные и частот­ные.

Амплитудные искажения

Для каждого усилителя существует некоторый максимальный уровень выходного сигнала, который не может быть превышен. Попытка превы­шения этого уровня приводит к амплитудным искажениям. Амплитуд­ные искажения проявляются в сглаживании или обрезании только одного (положительного или отрицательного) или обоих пиков сигнала.

Рис. 5.3. Амплитудные искажения.

На рис. 5.3 представлены три варианта проявления амплитудных ис­кажений синусоидального сигнала на выходе перегруженного усилителя.

Частотные искажения

Усилители должны воспроизводить на своем выходе входной сигнал без каких-либо изменений его формы, не считая увеличения амплитуды. Обычно входной сигнал имеет сложную форму и состоит из большого числа синусоидальных сигналов различных частот и их гармоник. Для верного воспроизведения все эти составляющие должны усиливаться в одинаковой степени, то есть коэффициент усиления должен быть одина­ковым для всех частот. Другими словами, АЧХ усилителя должна быть достаточно плоской во всей полосе пропускания, в противном случае вы­ходной сигнал будет подвержен частотным искажениям.

Например, усилитель с АЧХ, показанной на рис. 5.4, будет в гораздо большей степени усиливать высокие частоты по сравнению с низкими. В результате в выходном сигнале будут чрезмерно представлены высокочастотные составляющие.

Рис. 5.4.

Можно сказать, что сигнал на выходе данного усилителя воспроизводится с частотными искажениями.

Усилители напряжения

Это наиболее распространенный тип усилителей. Эти усилители имею большой коэффициент усиления по напряжению для обеспечения мак­симальной величины выходного напряжения. Они используются в тех случаях, когда требуется большой размах напряжения, например в предвыходных каскадах усилителей мощности.

Усилители мощности

Эти усилители обладают большими коэффициентами усиления по мощности и по току, обеспечивая тем самым максимальную мощность выходного сигнала. Усилитель мощности используется в электронной систем в качестве выходного каскада для передачи мощности в нагрузку. Для стандартных электронных систем требуются следующие типичные значения выходной мощности:

усилитель небольшого радиоприемника 200 мВ

усилитель категории Hi-Fi 10 Вт

система озвучения и звукоусиления 100 Вт и более.

Двухтактный усилитель

Для того чтобы получить от усилителя большую выходную мощность без амплитудных искажений сигнала, используется двухтактный усилитель (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Двухтактный усилитель.

В двухтактном усилителе входной сигнал сначала подается на расщепитель фазы, который расщепляет этот сигнал на две половины:

составляющие: положительную и отрицательную. Затем каждая из этих составляющих усиливается отдельным усилителем: положительная ее составляющая — усилителем A1, отрицательная — усилителем A2. После усиления составляющие складываются друг с другом в смесителе ил выходном каскаде и образуют полный сигнал, который подается к громкоговорителю.

Рис. 5.6. Нелинейные искажения.

Выходной сигнал двухтактного усилителя подвержен нелинейным ис­кажениям, или искажениям типа «ступенька» (рис. 5.6). Эти искажения легко устраняются путем выбора надлежащего режима работы схемы усилителя.

Широкополосный усилитель

Широкополосный усилитель имеет очень широкую полосу пропускания, начинающуюся практически с нулевой частоты (постоянный ток) и про­должающуюся вплоть до частот порядка нескольких мегагерц. Столь широкая полоса пропускания достигается за счет уменьшения коэффи­циента усиления. По сравнению с УЗЧ широкополосный усилитель имеет намного более широкую полосу пропускания, но меньший коэффициент усиления.

Широкополосный усилитель используется в телевизионных приемни­ках и для усиления импульсных сигналов, когда приходится иметь дело с широкой полосой частот — до 5 МГц и более (рис. 5.7). Такие уси­лители называются также видеоусилителями. Другие возможные при­менения широкополосных усилителей — радарная техника и усилители вертикальной развертки в осциллографах.

Широкополосные усилители используются также для усиления сиг­налов сложной формы с большим числом гармоник. Чем большее число гармоник представлено в сигнале, тем шире должна быть полоса пропус­кания усилителя, в противном случае возникают искажения.

Рис. 5.7. АЧХ широкополосного видеоусилителя.

Для перио­дического сигнала в виде меандра с бесконечным числом гармоник теоре­тически требуется бесконечная полоса пропускания. Однако на практике высшими гармониками выше девятого или одиннадцатого порядка — можно пренебречь без существенного изменения формы сигнала, посколь­ку эти гармоники очень малы по амплитуде.

Усилители радиочастоты (УРЧ)

УРЧ используются в радиопередатчиках и радиоприемниках. Это изби­рательные усилители, настраиваемые на одну конкретную частоту; они характеризуются очень узкой полосой пропускания и очень высоким ко­эффициентом усиления.

Типичная АЧХ усилителя радиочастоты, показанная на рис. 5.8, име­ет узкую полосу пропускания между точками по уровню 3 дБ. Здесь f0 — частота настройки усилителя. При настройке па другую частоту f0 АЧХ сдвигается по оси частот вправо (штриховая линия).

Рис. 5.8. АЧХ усилителя радиочастоты.

Обратная связь

Обратная связь есть процесс подачи части или всего выходного сигнала обратно на вход усилителя (рис. 5.9). Существуют два типа обратной связи – положительная и отрицательная.

Положительная обратная связь (ПОС)

Обратную связь называют положительной, когда выходной сигнал пода­ется обратно на вход усилителя с той же полярностью, что и полярность исходного входного сигнала. Введение ПОС приводит к увеличению ко­эффициента усиления исходного (не охваченного обратной связью) уси­лителя и сужению его полосы пропускания. Устойчивость усилителя при этом ухудшается, что может быть причиной возникновения колебатель­ных процессов.

Рис. 5.9. Обратная связь.

Рис. 5.10. Влияние обратной связи на АЧХ усилителя.

Отрицательная обратная связь (ООС)

Обратную связь называют отрицательной, когда выходной сигнал пода­ется обратно на вход усилителя с полярностью, противоположной поляр­ности исходного входного сигнала. В отличие от ПОС этот тип обрат­ной связи приводит к уменьшению коэффициента усиления, повышению устойчивости усилителя и расширению полосы пропускания. При вве­дении отрицательной обратной связи АЧХ усилителя становится более равномерной и плоской, как показано на рис. 5.10.

Генераторы

Генераторы — это усилители со столь сильной ПОС, что сигнал на их вы­ходе вырабатывается даже в отсутствие какого-либо «внешнего» входного сигнала (рис. 5.11). Уровень выходного сигнала определяется свойствами используемого усилителя, а также параметрами цепи обратной связи.

Рис. 5.11. Генератор.

Как объясняется в гл. 32, в генераторах синусоидальных колебаний используются резонансные (частотно-избирательные) цепи для выбора частоты колебаний. Частоту колебаний можно изменять путем изменения номиналов компонентов частотно-избирательной цепи.

В генераторах прямоугольных колебаний резонансные цепи отсутствуют. Вместо этого используются RC-цепи обратной связи, например, как в мультивибраторе. Форма прямоугольных колебаний, т. е. коэффици­ент заполнения и частота, определяется номиналами используемых R- и С-компонентов.

Одно из наиболее важных требований, предъявляемых к генератору, — постоянство частоты вырабатываемых им колебаний при его рабе те. Частота колебаний может изменяться по двум причинам. Во-первых, изменения температуры могут вызывать уход (дрейф) номиналов используемых компонентов, и эти изменения приводят к уходу (дрейфу) частоты. Уход частоты можно исключить, используя специальные схемы, компенсирующие эти изменения и обеспечивающие постоянство частоты при всех температурах, или помещая все цепи, определяющие частот-колебаний, в термостат.

Во-вторых, частота колебаний генератора может изменяться при использовании неправильных нагрузочных условий. Это так называемое затягивание частоты. Чтобы избежать этого, используется буферный каскад, изолирующий генератор от нагрузки. Нагрузкой может быт громкоговоритель или усилительный каскад (как показано на рис. 5.12). Буферный каскад обеспечивает надлежащие нагрузочные условия для генератора при любой конечной нагрузке.