Основные технические характеристики и показатели УУ

Усилительные устройства (УУ) на транзисторах

Классификация УУ

Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, - усиление. Поэтому в курсе особое внимание уделяется усилительным устройствам (УУ).

УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие УУ принято называть полупроводниковыми, или транзисторными.

УУ принято классифицировать по ряду признаков:

- по характеру усиливаемых сигналов - УУ непрерывных (гармонических) и УУ импульсных сигналов;

- по диапазону рабочих частот - УУ постоянного тока ( =0 Гц) и УУ переменного тока. В свою очередь, УУ переменного тока в учебной литературе (и в данном пособии) подразделяются на:

- усилители звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;

- усилители высоких частот (ВЧ) ( до 300 МГц);

- усилители сверхвысоких частот (СВЧ) ( › 300 МГц).

В специальной литературе принято классифицировать УУ переменного тока по диапазону рабочих частот согласно таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Границы частотных диапазонов

Кроме того, УУ ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:

- узкополосные ( , );

где - средняя частота рабочего диапазона УУ;

- широкополосные ( ).

- импульсные усилители классифицируются по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные;

- по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;

- по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.

Кроме рассмотренных основных признаков УУ могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков - числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и т.д.

Основные технические характеристики и показатели УУ

- входное сопротивление . Чаще всего носит емкостной характер;

- выходное сопротивление . Чаще всего носит так же емкостной характер;

- коэффициенты передачи:

- по напряжению или просто :

,

где j - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение êКç на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как , называют коэффициентом усиления.

В логарифмических единицах:

.

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

,

;

- по току :

.

Для n-каскадных усилителей в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично .

- по мощности :

.

Для n-каскадных усилителей в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично , только

.

- сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению :

,

где - ЭДС источника сигнала.

- коэффициент полезного действия:

,

где - максимальная выходная мощность усилителя; - мощность, потребляемая от источника питания.

Характеристики УУ служат для оценки искажения сигнала. Искажения - это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:

- искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).

АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис.2.2.

,

.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах в точности совпадает с выражениями для и получается из последних путем замены на .

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений :

,

.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах также в точности совпадает с выражениями для и получается из последних путем замены на .

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты, полосу рабочих частот , равную:

.

- искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).

ПХ усилителя это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

- искажения фронта характеризуются:

- временем установления , т.е. временем нарастания амплитуды импульса от до ;

- выбросом фронта импульса d, определяемым отношением амплитуды выброса DU к амплитуде установившегося режима ;

- временем запаздывания относительно входного сигнала по уровню .

Искажения плоской вершины импульса D характеризуется величиной спада напряжения за время длительности импульса:

.

Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:

,

.

Нелинейные искажения(искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник , который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

.

Кроме в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):

.

Собственные помехи УУ:фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения.

Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала ) создает в полосе частот тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:

.

Где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура сопротивления.

Мерой оценки шумовых свойств УУ является коэффициент шума F, равный отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:

В диапазоне СВЧ находит применение оценка шумовых свойств УУ посредством определения шумовой температуры системы :

,

где - стандартная шумовая температура, (рекомендация МЭК).

Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):

где , и т. д. - номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя.

Амплитудная характеристика и динамический диапазон УУ.

Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис.2.6.

В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.

Некоторые УУ (УПТ, ОУ и т.д.) могут характеризоваться другими специфическими показателями, которые будут рассмотрены по мере необходимости.