Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входных электрических сигналов при сохранении всех остальных параметров (формы, частоты, фазы и др.).

Усиление сигнала осуществляется за счет энергии источника постоянного тока (источника питания).

Процесс усиления сигналов осуществляется с помощью усилительных элементов: транзисторов, электронных ламп, тиристоров и других элементов, обладающих управляющими свойствами.

Обобщенная схема усилительного каскада приведена на рис.4.3. К входу усилителя (зажимы 1 - 2) подключен источник входного сигнала с действующим значением ЭДС Еи и внутренним сопротивлением Rи. Маломощный входной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительно большего уровня мощности. Таким образом, благодаря использованию управляющего элемента (например, транзистора) и более мощного источника питания осуществляется усиление мощности входного сигнала.

Рис.4.3 Обобщенная схема усилителя

В выходной цепи усилителя действует усиленный сигнал, что отражено на схеме наличием источника напряжения КUвх с выходным сопротивлением Rвых. Внешняя нагрузка Rн, потребляющая энергию усиленного сигнала, подключена к выходу усилителя (зажимы 3 - 4). Входное и выходное сопротивления усилителя в общем случае являются комплексными. Однако для большинства рассматриваемых далее усилителей их можно считать активными.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

В зависимости от характера изменения во времени входного сигнала различают усилители постоянного и переменного токов. Для усилителей постоянного тока

характерно наличие усиления даже при частоте ω = 0. В свою очередь, усилители переменного тока подразделяют на усилители низких, высоких и сверхвысоких частот. Особую группу составляют импульсные усилители (видеоусилители).

Усилитель, содержащий несколько ступеней усиления, называют многокаскадным.

Свойства усилителя оценивают параметрами, основными из которых являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления и коэффициент полезного действия, а также частотной и фазовой характеристиками.

Коэффициент усиления. Этот важнейший параметр представляет собой отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе и численно показывает увеличение выходного сигнала по сравнению с входным.

В соответствии с назначением усилителя различают коэффициенты усиления напряжения Кu, тока Кi и мощности Кр. В общем случае коэффициент усиления зависит от частоты усиливаемых сигналов ω и является величиной комплексной.

Например, коэффициент усиления напряжения может быть записан в виде:

Ќu = Úвых/Úвх = Ku(ω) е jφ(ω) ,

где Ku(ω) – модуль коэффициента усиления, определяемый как отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжения на частоте ω;

φ(ω) – аргумент коэффициента усиления, определяет сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного на частоте ω.

В технической документации на усилители, как правило, указываются коэффициенты усиления действующих значений напряжения, тока и мощности в определенном диапазоне частот:

Кu = Uвых/Uвх, Ki = Iвых/Iвх , Kр = Pвых/ Pвх = Кi ·Кu.

Более удобной является логарифмическая шкала К, единицей которой является децибел (дб) - десять десятичных логарифмов отношения мощностей на выходе и входе усилителя:

Кр(дб) = 10 lg(Pвых /Рвx).

С учетом того, что мощность Р пропорциональна U и I, для коэффициентов усиления по напряжению и току получим соответственно:

Кu(дб) = 20 lg(Uвых/Uвх) = 20 IgKu, Кi(дб) = 20 lg (Iвых/Iвх) = 20 Ig Кi.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя (в дб):

К = K1 + K2 + ... + Кn.

Входное и выходное сопротивления. Мощность, получаемая от источника входного сигнала с действующим значением ЭДС Еи (рис.4.3), выделяется только на входном сопротивлении усилителя, т. е.

Рвх = UвхIвх = I2вхRвх,

где (Uвх и Iвх - действующие значения напряжения и тока на входе усилителя.

Отсюда очевидно, что входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для переменного входного сигнала.

Выходное сопротивление усилителя Rвых определяют между выходными зажимами усилителя:

Rвых = Uвых хх / I вых кз,

где Uвых хх – напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода

(сопротивление нагрузки отключено);

Iвых кз – выходной ток усилителя в режиме короткого замыкания

(сопротивление нагрузки равно нулю).

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (ω = 2πf) представляет собой амплитудно-частотную характеристику усилителя, графическое изображение которой для наиболее распространенного класса усилителей переменного напряжения с емкостной связью показано на рис. 4.4,а. Поскольку модуль коэффициента усиления на разных частотах имеет разные значения, гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются не одинаково и, следовательно, форма выходного сигнала будет отлична от формы входного сигнала. Такие искажения усиливаемого сигнала называют частотными (линейными) искажениями. Причиной частотных искажений являются реактивные элементы усилителя (индуктивности и емкости), сопротивления которых зависят от частоты, а также

зависимость от частоты физических параметров полупроводниковых приборов, как активных элементов усилителя.

Рис.4.4 Амплитудно-частотная (а) и фазо-частотная (б) характеристики усилителя

Фазо-частотная характеристика отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями, т. е. аргумента коэффициента усиления Кот частоты (рис. 4.4,б). Положительные значения угла φ соответствуют опережению выходным напряжением входного, а отрицательные - отставанию. Здесь следует оговориться, что под фазовым углом сдвига φ понимают угол сдвига, который обусловлен реактивными элементами (емкостями, индуктивностями) схемы усилителя, а вносимый активными элементами (транзисторами) поворот фазы на 180° не принимают во внимание.

Фазовые искажения, оцениваемые обычно, как и частотные на нижней fн.гр и верхней fв.гр граничных частотах полосы пропускания, определяют не абсолютным значением угла φ, а разностью ординат Ф фазовой характеристики и касательных к ней (штрих-пунктирные линии на рис. 4.4,б).

Из сравнения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик видно, что наличие фазовых искажений вызывает частотные искажения. Так как оба вида искажений, вносимых усилителем, обусловлены линейными элементами схемы, то их еще называют линейными искажениями.