Общая характеристика усилителей

Электронным усилителем называется радиотехническое устройство для увеличения мощности сигнала. Электронный усилитель представляет линейный четырехполюсник, в котором входной сигнал управляет током от источника питания через нагрузку. При этом затраты мощности на управление током намного меньше, чем мощность, выделяемая в нагрузке

P = R_нI²,

где R_н – сопротивление нагрузки;

I – действующее значение тока, протекающего через нагрузку.

Так как входной сигнал широкополосный (представляет собой спектр гармоник и этот спектр определяется сигналом сообщения), то усилители должны быть линейными четырехполюсниками (см. п.1.4.).

Отклонение усилителя от идеального линейного четырехполюсника оценивают коэффициентом нелинейных искажений (этот коэффициент часто называют коэффициентом гармоник)

, (3.44)

где U₁ – действующее значение напряжения первой гармоники; U₂, U₃, …, U_n – действующие значения напряжений второй и т.д. гармоник.

Смысл коэффициента гармоник становится понятным, если учесть, что активный элемент усилителя (транзистор, электронная лампа и др) имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. В зависимости от выбора точки покоя и амплитуды входного гармонического сигнала эта нелинейность влияет на преобразование спектра (см. п.2.7.). Так как входной сигнал представляется в виде суммы гармоник (1.22), то достаточно нелинейные искажения оценить для гармоник с максимальной амплитудой.

Таким образом, для оценки нелинейных искажений на вход усилителя подают гармонический сигнал. Увеличивая амплитуду входного сигнала, находят предельное ее значение, при котором начинают появляться искажения выходного гармонического сигнала. Этим устанавливается предельное (максимальное) значение амплитуды гармоники в спектре сигнала (см. лабораторную работу по исследованию усилителя).

Нелинейность ВАХ электронных приборов проявляется в усилителях также в том, что зависимость амплитуды выходного гармонического напряжения от амплитуды входного является в общем случае нелинейной (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Зависимость U_{m вых} от U_{m вх}

Интервал изменения входного напряжения [U_{m вх min}, U_{m вх max}], в котором имеет место линейная зависимость U_{m вых} = K_U U_{m вх}, определяет динамический диапазон усилителя

, дБ. (3.45)

За минимальный входной сигнал принимают такой сигнал, который на выходе усилителя создает напряжение, равное напряжению шумов:

. (3.46)

Шумовое напряжение на выходе усилителя обусловлено действием как внешних, так и внутренних источников шума. внешними источниками шумов являются случайные сигналы (помехи), действующие совместно с полезным сигналом на входе усилителя. Они создаются промышленными установками (например, электродвигателями, электрогенераторами, работой сварочных аппаратов и т.п.), атмосферными явлениями (например, грозовыми разрядами, электризацией воздуха и его турбулентностью в тропосфере, магнитными бурями и т.п.). Интенсивность и роль внешних источников помех в различных диапазонах частот различна. Так, например, грозовые разряды создают помехи одинаковой интенсивности во всем практически радиодиапазоне (см. п.п. 2.1.1. Спектр дельта-функции), в то время как промышленные помехи наиболее интенсивны на длинных волнах, а на коротких пренебрежительно малы (см. п.п. 2.1.2. Спектр функции включения). На средних волнах весьма существенны шумы атмосферной электрической неоднородности. На ультракоротких волнах (УКВ) основным источником шумов является космическое излучение: излучение солнца, звезд, галактик.

Из внутренних источников шумов выделяют два основных вида: тепловые шумы сопротивлений и дробовые шумы. Тепловые шумы сопротивлений возникают из-за хаотического движения свободных электронов в проводнике. Такое движение электронов приводит к флуктуации концентрации зарядов в единице объема и следовательно, к флуктуации разности потенциалов на концах проводника. Эту флуктуацию разности потенциалов называют тепловым шумом. Средний квадрат напряжения тепловых шумов определяется формулой Найквиста (1.37).

Возникновение дробовых шумов в усилителях связано с дискретностью электрического заряда и случайным характером вылета отдельных электронов («дробинок») с поверхности катода электронных ламп или другого электрода, способного эмитировать электроны. В полупроводниковых приборах дробовые шумы обусловлены случайным характером рекомбинации пар электрон-дырка, изменением интенсивности инжекции и экстракции носителей и другими причинами. В области низких частот среднеквадратическое значение флуктуации тока, вызванное дробовым эффектом, пропорционально заряду электрона, среднему току через электронный прибор и полосе пропускания усилителя:

. (3.47)

На практике дробовые шумы электронных приборов учитывают шумовые сопротивления R_ш, подключенного ко входу идеального (не шумящего) усилителя.

Существование шумов ограничивает возможность усиления слабых сигналов, сравнимых по мощности с шумами.