ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

если обозначить

аU²_0б= I_0б; 2аU_обU_бmsinωt = I_б1msinωt; aU²_бm/2 = ΔI_0б;

(aU²_бm/2)cos2ωt = I _б2mcos2ωt,

то можно записать:

i_б= I_об+ ΔI_об+ I_б1msinωt – I_б2mcos2ωt; (8.9)

т.е. на выходе усилителя появляется составляющая с удвоенной частотой входного сигнала.

Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом (нелинейных искажений, к.н.и. (клиррфактор):

(8.10)

В многокаскадном усилителе общий коэффициент нелинейных искажений равен сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов:

υ_Σ ≈ υ₁+ υ₂+...+υ_n. _(8.11) Наибольшие нелинейные искажения возникают в выходных каскадах мощных усилителей.

Линейные искажения обусловлены в основном зависимостью от частоты коэффициента передачи тока β или α, реактивными элементами усилителя. При линейных искажениях амплитуда сигнала на выходе не будет равна ожидаемой и, кроме того, выходной сигнал сдвигается по фазе относительно входного. Неодинаковое усиление составляющих разных частот и различие их фазовых сигналов на выходе усилителя называют частотными и фазовыми искажениями. Фазовой характеристикой называют зависимость сдвига фазы φмежду входным и выходным сигналом от частоты усиливаемого сигнала (рис. 8.2)

Рис. 8.2

Поэтому в общем случае коэффициент усиления является комплексной величиной:

Ќ (8.12)

Таким образом, коэффициент усилителя на любой частоте характеризуется модулем коэффициента усиления К и аргументом – углом сдвига фазы φ между входным и выходным напряжениями.

Частотно - фазовой характеристикой называется зависимость коэффициента усиления в комплексной форме от частоты. Ее строят в полярной системе координат (рис. 8.3):

Рис. 8.3

Коэффициент частотных искажений М определяется как:

М = К₀ / K (8.13)

где К – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте, К₀ – коэффициент усиления на некоторой средней частоте.

Обычно коэффициент частотных искажений определяется на низшей и высшей частоте диапазона:

М_н= К₀/ K_н; M_в= К₀/ K_в(8.14)

Общий коэффициент частотных искажений равен

М_Σ=М₁М₂...М_n (8.15)

в децибелах:

ΔК_[дБ] = К_{[дб] −} К_{0[дБ]. (8.16)}

Зависимость коэффициента усиления от частоты определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), рис. 8.4:

Рис. 8.4

По АЧХ можно определить граничные частоты и полосу пропускания усилителя. Граничными частотами обычно считают те частоты, на которых коэффициент усиления снижается до уровня 0,707 по напряжению (в ) и до уровня 0,5 по мощности, т.е. в обоих случаях падает на 3дБ. Диапазон частот от F_в. до F_н.. называется условной полосой пропускания усилителя.

По ширине рабочего диапазона усилители разделяются на избирательные (F_в ≈ F_н ) и широкополосные (F_в >> F_н). К широкополосным усилителям относятся также импульсные усилители. Особую группу представляют усилители постоянного тока, у которых F_н = 0.

Кроме указанных показателей, часто необходимо знать КПД усилителя, динамический диапазон амплитуд входного сигнала, уровень собственных шумов, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам.

КПД является важным показателем усилителей мощности. Различают полный и электрический КПД. Полный КПД определяется как отношение:

η_п = Р_н / P_{общ (8.17)}

где Р_н – полезная мощность в нагрузке;

Р_общ – мощность, потребляемая всеми цепями усилителя от всех источников питания.

Электрический КПД определяется по отношению к коллекторной цепи транзистора (или к анодной цепи лампы):

η = Р_н / P₀ (8.18)

гдеР₀ – мощность, потребляемая коллекторной или анодной цепью.

Амплитудная характеристика представляет зависимость установившегося значения выходного напряжения от величины входного напряжения синусоидальной формы и неизменной частоты. Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет собой прямую, проходящую через начало координат. Однако реальная характеристика начинается не с начала координат вследствие наличия шумов и помех (рис. 8.5), причем при возрастании входного напряжения до определенной величины начинается нелинейная зависимость U_вых от_. U_вх

Рис. 8.5

Отношение U_{вх.макс} / U_вх.мин. называется динамическим диапазоном усилителя. Он может выражаться также в децибелах:

Д_с[дБ] = 20lgД_с= 20lgU_{вх.макс.} / U_вх.мин. _(8.19)

Для усилителя мощности:

Д_с=10lgP_{вх.макс.}/P_{вх.мин. (8.20)} Важным параметром усилителя является коэффициент шума:

К_ш = (Р_с / Р_ш)_вх / (P_c / P_ш)_вых.; (8.21)

К_ш[дБ] = 10lg(P_c / P_ш)_вх. / (P_c / Pш)_вых.

Этот параметр определяет минимальный уровень входного усиливаемого сигнала, т.е. чувствительность усилителя.

При прохождении импульсов через усилитель происходит искажение его формы. Импульсный одиночный сигнал состоит из участков с разными скоростями изменения (т.е. спектральный состав сигнала очень широк). Под действием такого сигнала в усилителе возникает переходной процесс. Переходной характеристикой усилителя называют зависимость от времени выходного сигнала U_вых.(t) = h(t) при воздействии одиночного скачка. Временем установления обычно называют время, в течение которого выходной сигнал нарастает от 0,1 до 0,9 от установившегося напряжения (рис. 8.6).

Рис. 8.6

Входной и выходной сигналы усилителя связаны линейным дифференциальным уравнением. Для упрощения решения этих уравнений применяют или комплексный, или операторный метод. Если усилитель предназначен для работы с гармоническими сигналами, то его анализ удобно производить комплексным методом, в котором синусоидальный закон заменяется комплексом, а амплитуда синусоидального сигнала выбирается равной вещественной составляющей:

U(t) = R_e(Ue^jωt), где U = Ue^jф. (8.23)

В комплексном методе операции дифференцирования и интегрирования синусоидальной функции времени сводятся к операциям умножения и деления ее символа на оператор jω. Пользуясь этим методом легко рассчитать коэффициент усиления и разность фаз между входным и выходным сигналами, построить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики. При комплексном методе можно не составлять дифференциальные уравнения, т.к. необходимое решение можно получить, пользуясь законом Кирхгофа, приписав индуктивностям и емкостям схемы символические сопротивления jωL и 1 / jωC. Этот метод очень трудоемок при расчетах формы сложного сигнала на выходе усилителя с искажениями. Зачастую при комплексном методе используются ряды Фурье.

При исследовании импульсных схем часто пользуются функциональным преобразованием Лапласа. Преобразованная по Лапласу функция времени f(t) выглядит следующим образом:

L_f(t)] = ∫e^-ptf(t)dt = F(p), (8.24)

где р – оператор (действительное или комплексное значение, при котором интеграл сходится).

При расчетах электронных цепей чаще используется функциональное преобразование по Карсону:

H(p) = P∫e^-ptf(t)dt = pL_[f(t)]. (8.25)

В этой системе используется элементарное возбуждение в виде единичного скачка с бесконечно малым временем нарастания. Преобразование по Карсону этого скачка дает единицу:

H_[1(t)] = p∫e^-pt1(t)dt = 1. (8.26)

Символически операторное преобразование записывается следующим уравнением:

где f(t) – оригинал;

F(p) – операторное изображение функции f(t).

Операторный метод расчета удобен тем, что имеется большое число таблиц, связывающих оригиналы и операторные изображения многих функций.

По своему основному назначению усилители можно подразделить наследующие разновидности:

–усилители низкой частоты (УНЧ);

– усилители высокой частоты (УВЧ);

– усилители постоянного тока (УПТ);

– импульсные усилители;

– широкополосные усилители;

– избирательные усилители;

– измерительные усилители;

– усилители сверхвысоких частот (СВЧ-усилители);

–малошумящие (высокочувствительные) усилители (МШУ) и другие.

8.2. Режимы работы усилительных