17. Усилители

Усилитель напряжения (тока) — основное электронное устройство, используемое в различных электронных генераторах. В зависимости от частоты усиливаемых сигналов они бывают разных типов.

Усилители постоянного тока, сокращенно УПТ, предназначены для усиления медленно меняющихся сигналов с частотой от 0 Гц и выше. Их используют для усиления сигналов от различных датчиков, применяемых, например, в медицинской аппаратуре и во многих других случаях. В дальнейшем в практических работах мы будем собирать УПТ для усиления сигналов от фото- и термодатчиков. Нагрузкой этих усилителей будут электромагнитные

реле, лампы накаливания или электроизмерительные приборы.

Усилители низкой, или звуковой, частоты (УНЧ, УЗЧ) предназначены для усиления электрических колебаний звукового диапазона частот от 20 Гц до 20 кГц. Эти усилители используются в различной бытовой звуковоспроизводящей и радиоприемной аппаратуре. Причем чем шире диапазон усиления (при допустимых искажениях), тем выше качество усилителя. Например, усилители звуковой частоты, относящиеся к высшей, нулевой группе сложности, должны иметь диапазон частот 20 Гц-20 кГц для стационарных радиоприемных устройств (РПУ) и 40 Гц— 16 кГц для переносных РПУ.

Источником колебаний звуковой частоты может служить микрофон, звукосниматель, магнитная головка, а также входные Цё-пи радиоприемников и телевизоров. Нагрузкой УЗЧ может быть громкоговоритель, телефон, записывающая головка магнитофона, последующий усилитель, осциллограф и другие электронные устройства.

Избирательные, или селективные, усилители усиливают сигнал в определенном, сравнительно узком диапазоне частот. Наиболее часто их используют для усиления высокочастотных колебаний в радиоприемниках (сокращенно обозначаются как ВЧ - усилители высокой частоты или УРЧ - усилители радиочастот)

Широкополостные усилители, как следует из их названия, предназначены для усиления широкого спектра частот, например сигналов, исследуемых с помощью осциллографа. Существуют также усилители сверхвысоких частот (СВЧ-диапазон), и их, например, используют в телевизионных приемниках, работающих в дециметровом диапазоне электромагнитных волн.

Важнейшими характеристиками каждого типа усилителя являются его коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Основным элементом усилителя является транзистор, практически полностью вытеснивший электронные лампы.

Рассмотрим работу простейшего усилителя постоянного тока (фототока), собранного по схеме, показанной на рисунке 75. Напомним, что эта схема уже встречалась при знакомстве с работой транзистора (см. рис. 46).

Фоторезистор, включенный в цепь базы, определяет ток базы который и является управляющим сигналом для транзистора. Изменение тока базы приводит к изменению значительно большего тока коллектора в выходной цепи. В этом и состоит усиление транзистора. Оно характеризуется статическим

Рис. 75. Простейший усилитель фототока

Рис. 76. Схема фотореле с двухкаскадным усилителем

коэффициентом передачи тока базы В. Для данной схемы включения транзистора,

Статический коэффициент В у разных типов транзисторов может меняться от 10 до 100. Этот коэффициент не является постоянной величиной, он зависит от выбранного тока базы.

Если нужно увеличить коллекторный ток, то используют второй транзисторный усилитель. В двухкаскадном усилителе постоянного тока (рис. 76) транзистор VT2 включен по схеме, показанной на рисунке 75. Нагрузка — лампа накаливания — включена в цепь коллектора, ток базы определяется сопротивлением переходов транзистора VT1, он равен его току эмиттера. Транзистор VT1 включен по новой схеме, так как его нагрузкой, включенной в цепь эмиттера, является входное сопротивление транзистора VT2. Включение нагрузки в разные цепи коллектора и эмиттера существенно меняет характеристики транзисторного усилителя.

Работает усилитель фототока следующим образом. С увеличением освещенности возрастает ток базы транзистора VT1, соответственно, увеличиваются значительно большие токи коллектора и эмиттера, что приводит к возрастанию токов в цепях второго транзистора. Увеличение коллекторного тока транзистора VT2 приводит к постепенному нагреву нити лампы. Возможен также релейный, или ключевой, режим работы усилителя, когда начиная с какого-то определенного значения входного тока происходит резкое изменение выходного тока. В результате лампа или ярко загорается, или гаснет; промежуточных состояний, когда нить постепенно нагревается, нет. Подобный режим обеспечивается введением положительной обратной связи, когда часть напряжения с выхода подается на вход так, что происходит

Рис. 77. Схема проверки режима работы транзистора

Рис. 78. Схема простейшего усилителя переменного напряжения

возрастание коэффициента усиления. Положительную обратную связь мы будем использовать при изготовлении генераторов электрических колебаний (см. § 18).

(см. скан)

(см. скан)

Усилители переменных сигналов. Для усиления переменных сигналов используется простейшая схема, показанная на рисунке 78. Это та же схема включения транзистора, что и ранее рассмотренная (см. рис. 77), только во входных и выходных цепях ставятся конденсаторы. Их назначение рассмотрим в дальнейшем. Подобная схема включения транзистора является очень распространенной. Ее называют «схемой с общим эмиттером», так как эмиттер является общим для входной и выходной цепи усилителя. Это наглядно показано на рисунке 79, где усилитель условно изображен в виде прямоугольника, имеющего два входных и два выходных зажима.

В усилителе с нагрузочным сопротивлением устанавливается определенный постоянный ток коллектора с помощью базового резистора . Тем самым, как говорят, выбирается определенный режим работы по постоянному току. Заметим, что радиоэлементы, подбираемые при наладке электронного устройства, обозначаются на схемах звездочкой (см., например, рис. 77). При подаче на вход переменного напряжения будут меняться ток базы и ток коллектора относительно первоначально выбранных значений тока. Если, например, входное напряжение уменьшает разность потенциалов между эмиттером и базой, то ток базы уменьшится и транзистор будет закрываться. Это приведет к уменьшению тока коллектора. При противоположной полярности входного напряжения ток коллектора будет увеличиваться. Соответственно изменяется и выходное напряжение между эмиттером и коллектором относительно первоначально заданного значения. Можно, например, выбрать такой режим работы транзистора, когда начальное значение напряжения на коллекторе равно половине напряжения источника питания. В этом случае можно получить наибольшее усиление без искажения (рис. 80, а). При другом режиме транзистора и прежнем входном сигнале возникнут искажения за счет ограничения

Рис. 79. Условное изображение усилителя в виде «ящика» с двумя входами и двумя выходами

Рис. 80. Графики усиленного напряжения при различных режимах работы транзистора: а — без искажения; б - ограничение сверху; в — снизу

синусоиды сверху или снизу, как показано на рисунке 80, б, в. Очевидно, что с уменьшением амплитуды входного сигнала искажения исчезают.

Объясним теперь назначение конденсаторов во входной и выходной цепях. Допустим, нужно усилить напряжение от электромагнитного микрофона, состоящего, как и телефон, из катушки индуктивности и мембраны. Если катушку микрофона подключить непосредственно к базе транзистора, то ток базы сразу же изменится. Он теперь будет определяться не только резистором но и сопротивлением катушки. Это приведет к изменению режима работы транзистора, в результате чего могут возникнуть искажения усиливаемого сигнала. Подключение микрофона через конденсатор, который называют разделительным, позволяет передать только переменное напряжение и разорвать нежелательную цепь постоянного тока. Аналогичное назначение имеет и конденсатор в выходной цепи.

Если в качестве нагрузки включить телефон, то усилитель, показанный на рисунке 81, можно использовать для проводной связи.

Рис. 81. Схема усилителя телефона

Рис. 82. Условное обозначение интегрального усилителя

Современные сложные электронные устройства содержат множество различных типов усилителей. Их изготовление и соединение в цепь представляют большие трудности. В настоящее время широко применяют универсальные усилители, которые можно использовать вфазличных устройствах для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Эти усилители изготовляют особым способом, используя так называемую интегральную технологию. Все составные части многокаскадного усилителя — транзисторы, диоды и резисторы (конденсаторы используются редко) — выполняются в одном кристалле полупроводника с помощью -переходов. Большинство технологических операций по изготовлению и соединению элементов в цепь выполняется автоматически. Подобные устройства называются полупроводниковыми интегральными микросхемами. Эти микросхемы отличаются исключительно малыми габаритными размерами, большой экономичностью (малым потреблением энергии) и большой надежностью. Условное обозначение интегрального усилителя показано на рисунке 82. С особым типом интегральных микросхем, применяемых для преобразования электрических сигналов (цифровые микросхемы), мы познакомимся в дальнейшем.

Универсальным усилителем широкого применения является операционный усилитель. Это не совсем обычное название усилитель получил потому, что он был первоначально разработан для выполнения различных математических операций: сложения, вычитания, умножения и др. В настоящее время операционные усилители изготавливают только в интегральном исполнении и широко используют для усиления и генерирования электрических сигналов. Например, они применяются в бытовых радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах, в школьных осциллографах, а также в различных радиолюбительских конструкциях. Интегральные микросхемы имеют стандартные корпуса. Внешний вид наиболее распространенных из них дан на рисунке 48.

Операционный усилитель имеет два входа. В типовой схеме включения на один вход подается входное напряжение, а на другой (отмеченный на схеме кружком) — часть выходного напряжения с делителя (рис. 83). Общим зажимом для каждого из входов является средняя точка источника питания. В операционном усилителе в отсутствие входного

Рис. 83. Схема включения операционного усилителя

сигнала напряжение на выходе практически равно нулю. Достигается это применением симметричного питания от двух источников, включенных последовательно. Коэффициент усиления по напряжению операционных усилителей может быть очень большим, например у микросхемы он равен . В некоторых случаях бывает необходимо его уменьшить, для этого увеличивается напряжение, подаваемое с делителя напряжения. В свою очередь это вызывает увеличение отрицательной обратной связи и соответственное уменьшение выходного напряжения.

Маркировка операционных усилителей осуществляется в соответствии с общими правилами маркировки для интегральных микросхем. Например, широко распространенные микросхемы 140 серии имеют следующий буквенно-цифровой код: Иногда последним элементом маркировки является буква, она используется, если игмеются различия в некоторых электрических характеристиках. Например, микросхемы хотя и относятся к одной серии, отличаются друг от друга напряжением питания и имеют разный коэффициент усиления. Характеристики интегральных микросхем, как и любых полупроводниковых приборов, очень зависят от температуры.

(см. скан)

(см. скан)