Мамонкин И. Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., Связь, 1977.


Во втором издании книга подверглась существенной переработке. Изъяты все материалы, связанные с устаревшей ламповой техникой. Вместо них рассмотрены усилительные устройства на униполярных (полевых) транзисторах. Несколько расширен и круг схемотехнических решений. Анализ свойств частотных, фазовых и переходных характеристик коэффициента передачи дополнен сведениями о его нулях и полюсах.
Существенно большее внимание уделено функциональным усилителям, так как они все шире применяются в современной микросхемотехнике. Особенностям построения и выполнения микросхемных усилителей посвящена отдельная глава. Микросхемный операционный усилитель является тем «активным элементом», на основе которого строится большинство схемных решений современной техники приема, усиления и обработки сигналов. Поэтому в книге даны основы синтеза систем на базе таких операционных усилителей с использованием представления о нулях и полюсах коэффициента усиления.
Вместить постоянно расширяющийся материал в практически неизменный объем курса становится все более сложной задачей. Одним из путей ее решения является привлечение новых, более компактных и эффективных методов описания и анализа усилительных устройств. В последние годы широкое признание получили нульполюсное описание электрических цепей и анализ их методом графов. Опыт автора, использующего эти представления при чтении курса «Усилительные устройства» уже более десяти лет, показал их весьма высокую эффективность. Привлечение графов оказалось оправданным даже в том случае, когда для знакомства с ними приходилось тратить часть времени основного курса. Тем более это оправдано теперь, когда метод графов включен в программу курса «Теории цепей», предваряющего курс усилителей. Для лиц, не знакомых с графами, в приложении 1 приводятся основные представления и правила пользования графами.
Автор выражает искреннюю признательность проф. Г. В. Вой-швилло и доц. Д. И. Попову, сделавшим ряд ценных замечаний при подготовке второго издания книги.
Отзывы и замечания по книге следует направлять в издательство «Связь» (101000, Москва, Чистопрудный бульвар, 2).
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Курс усилительных устройств в течение многих лет формировался как курс ламповых усилителей гармонических колебаний низкой (звуковой) частоты. Бурное развитие электроники и ее использование в самых различных областях науки и техники вызва- ли потребность в усилении сигналов с разнообразными формой, амплитудой и спектром частот. Успешное решение таких задач обогатило технику усиления созданием новых методов усиления, широким использованием в усилителях обратной связи, разработкой многочисленных способов коррекций формы сигнала. Все более и более широкое внедрение полупроводниковых приборов лотребовало дополнительного изложения в курсе методов анализа и расчета усилителей на транзисторах. Это зн-ачительно расширило рамки курса, сделав его одним из фундаментальных в общем цикле дисциплин, формирующих радиоинженера.
Однако здесь возникли серьезные методические трудности, поскольку время, отводимое на изложение обширного материала, не только не возросло, но даже заметно уменьшилось. Успешное преодоление эт.их трудностей автор видит в отказе от существующего многообразия методов анализа различных схем усилителей и в замене его общим подходом к любому усилительному устройству как активному четырехполюснику. Такой подход позволит: наи-более просто и с самых общих позиций ознакомиться с идеями и методами обратной связи. Этим закладывается не только фундамент важнейших представлений, необходимых радиоинженеру в любой его узкой специальности, но и существенно экономится время при изложении последующих разделов курса. При таком подходе анализ большинства усилительных устройств будет сведен-к конкретному использованию этих общих идей;
создать единую методику расчета транзисторных усилителей, что заметно упростит изложение материала;
уделить большее внимание выяснению принципиальных моментов и физической сущности явлений в усилителях, так как использование весьма удобного аппарата теории четырехполюсников намного сократит вывод всех расчетных соотношений.
Предлагаемое пособие суммирует многолетний опыт чтения курса усилительной техники в Московском энергетическом институте и отражает изложенные выше методические представления
автора.
В книге использованы многочисленные литературные источники v результаты, полученные автором. В связи с учебным характером книги ссылки на них даются только в тех случаях, когда то или иное выражение приводится в тексте без вывода или для указания источника, в котором можно найти более полное, чем это предусмотрено программой, изложение отдельных частных вопросов. Петитом набраны примеры расчетов и разделы, предлагаемые для бо-
глубокого изучения курса.
1.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эффект увеличения мощности (усиление) возможен только в том случае, если в самом устройстве "имеется некоторый источник, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности на выходе. Этот принципиально необходимый для усиления источник энергии называется источником питания.
Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала с помощью так называемых активных элементов (униполярных и биполярных транзисторов, электронных ламп). Для связи активных элементов с источником входных колебаний между собой и выходной нагрузкой, а также для того чтобы придать усилителю необходимые частотные свойства, применяют обычные пассивные элементы электрических цепей: резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Активные и пассивные элементы, вы- . полненные либо в виде отдельных дискретных деталей, либо в едином технологическом цикле как интегральная система, соединяются нужным образом (собственно усилитель) и вместе с источником питания образуют усилительное устройство (рис. 1.1). Для усиливаемых сигналов усилитель, имея два входных и два выходных зажима, представляет собой электрический четырехполюсник.
Усилители электрических колебаний находят все более широкое применение в самых различных областях науки, техники и производства. Являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью более сложных аппаратов, усилители нашли широкое применение в радиовещании, звуковом кино, технике звукозаписи, телевидении, радиолокации и радионавигации, ядерной физике, медицине и биологии, счетно-решающей технике, в системах автоматики, радиоастрономии и т. д. Даже этот, далеко не полный перечень показывает, сколь разнообразны и обширны области использования усилителей.
Усилители, предназначенные для совершенно различных целей, могут обладать идентичными свойствами. Поэтому классификация усилителей по их назначению (телевизионные, локационные и т. д.), мало дает для суждения о свойствах и особенностях таких устройств. Обычно при делении усилителей на типы учитывают»
1) полосу и абсолютные значения усиливаемых частот;
2) характер входного сигнала;
3) назначение усилителя;
4) вид используемых активных элементов.
По первому признаку усилители делятся на следующие типы.
Усилители постоянного тока — это устройства для усиления
столь медленных колебаний, что для их неискаженного воспроиз-
ведения практически необходима полоса частот от /и—0 до некоторой (обычно не очень высокой) частоты /в (рис. 1.2а). Существенным в этих усилителях является то, что они усиливают не только переменные составляющие входного сигнала, но и его постоянную составляющую. Усилители, неспособные усилить постоянную составляющую, относятся к усилителям переменного тока.
Усилители низкой частоты (УНЧ)—устройства, эффективно усиливающие переменные составляющие сигнала в диапазоне от заданной низкой частоты fH>0 до некоторой высокой частоты fB (рис. 1.26). Называть такие устройства усилителями низкой частоты можно только условно. Дело в том, что по абсолютному значению высшая из усиливаемых частот может быть как сравнительно низкой (fB—10-И5 кГц при усилении речи или музыки), так и очень высокой (fB=50-f-100 МГц при усилении импульсных сигналов). Обычно усилители этого типа имеют большое отношение: fB/fH=1024-106. Усилители, имеющие /в>Ю0 кГц, принято называть широкополосными.
Усилители высокой частоты (УВЧ) —устройства для усиления радиосигналов со спектром, сосредоточенным в относительно узкой полосе около центральной (высокой) частоты f0 (рис. 1.2в). Характерным ДЛЯ НИХ ЯВЛЯЮТСЯ УСЛОВИЯ: /в//н~1, /в—/н