Усилитель электрических колебаний

Усилитель электрических колебаний, устройство, предназначенное для усиления электрических (электромагнитных) колебаний в системах многоканальной связи, радиоприёмной, радиопередающей, измерительной и др. аппаратуре. Такое усиление представляет собой процесс управления источником энергии (источником питания У. э. к.) в результате воздействия на него усиливаемых колебаний через усилительный элемент – чаще всего транзистор, электронную лампу, туннельный диод, параметрический диод, вариконд или индуктивности катушку с сердечником из ферромагнитного материала и др. При этом существенно, что управляемая мощность P₀ (источника питания) заметно превышает управляющую P₁ (источника усиливаемых колебаний), называется входной мощностью (рис. 1). Часть P₀, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), именуется выходной мощностью P₂ В отличие от пассивной цепи, т. е. цепи, не содержащей источника энергии, например трансформатора электрического, коэффициент усиления мощности (коэффициент передачи) У. э. к. Kp = P₂/ P₁>1. Наряду с усилением мощности У. э. к. способен усиливать напряжение и ток источника колебаний, что оценивается коэффициентом усиления напряжения K_u = U₂/U₁ и коэффициентом усиления тока K_i = I₂/I₁ (U₁, I₁ и U₂, I₂ – напряжение и ток соответственно на входе и выходе У. э. к.).

  В одних приборах (например, лабораторных генераторах электрических колебаний) У. э. к. используется для усиления гармонических колебаний, в других (например, радиоприёмниках) – для усиления сигнала сложной формы, представляющего собой сумму множества гармонических колебаний с разными частотами и амплитудами. В оощем случае У. э. к. служит для повышения уровня сигналов различного вида, которое оценивается прежде всего величиной K_p. Простейший У. э. к. выполняют на 1 усилительном элементе. При необходимости получения K_p, большего, чем такой У. э. к. может обеспечить, применяют более сложный У. э. к., содержащий несколько каскадов усиления.

  Классификация У. э. к. В зависимости от вида применяемых усилительных элементов различают транзисторные и ламповые У. э. к., диодные регенеративные усилители, параметрические усилители, диэлектрические усилители, магнитные усилители, усилители на клистронах и лампах бегущей волны, квантовые усилители (см. также Мазер).

  В транзисторных У. э. к., собранных на биполярных транзисторах или полевых транзисторах, в зависимости от того, какой из выводов усилительного элемента является общим для входа и выхода усилительного каскада, различают каскады с общим эмиттером или истоком (рис. 2, а и б), с общей базой или затвором (рис. 2, б и г) и с общим коллектором или стоком. В У. э. к. на биполярных транзисторах из-за наличия входного тока на управление транзистором приходится затрачивать определённую мощность. Этот недостаток в меньшей мере присущ каскадам с общим эмиттером (обладающим сравнительно большим входным сопротивлением – до нескольких ком), в большей – каскадам с общей базой (десятки ом). Кроме того, первые обеспечивают K_p, на порядок больший, чем вторые (несколько тыс.), что является их основным преимуществом. Каскады с общей базой, однако, более устойчивы в работе, менее критичны к изменениям температуры или смене транзистора, вносят весьма небольшие нелинейные искажения; они используются преимущественно в оконечных ступенях мощных У. э. к. Полевой транзистор по своим основным параметрам (крутизне характеристик, входному сопротивлению, напряжению отсечки и др.) – весьма близкий аналог электронной лампы, используемой в ламповых У э. к. (по способу использования электродов ей аналогичны как полевой, так и биполярный транзисторы: катоду соответствуют исток и эмиттер, сетке – затвор и база, аноду – сток и коллектор). Это позволяет применять результаты исследований ламповых каскадов с общим катодом, сеткой или анодом к соответствующим каскадам на полевых транзисторах.

  Всякий У. э. к. характеризуется полосой пропускания частот. Если нижняя граничная частота полосы сколь угодно близка к нулю, имеем постоянного тока усилитель, если же она отделена от нуля конечным интервалом, – усилитель переменного тока (таков, например, видеоусилитель). Различают селективные (избирательные) и апериодические (неизбирательные) У. э. к. К селективным относятся усилители колебаний принимаемой (высокой) и промежуточной частот радиоприёмника; первые обычно содержат каскады с колебательными контурами (или резонаторами), настроенными на одну и ту же частоту, вторые – полосовые электрические фильтры, позволяющие приблизить форму амплитудно-частотной характеристики У. э. к. к идеальной (прямоугольной). В группу апериодических У. э. к. входят усилители звуковой частоты, видеоусилители, усилители импульсных сигналов и др.

  Примеры практического использования У. э. к. Усилитель промежуточной частоты радиоприёмного устройства в одних вариантах содержит несколько каскадов с двухконтурными (рис. 3) или более сложными электрическими фильтрами, в других он может представлять собой апериодический усилитель с высокоселективными системами во входной и выходной цепях.

  В мощных радиопередающих устройствах находит применение ламповый усилитель ВЧ(высокая частота). В оконечном каскаде такого У. э. к. (рис. 4) нагрузкой служит передающая антенна, обычно связанная с усилителем посредством фидера.

  В транзисторных усилителях систем многоканальной связи ширина полосы зависит от числа телефонных каналов: при 300 каналах она лежит в пределах 60–1300 кгц, при 1920 – верхняя граница приближается к 9 Мгц, при 10800 – к 60 Мгц. Например, усилитель на 300 каналов (рис. 5) обычно содержит 3 каскада с общим эмиттером, охваченных глубокой смешанной обратной связью (последовательно-параллельной по входу и выходу), позволяющей получить достаточно высокую выходную мощность и удовлетворить весьма жёстким требованиям, предъявляемым к допустимому уровню нелинейных искажений в системах дальней телефонной связи. При помощи такой обратной связи удаётся также реализовать не зависящие от усилительных свойств каскадов входное и выходное сопротивления и притом таких значений, которые обеспечивают согласование с подключенными к У. э. к. линиями, например коаксиальными кабелями.

  Транзистор T₄, включенный по схеме с общей базой, соединён последовательно с транзистором T₃, образуя с ним т. н. каскодный усилит. каскад (с широкой полосой пропускания и повышенной линейностью).

  Операционный усилитель, применяемый для выполнения определённых математических операций – суммирования, дифференцирования, интегрирования и т.д., – представляет сооой усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления K_U (достигающим 10⁵), обычно в интегральном исполнении (см. Микроэлектроника). В комплексе с внешними элементами, образующими цепь обратной связи, операционный усилитель получил название решающего усилителя, он используется в вычислительной технике. В операционном усилителе (рис. 6) имеются неинвертирующий вход (обеспечивающий в процессе усиления совпадение полярностей поданного на него сигнала и сигнала на выходе) и инвертирующий (полярность изменяется на противоположную). Это свойство придаёт усилителю его первый каскад, выполненный по т. н. дифференциальной схеме, реагирующей на разность входных напряжений (в результате сигналы с разной полярностью складываются, а с одинаковой – вычитаются и при столь большом K_U практически не влияют на выходной сигнал). Инвертирующий вход обычно используется и для создания отрицательной или частотно-зависимой обратной связи.

  Усилитель звуковой частоты, используемый, например, при звукоусилении, обычно заканчивается двухтактным каскадом усиления.

  Такой каскад содержит 2 усилительных элемента, работающих со сдвигом фаз усиливаемых колебаний на 180°. Для возбуждения двухтактного каскада, состоящего из однотипных усилительных элементов (например, транзисторов р – п – р -типа), используют фазоинверсный предоконечный каскад (фазоинвертор) или трансформатор, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки (рис. 7); каскад, содержащий разнотипные элементы (т. н. комплементарные структуры, например транзисторы р – n – р- и n – р – n -типов), возбуждается от источника однофазного напряжения, т. е. от обычного однотактного каскада, и в этом случае отпадает необходимость применения трансформатора. По сравнению с однотактным каскадом двухтактный позволяет получать гораздо большую выходную мощность с меньшими нелинейными искажениями. Распространены бестрансформаторные У. э. к. звуковой частоты на транзисторах: одиночных комплементарных (с выходной мощностью до 1 вт) и т. н. составных (с выходной мощностью несколько десятков вт и более). Отсутствие трансформаторов допускает изготовление У. э. к. в виде полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем.

  Ламповый усилитель большой мощности используется на узлах проводного вещания и в радиопередатчиках (в качестве модуляционного устройства). Он обычно содержит 4 двухтактных каскада, охваченных сравнительно глубокой отрицательной обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений, снижения фона на выходе и получения небольшого выходного сопротивления.

  Лит.: Лурье Б. Я., Проектирование транзисторных усилителей с глубокой обратной связью, М., 1965; Калихман С. Г., Левин Я. М., Основы теории расчёта радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах, М., 1969: Радиопередающие устройства, М., 1969; Цыкин Г. С., Усилительные устройства, М., 1971; Войшвилло Г. В., Усилительные устройства, М., 1975.

  Г. В. Войшвилло.

Рис. 3. Схема каскада усилителя электрических колебаний промежуточной частоты с двухконтурной колебательной системой: T₁, Т₂ — транзисторы; R₁—R₆ — резисторы; С_б — блокировочный конденсатор; C₁, C₂, L₁, L₂ — конденсаторы и катушки индуктивности колебательных контуров; C₃ — развязывающий конденсатор; Е — источник постоянного тока в цепи питания транзисторов.

Рис. 5. Упрощённая схема линейного усилителя связи на 300 каналов: Tp₁, Tp₂ — входной и выходной трансформаторы с сердечниками из магнитодиэлектрика; T₁—T₄ — транзисторы; R₁—R₉ — резисторы; C₁, C₂ — конденсаторы; LCR — корректирующая цепь, служащая для обеспечения устойчивости усилителя; E_к — источник постоянного электрического тока.

Рис. 2. Принципиальные схемы усилителей на биполярных и полевых транзисторах: с общим эмиттером (а), общим истоком (б), общей базой (в) и общим затвором (г); Э, К, Б — эмиттер, коллектор и база биполярного транзистора; И, З, С — исток, затвор и сток полевого транзистора; е_r — источник усиливаемых колебаний; R_г, R_н — эквивалентные сопротивления входной цепи и нагрузки; Е_бэ, Е_кэ, Е_зи, Е_си — источники постоянного тока соответственно в цепях база — эмиттер, коллектор — эмиттер, затвор — исток, сток — исток. Название типа усилителя определяется тем, какая область (электрод) транзистора является общей для цепи источника усиливаемого сигнала и цепи нагрузки.

Рис. 4. Схема оконечного усилительного каскада радиопередающего устройства с фильтром нижних частот: Л — электронная лампа (тетрод); А — антенна; L₁, L₂ и C₁—C₃ — катушки индуктивности и конденсаторы, образующие фильтр нижних частот; L₃ — дроссель в цепи питания лампы; C₄ — разделительный конденсатор; E_a и Е_э — источники постоянного тока в анодной цепи и цепи экранирующей сетки.

Рис. 1. Структурная схема усилителя электрических колебаний: 1 — источник сигнала; 2 — усилитель; 3 — нагрузка; 4 — источник питания; е₁ — источник усиливаемых колебаний; R₁, R₂ — эквивалентные сопротивления источника усиливаемых колебаний и нагрузки; I₁, P₁, U₁ — соответственно ток, мощность и напряжение на входе усилителя; I₂, P₂, U₂ — ток, мощность и напряжение на выходе усилителя; P₀ — мощность источника питания.

Рис. 7. Принципиальная схема транзисторного двухтактного каскада: Tp₁, Tp₂ — входной и выходной трансформаторы; T₁, T₂ — транзисторы; R₁, R₂ — резисторы делителя напряжения, необходимые для получения требуемого напряжения смещения на базах; Рэ — резисторы в цепи эмиттеров, предназначенные для симметрирования плеч каскада и дополнительной стабилизации режима работы каскада: E_к — источник постоянного тока.

Рис. 6. Структурная схема операционного усилителя: 1 — неинвертирующий вход; 2 — инвертирующий вход; 3 — общий провод; 4 — выход.