Основные характеристики и параметры усилителей

Коэффициент усиления является основным количественным параметром усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по напряжению K_U, току K_I или мощности K_P:

K_U = U_ВЫХ / U_ВХ , K_I = I_ВЫХ / I_ВХ , K_P = P_ВЫХ / P_ВХ, (10.1)

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 часто выражают в логарифмических единицах – децибелах: K_U(дБ)=20lgK_U; K_I(дБ)=20lgK_I; K_P(дБ)=10lgK_P.

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

К(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) +…+·К_n(дБ) (10.2)

АЧХ и ФЧХ усилителя. АЧХ – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ – зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжением от частоты. Типовая АЧХ и ФЧХ УНЧ приведена на рис.10.3. Спад коэффициента усиления на низких частотах определяется наличием разделительных емкостей в усилителях, спад на высоких частотах – паразитными емкостями в элементах схемы. Вид ФЧХ определяется видом АЧХ.

Рис.10.3. АЧХ и ФЧХ ФНЧ

Частоты ƒ_Н и ƒ_В, определяемые при коэффициенте усиления К₀ / , определяют полосу пропускания усилителя

Δƒ=ƒ_В – ƒ_Н. (10.3)

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис.10.4). Точка 1 соответствует сигналу шумов, измеряемому при нулевом входном сигнале, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором можно различить сигнал на фоне шумов. Участок 2 – 3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдается ограничение сигнала из-за попадания транзисторов в режим насыщения.

Рис.10.4. Амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усиления характеризует диапазон изменения входного сигнала:

D = U_{ВХ макс}/ U_ВХмин(10.4)

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис.10.5). Эта характеристика используется для определения динамических свойств устройства. Численно по данной характеристике определяют два параметра: время нарастания выходного напряжения t_НАР и перерегулирование выходного напряжения (выброс фронта импульса) δ.

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области низких частот – переходная характеристика в области больших времен.

Рис.10.5. Переходная характеристика усилителя

Коэффициент полезного действия (КПД):

η = Р_ВЫХ / Р₀, (10.5)

где Р₀ – мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

КПД является важным параметром, характеризующим экономичность усилителя. Роль этого показателя особенно важна для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

Входное и выходное сопротивление – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилителя как с источником входного сигнала (датчиком), так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты. Последняя зависимость особенно важна в случае действия на входе усилительного устройства непериодического сигнала.

Выходная мощность усилителя – эта та часть мощности, которая может быть выделена в нагрузке длительное время.

Искажение сигналов в усилителе связано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых элементов, и, во-вторых, с зависимостью коэффициента передачи усилителя от частоты. Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: нелинейные и линейные (частотные и фазовые), в результате которых меняется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала.

Причина возникновения нелинейных искажений поясняется на рис.10.6. Очевидно, что в данном случае при воздействии на вход усилителя синусоиды, выходной сигнал кроме входной гармоники будет содержать ряд дополнительных гармоник. Появление этих гармоник обусловлено зависимостью коэффициента усиления от величины входного сигнала. Следовательно, появление нелинейных искажений всегда связано с появлением на выходе дополнительных, отсутствующих на входе гармонических составляющих.

Коэффициент гармоник (коэффициент нелинейных искажений) К_Г служит для количественной оценки величины нелинейных искажений. В основу расчета положено отношение величины высших гармоник к основной в выходном сигнале, на вход усилителя подается синусоида:

К_Г = , (10.6)

где А₂…А_n – действующие значения высших гармоник выходного сигнала, начиная со второй; А₁ – действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала.

Рис.10.6. Возникновение нелинейных искажений в усилителе

Коэффициент частотных искажений численно равен

М = К₀ / К_ƒ, (10.7)

где К_ƒ – модуль коэффициента усиления на заданной частоте.

Частотные и фазовые искажения особенно проявляются при усилении сложного сигнала, содержащего ряд гармоник. Эти гармоники усиливаются неодинаково, в результате чего происходит искажение формы выходного сигнала. Фазовые искажения проявляются также при сложном входном сигнале, при этом происходит фазовый сдвиг различных гармоник, что приводит к искажению выходного сигнала.