Основные параметры усилителей

Основными параметрами усилителей являются коэффициенты усиления по напряжению K_U, по току K_I, по мощности K_P, а также его входное и выходное сопротивления. Для оценки влияния входного и выходного сопротивлений усилителя рассмотрим эквивалентную схему усилителя, к входной цепи которого подключен источник сигнала, а к выходной — нагрузка (рис. 2.1).

Источник сигнала вырабатывает ЭДС Е_вх и имеет внутреннее сопротивление R_вн. Поскольку усилитель имеет входное сопротивление R_вх, во входной цепи течет ток

который создает на входе усилителя сигнал

Рис. 2.1. Эквивалентная схема усилителя

Отсюда видно, что чем больше входное сопротивление усилителя, тем ближе значение ЭДС источника сигнала к напряжению, фактически приложенному к входу усилителя. По этой причине входное сопротивление усилителя стараются сделать по возможности большим, для чего во входных каскадах усилителей часто применяют полевые транзисторы.

На выходе усилитель создает сигнал E_вых = U_вхK_U, поступающий в нагрузку. Поскольку усилитель имеет выходное сопротивление, то ток в нагрузке равен

Таким образом, напряжение на нагрузке будет отличаться от выходного напряжения усилителя и составит

Чем меньше выходное сопротивление усилителя, тем больше его КПД и мощность, отдаваемая нагрузке. Поэтому на выходе усилителей стремятся использовать каскады, обеспечивающие минимально возможное выходное сопротивление.

Частотные свойства усилителей определяет их амплитудно-частотная характеристика, т. е. зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала.

По диапазону частот усиливаемых сигналов различают следующие классы усилителей:

• усилители низкой частоты — от десятков герц до десятков килогерц;
• усилители постоянного тока, которые по существу являются усилителями медленно меняющихся сигналов с диапазоном от нуля до сотен килогерц;
• избирательные, или полосовые, усилители, которые усиливают сигнал в очень узком диапазоне частот;
• широкополосные (импульсные) усилители с диапазоном от нескольких килогерц до нескольких мегагерц.

Амплитудно-частотную характеристику усилителя рассмотрим на примере усилителя низкой частоты (рис. 2.2). Идеальная характеристика должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот, и «всплески» в середине диапазона.

Рис. 2.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Снижение K_U на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов Х_С = = 1/ωС по мере снижения частоты сигнала и, следовательно, возрастанием потери напряжения на них.

Снижение K_U на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей коллектор — база, коллектор — эмиттер и база — эмиттер, а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала. Всплески коэффициента усиления вызваны резонансными явлениями в усилителе.

Рис. 2.3. Возникновение нелинейных искажений

Нижней f_н и верхней f_в граничными частотами, определяющими полосу частот усилителя, считают частоты, при которых коэффициент усиления снижается до 0,7 его значения на средних частотах.

Важным показателем качества усилителя является его способность сохранять форму кривой усиливаемого сигнала, изменяемую за счет нелинейных искажений. На рис. 2.3 в качестве примера показано, как искажается форма тока базы I_Б, т.е. входного тока транзистора, в схемах с ОЭ по сравнению с синусоидальной формой напряжения U_вх за счет нелинейной входной характеристики транзистора. Максимальное значение тока в положительный полупериод больше, чем в отрицательный полупериод . В результате нелинейных искажений выходное напряжение содержит, кроме основной, еще и высшие гармонические составляющие. Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений. Для уменьшения искажений важно, чтобы усилитель работал на линейном участке входной характеристики и оставался на горизонтальных участках выходных характеристик транзисторов.