Усилитель — устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

Структурная схема включения усилителя в цепь усиления электрического сигнала, где 1 — источник входного сигнала; 2 — усилитель; 3 — источ­ник питания; 4 — нагрузка.

В качестве источника питания усилите­ля используют стабильные источники энер­гии постоянного тока. Источник входного сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение u_вх (ток i_вх) различной амплитуды, частоты и формы. Нагруз­ка усилителя — устройство, которое можно представить в виде линейного пассивно­го двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов обыч­но представляют в виде нелинейного четырехполюсника вследствие нелинейности характеристик входящих в него элементов.

Усиление входного сигнала по мощности (по напряжению, по току) происходит за счет преобразования электрической энергии источника питания в энергию выход­ного сигнала вследствие изменения сопротивления усилительных элементов (транзисторов, электронных ламп и др.) по закону, задаваемому входным сигналом.

Условное обозначение и параметры

Напряжение входа u_вх и напряжение выхода u_вых измеряют относительно общего вывода. При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изобража­ют только вход и выход опуская выводы напряжения питания U_n и об­щий вывод.

Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мощнос­ти, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к изменению мощ­ности входного сигнала, т. е.

Помимо коэффициента усиления по мощности вводят также:

· коэффициент усиления по напряжению  ;

· коэффициент усиления по току  .

Тогда коэффициент усиления по мощности Kp = Ku*Ki . В некоторых схемах уси­ления один из двух коэффициентов (Ku или Ki) может быть меньше единицы.

Классификация усилителей

Электронные усилители классифицируют по следующим признакам:

· по усиливаемой величине: усилители напряжения (УН), тока (УТ), мощности (УP);

· по назначению: измерительные; для устройств теле­ и радиовещания; общепро­мышленного ипользования; операционные, используемые в аналоговых и ана­лого­цифровых устройствах;

· по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических, импульсных и другой формы сигналов;

· по частоте усиливаемых сигналов: усилители постоянного тока (УПТ); усили­тели звуковой частоты (УНЧ, f < 30 кГц); усилители высокой частоты (УВЧ, f < 300 МГц); усилители сверхвысокой частоты (УСВЧ, f < 300 ГГц);

· по ширине частотного спектра выходного сигнала: широкополосные и узкопо­лосные (резонансные);

· по схеме включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ); с общей базой (ОБ); с общим коллектором (ОК); с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС); с общим затвором (ОЗ);

· по количеству каскадов усиления: однокаскадные; многокаскадные (каскад пред­варительного усиления, промежуточные и выходной каскады);

· по типу связи между каскадами и между оконечным каскадом и нагрузкой: рези­стивная (гальваническая), ёмкостная, трансформаторная. У многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: 

K = K₁ ⋅ K₂ ⋅...⋅ Kn .

Характеристики усилителей.

Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и частотные. Амп­литудная характеристика описывает усилитель при фиксированной нагрузке и пода­че на вход синусоидального напряжения фиксированной частоты:

u_вх =Um sin ωt, ω= const .

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного сигнала от амплитуды входного синусоидального сигнала, т. е. U_Вых= f (U_Вх).

Типичный вид амплитудной характеристики усилителя изображен ниже. Пунктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Отклонение реальной характеристики от идеальной объясняется наличием шумов и нелинейнос­тями характеристик усилительных элементов при слабых и больших входных сигналах.

Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение максималь­ного значения входного напряжения к минимальному на линейном участке ab амп­литудной характеристики

Коэффициент усиления по напряжению на этом участке

Уровень шума — это отношение напряжения шумов Uш в режиме покоя (приведен­ного к входу усилителя) к максимальному значению выходного напряжения U_вых.max, выраженное в децибелах:

Коэффициент нелинейных искажений

где U_m1 — амплитуда первой гармоники; U_m2, U_m3, . — амплитуды высших гармоник выходного напряжения.

Частотные характеристики усилителя строят при фиксированной нагрузке и вход­ном синусоидальном напряжении:

u_ВХ = Um sin ωt; Um =const ; ω= var .

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависимость коэффициента усиления, например, по напряжению Ku от частоты f входного сигнала.

Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат откла­дывают значения K_u в децибелах, а по оси абсцисс — частоту в логарифмическом мас­штабе, однако около делений записывают значения частоты без логарифма (рис. 4.34).

Полоса пропускания усилителя определяет диапазон частот Δf (или Δw), в преде­лах которой коэффициент усиления на средней частоте не снижается ниже своего уровня:

Δf = fв — fн,

где f_в и f_н — верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилителя.

Фазочастотная характеристика φ(f) — зависимость угла сдвига фаз φ между вы­ходным и входным напряжениями усилителя от частоты f. Фазовые иска­жения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг φ линейно зависит от частоты.

Входное и выходное сопротивления усилителя:

Выходная мощность при сопротивлении нагрузки Rн