Введение

Электронные усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой частоты fн до какой-то частоты fв. Они используются в разнообразнейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.

Особенности УНЧ, требования к их показателям во многом определяются характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в подавляющем большинстве случаев носит комплексный характер, являясь электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения УНЧ определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями.

Круг требований к УНЧ с довольно широкой полосой рабочих частот связан, в основном, с интервалом рабочих частот, в пределах которого полезный сигнал должен усиливаться с допустимыми частотными и нелинейными искажениями. УНЧ с узкой или фиксированной рабочей частотой предназначены, в основном, для работы на демодуляторы или двухфазные индукционные двигатели. Основные требования к таким усилителям связаны с фазо-частотной характеристикой. Однако отмеченные особенности УНЧ не исключают общего подхода к проектированию.

Рассмотренные усилители характеризуются различными конструктивными и энергетическими показателями. К первым можно отнести вес и габариты, выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям и прочим. К энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим работы транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного тока.
Важнейшими из них являются коэффициент усиления по напряжению (току, мощности), его стабильность, полоса рабочих частот, коэффициент частотных искажений, угол сдвига фазы между входным и выходным сигналом, входное и выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений. О таких показателях УНЧ можно сказать следующее. Если в усилителе не предусмотрены специальные меры стабилизации, то его коэффициент усиления может измениться в широких пределах из-за большого технического разброса параметров транзистора.

Транзисторные усилители имеют сравнительно небольшую верхнюю граничную частоту усиления, если в оконечном каскаде использован мощный транзистор.
Вместе комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных характеристик транзистора является источником больших нелинейных искажений на выходе усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного элемента определяют низкое входное и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.

Для оценки возможности использования таких транзисторных усилителей сопоставим основные параметры с требованиями, которые к ним часто предъявляются. Усилитель связан входной цепью с источником сигнала, не допускающим, как правило, сколько-нибудь значительных нагрузок по току. Это заставляет искать пути увеличения входного сопротивления транзистора в десятки, сотни и тысячи раз. Входная цепь усилителя передает усиленный сигнал в нагрузку. Во многих случаях удобно подавать питание в нагрузку либо от источника тока (внутреннее сопротивление усилителя стремиться к бесконечности), либо от источника напряжения (внутреннее сопротивление усилителя близко к нулю). Иначе говоря, одной из практических задач при проектировании усилителя является изменения его входного сопротивления.
Требования повышения точности работы системы в различных климатических устройствах вынуждают стабилизировать коэффициент усиления. В усилителях, работающих в радиотехнических системах, всегда жесткие требования предъявляются к частотным искажениям, а в усилителях системы автоматики, управляющих двигателями переменного тока, к уменьшению фазового сдвига.
Обычно, без специальных мер, транзисторные усилители не удовлетворяют этим требованиям.

Таким образом, условия применения транзисторных усилителей в различных электронных устройствах намечают определенную направленность в изменении свойств УНЧ. Эти задачи усложняются требованиями сохранения работоспособности усилителя в широком температурном диапазоне окружающей среды и значительным техническим разбросам параметров транзисторов.

Основная часть

1 Аналитический обзор

Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов – сначала ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы.

Ламповая усилительная техника стала развиваться в результате появления в 1904г. вакуумного диода, изобретенного американским инженером
Флемингом, и в особенности после изобретения Ли де Форестом в
1907г. вакуумного триода.

В развитие теории и техники усилителей внесли свой вклад и отечественные специалисты. Так, в 1910г. В.И. Коваленков создает усилитель на триоде, а в 1915г. демонстрирует на всероссийском съезде инженеров – электриков первые в мире макеты телефонных усилителей для международной связи, которые оказались лучшими среди аналогичных усилителей, предложенных специалистами из других стран. Усилители, разработанные В.И. Коваленковым, были использованы в 1922г. на телефонной линии между Москвой и Ленинградом, а в 1931г. – между Москвой и
Кузбассом.

В 1918г. была основана Нижегородская радиолаборатория, руководимая
М.А. Бонч – Брускевичем, которая освоила выпуск маломощных приемо - усилительных, а также маломощных генераторных ламп, используемых, соответственно в радиоприемной и радиопередающей аппаратуре. Молодой сотрудник радиолаборатории О.В. Лосев открыл в 1922г. свойство кристаллического детектора усиливать и генерировать электрический колебания. Работы О.В. Лосева, несомненно способствовали изобретению в будущем транзистора. В 1925г. А.И. Берг разработал теорию линеаризации ламповых характеристик, создал основы методики инженерного расчета усилителей. В первой крупной монографии А.И. Берга «Основы радиотехнических расчетов усилителей» подробно анализировал все известные в то время ламповые каскады. Дальнейшее развитие теории и расчета усилителей было отражено в работе М.Т. Марка «Усилители низкой и высокой частоты (расчет и проектирование)» и «Усилители низкой частоты».

Резкий скачек в улучшении показателей усилителей произошел в результате применения в них отрицательной обратной связи, предложенной в
1927г. американским инженером Х. Блеком.

Во второй половине 30-х годов начинают создаваться широкополосные усилители гармонических и импульсных сигналов, предназначенные для телевидения, радиолокации и т.д. Значительное место в Разработке таких усилителей занимают работы Г.В. Брауде, а также О.Б. Лурье, предложившего проведение их анализа и расчета на основе использования переходных характеристик.

Транзисторная усилительная техника получила возможность своего развития после изобретения в 1948г. американскими учеными Дж. Бардин, У.
Браттейном и У. Шокли трех электродного полупроводникового усилительного элемента – транзистора, ставшего быстро вытеснять электронную лампу из радиотехнических устройств. Большой вклад в развитие теории усилителей внесли такие ученые. Как Х. Найквест, а также Р. Борде, перу которого принадлежит известная монография «Теория цепей и проектирование усилительных устройств с обратной связью».

Определенную роль в развитии теории и практики усилителей сыграли работы отечественных ученых Г.С. Цыпкина, Г.В. Войжвилло, С.Н. Кризе, Н.Л.
Безладкова, А.Г. Муродяна и другие.

60-е годы нынешнего столетия ознаменовались созданием лауреатами
Нобелевской премии академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым квантовых усилителей, способных работать как в оптическим, так и в радиодиапазоне. Эти усилители стали применять в оптических системах, системах связи, космических системах радиолокации, медицинской технике и т.д. В этот же период были продолжены (начатые еще в 1945г.) работы по созданию более совершенной аппаратуры для систем передачи с использованием кабельных линий. Вслед за разработанной (в период 1945-1960гг.) аппаратурой на 24 и 60 телефонных каналов к 1960г. было разработано и внедрено оборудование более сложной системы К-1920 (на 1920 каналов), позволяющим передавать наряду с телефонными сигналами и телепрограммы. Эта система имела спектр передаваемых частот 312 – 8524 кГц по однополосному способу. В дальнейшем был создан усовершенствованный вариант этой системы К-1920У.

В аппаратуре систем передачи немаловажная роль отводится линейным усилителям, входящих в ее состав, а так же устройствам автоматического регулирования усиления и амплитудно-частотной коррекции.

Впоследствии была создана система К-3600 ( на 3600 каналов ), работающая в диапазоне частот 0.8 .. 18 МГц. В свое время была разработана аппаратура системы К-5400 с полосой частот до 30МГц и система К-10800(на
10800 каналов).

Стремление к дальнейшему совершенствованию усилительной техники, улучшению ее показателей, привело в конце 60-х гг. к созданию усилителей на основе интегрально (планарной) технологии. Усилители, выполненные с помощью этой технологии, имеют малые габариты и энергопотребление, обладают высокой надежностью, хорошими экономическими и качественными показателями. В разработку методов анализа и расчета усилителей с использованием интегральных микросхем внесли значительный вклад работы таких ученых, как
Л. Хьюлсман, Дж. Греш, Р. Видлар, Дж. Ленк, И. Достал. Из отечественных специалистов в этой области можно отметить работы В.А. Шило, А.Г.
Алексеенко, Е.А. Калобеа, А.Г. Остапенко, Д.Е. Полынникова.

В последние годы быстрыми темпами развивается оптоэлектроника, представляющая радел науки и техники, объединяющий как оптические, так и электронные явления, с созданием на этой основе различных приборов, схем и систем. В частности, все шире используется волоконно-оптические системы связи, в состав которых входят и усилительные устройства. Заметную роль в развитии технического прогресса вообще и усилительной техники в частности сыграло создание ЭВМ. Машинное проектирование электронных схем, в том числе и электронных усилителей, представляет собой сравнительно новую область науки и техники – схемотехническое проектирование.

Первоначально ЭВМ использовали для нахождения оптимальных результатов работы усилительных элементов, основных параметров и характеристик, в частности аплитудо - частотных характеристик и фазо - частотных характеристик. Впоследствии с помощью ЭВМ стали решаться задач синтеза, в том числе и корректирующих LCR - элементов в цепях межкаскадных связей, в цепях обратной связи, а также в частотноформирующих цепях на входе и выходе усилителя.

С широким применение интегральных схем машинное проектирование микроэлектронных устройств приняло форму системы автоматизированного проектирования.