Усилители

Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем, мощность, требующаяся для управления, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а форма входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Функциональная схема усилителя

Классификация. Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

• по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов с частотой от 10 Гц до 100 кГц; широкополосные усилители, усиливающие сигналы от 1 до 100 МГц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;
• по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от 0 Гц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;
• по функциональному назначению: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности (в зависимости от того, какой из параметров усиливается усилителем).

Основным качественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению K_U, току K_I или мощности K_P:

, , ,

где U_вх, I_вх – амплитудные значения переменных составляющих соответственно

напряжения и тока на входе;

U_вых, I_вых – амплитудные значения переменных составляющих

соответственно напряжения и тока на выходе;

P_вх, P_вых – мощности сигналов соответственно на входе и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражаются в логарифмических единицах – децибелах:

K_U(дБ)=20lgK_U; K_I(дБ)=20lgK_I; К_Р(дБ)=10lgK_P.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов: К=К₁·К₂·…·К_n. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К(дБ)=К₁(дБ)+К₂(дБ)+…+К_n(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

,

где - модуль коэффициента усиления;

– сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами

U_вх и U_вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия

,

где P_ист – мощность, потребляемая от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя:

; ,

где U_вх и I_вх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

и – приращения амплитудных значений напряжения и тока на

выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Рассмотрим основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 9.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вх=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2–3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

,

где U_1m, U_2m, U_3m, U_nm – амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина характеризует динамический диапазон усилителя.

Рис. 9.2. Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рис. 9.3). Частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность

(f_н–f_в) – полосой пропускания усилителя.

Рис. 9.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

,

где К_f – модуль коэффициента усиления на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений

и

называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 9.4), коэффициент усиления усилителя выражается в децибелах, а по оси абсцисс откладываются частоты через декаду (интервал частот между 10f и f ).

Рис. 9.4. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

усилителя (ЛАЧХ)

Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f=10ⁿ. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя – это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая ФЧХ приведена на рис. 9.5. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе.

В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Рис. 9.5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 9.6, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Рис. 9.6. Фазовые искажения в усилителе

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 9.7). Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом.

Рис. 9.7. Переходная характеристика усилителя

Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот – переходная характеристика в области больших времен.