Электронный усилитель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

История[править | править вики-текст]

  • 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода — разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящее из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
  • 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
  • 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Устройство и принцип действия[править | править вики-текст]

УНЧ с обратной связью. Типичная схема

Структура усилителя[править | править вики-текст]

  • Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
  • В большинстве усилителей, кроме прямых, присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
  • Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
  • Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
  • Как и в любом активном устройстве, в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскады усиления[править | править вики-текст]

  • Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
  • В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых особых случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
  • В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)
    • Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.
    • Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.
    • Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.
    • Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.
  • Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE)[1]
  • Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.
    • Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.
    • Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

Режимы (классы) мощных усилительных каскадов[править | править вики-текст]

Подробное рассмотрение темы: Классификация электронных усилителей
  • Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
  • В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

Классификация[править | править вики-текст]

Аналоговые усилители и цифровые усилители[править | править вики-текст]

  • В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
  • В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины, достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC), происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC), мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе[править | править вики-текст]

  • Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
  • Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)
  • Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках
  • Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот[править | править вики-текст]

  • Усилитель постоянного тока (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
  • Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
  • Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике
  • Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот[править | править вики-текст]

  • Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот
  • Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот
  • Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Виды усилителей по типу нагрузки[править | править вики-текст]

  • с резистивной;
  • с емкостной;
  • с индуктивной;
  • с резонансной.

Специальные виды усилителей[править | править вики-текст]

  • Дифференциальный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход.
  • Операционный усилитель — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.
  • Инструментальный усилитель — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала
  • Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью
  • Логарифмический усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала
  • Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала
  • Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала
  • Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)
  • Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений
  • Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал
  • Изолирующий усилитель — усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления

Некоторые функциональные виды усилителей[править | править вики-текст]

  • Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.
  • Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.
  • Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника.
  • Резонансный усилитель — усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой.
  • Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы (см. Видеосигнал), широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения.
  • Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку.
  • Усилитель воспроизведения — малошумящий усилитель электрических сигналов, поступающих с воспроизводящей магнитной головки магнитофона, видеомагнитофона, флоппи-дисковода, жёсткого диска, либо с фотодиода в системах воспроизведения оптической сигналограммы (звукочитающая система кинопроектора, оптические диски). Как и усилитель записи, содержит цепи частотной коррекции, чтобы обеспечить максимально возможную линейность АЧХ тракта записи-воспроизведения.
  • Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать. Профессиональные микрофонные усилители имеют дифференциальный вход (балансное подключение, разъёмы XLR) для снижения наводок и помех.
  • Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок (см. Фонокорректор), бывают и другие виды усилителей-корректоров.

Усилители в качестве самостоятельных устройств[править | править вики-текст]

  • Усилители звуковой частоты
    • Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.
    • Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.
    • Бытовые усилители звуковой частоты. В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности High-end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.
  • Измерительные усилители — предназначены для усиления сигналов в измерительных целях.
  • Антенные усилители — предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.

Основные нормируемые параметры[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Hickman, R. W. and Hunt, F. V., "On Electronic Voltage Stabilizers, " Review of Scientific Instruments, vol. 10, p. 6-21 (January 1939)

Литература[править | править вики-текст]

  • Симонов Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — М.: Советское радио, 1973
  • Букреев С. С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. — М.: Советское радио, 1972
  • Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983
  • Справочник по радиоэлектронным устройствам: Т. 1 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
  • Рамм Г. С. Электронные усилители.
  • Шамшин В. Г. История технических средств коммуникации, 2003.
Нормативно-техническая документация
  • ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
  • ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
  • ГОСТ 29180-91. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы СВЧ. Усилители малошумящие. Параметры и характеристики. Методы измерений.
  • ОСТ4-203.007-84. Аппаратура для озвучивания открытых и закрытых пространств. Усилители звуковой частоты. Общие технические условия.
  • ОСТ45-138-99. Усилители оконечные звуковой частоты станций проводного вещания. Основные параметры. Методы измерений.
  • IEC 60527(1975). Усилители постоянного тока. Характеристики и методы испытаний.
  • IEC 60581-6(1979). Акустическая аппаратура и системы высокой верности воспроизведения (Ні-Fi). Минимальные требования к параметрам. Часть 6. Усилители.
  • IEC 61305-3(1995). Аудиоаппаратура и аудиосистемы с высокой верностью воспроизведения бытовые. Методы измерения и установления рабочих характеристик. Часть 3: Усилители.
  • IEC 60268-3(2000). Оборудование звуковых систем. Часть 3. Усилители.

Ссылки[править | править вики-текст]