Характеристика усилителей

Усилитель — это устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (U, I, P). Структурная схема усилителя показана на рис.2.1. Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную, с которой снимается усиленный сигнал. К входной цепи подключается источник сигнала, а к выходной — нагрузка. Входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя в общем виде являются комплексными величинами, однако для большинства усилителей в рабочем диапазоне частот можно пренебречь реактивной составляющей сопротивлений и считать их активными. Это существенно упрощает расчет и анализ усилительных схем.

Основным параметром усилителя является коэффициент усиления по напряжению , по току или по мощности . Принципиально для любого усилителя K_р > 1, хотя K_U или K_I могут быть меньше 1.

Классификация усилителей

1. По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузке заданное значение U_вых. Для него характерно R_вх >> R_н, R_вых << R_н. При этом малые изменения входных токов обеспечивают относительно большие изменения напряжения на нагрузке.

В режиме усиления тока R_вх << R_н,а R_н<< R_вых. При этом обеспечивается протекание заданного тока в цепи нагрузки при малых значениях напряжения и мощности во входной цепи.

Усилители мощности обеспечивают заданное значение мощности в нагрузке. Входные и выходные сопротивления усилителя мощности имеют значения одного порядка с внешними сопротивлениями: R_вх » R_н, R_вых » R_н.

2. По виду усиливаемого сигнала различают гармонические (линейные) и импульсные усилители. Для импульсных усилителей характерна большая скорость переходных процессов.

3. По характеру изменения сигнала во времени усилители подразделяются на усилители переменного и постоянного тока. Усилители переменного тока усиливают сигналы в диапазоне частот от f_н до f_в, а усилители постоянного тока — в диапазоне от 0 до f_в. В зависимости от диапазона рабочих частот усилители переменного тока могут быть низкой, высокой и промежуточной частоты. Верхняя граница частот усилителей низкой составляет десятки кГц, а усилителей высокой частоты — десятки и сотни МГц.

3. По ширине полосы усиливаемых частот усилители могут быть широкополосными или узкополосными (избирательными). Импульсные усилители и усилители постоянного тока относятся к широкополосным.

4. По количеству элементарных каскадов усиления усилители могут быть одно-, двух-, трех- и более каскадными.

5. По виду связи между каскадами усилители могут быть с непосредственной связью, с трансформаторной связью и с RC-связью. При этом усилители, не содержащие резонансных элементов, называют апериодическими, т.к. усиление в них имеет неколебательный (апериодический) характер.

При соединении нескольких каскадов усиления (рис. 2.2) общее усиление определяется произведением коэффициентов усиления всех каскадов. Многокаскадное усиление необходимо для получения большого усиления — в тысячи и даже миллионы раз. В этом случае:

Традиционно в радиотехнике сигналы звука воспринимались на слух оператором. Органы слуха человека воспринимают звук пропорционально логарифму звуковой мощности. Поэтому усиление выражали не только в относительных единицах, но и в логарифмических единицах — децибелах (в английском языке ТИ - transmission unit, единица передачи):

Таблица 2.1 показывает соотношение между относительными и логарифмическими единицами усиления

Таблица 2.1.

При этом положительные значения логарифмического выражения коэффициента усиления соответствует усилению сигнала, а отрицательные - ослаблению. Для многокаскадного усиления .

В общем, виде коэффициент усиления величина комплексная. Это означает, что выходной сигнал усилителя отличается от входного не только по величине, но и по фазе:

Здесь K - модуль комплексного коэффициента усиления, а j - его аргумент.

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала. Типичная частотная характеристика усилителя переменного тока показана на рис. 2.3. Разные частоты усиливаются неодинаково, поэтому форма сложного сигнала в усилителе исказится. Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений:

где K₀ — модуль коэффициента усиления на средних частотах;

K_f — модуль этого коэффициента на данной частоте, для которой определяется М.

В многокаскадном усилителе .

В логарифмическом выражении

На графике (рис. 2.3) f_н и f_в — соответственно нижняя и верхняя граничные частоты. На этих частотах усиление падает по сравнению с K₀ в раз. Величина Df = f_в – f_н называется условной полосой пропускания.

Фазовая характеристика показывает зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналом от частоты (рис. 2.4). Фазовые искажения отсутствуют, если j_вх и j_вых одинаково зависят от частоты. Частотные и фазовые искажения относятся к линейным искажениям, т.к. они не вызывают изменения формы гармонического сигнала.

Амплитудная характеристика показывает зависимость выходной величины от изменения входной (рис. 2.5). В идеальном усилителе амплитудная характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат. Наличие U_{вых min} обусловлено помехами и собственными шумами усилительного устройства. Крутизна характеристики соответствует коэффициенту усиления. При больших U_вх близких к предельным для данного усилителя, происходит сглаживание характеристики, т.е. снижение усиления. Рабочий диапазон сигналов в линейном усилителе должен находится на линейном участке амплитудной характеристики. Отношение называется динамическим диапазоном. Динамический диапазон показывает диапазон входных сигналов, при котором еще не наступают искажения сигнала.

Нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажении, который равен корню квадратному из отношения мощности на нагрузке, развиваемой высшими гармониками к мощности основной гармоники:

Переходная характеристика представляет собой реакцию усилителя на единичное воздействие (скачок) на входе. Она позволяет судить о характере переходных процессов, по ней можно сделать вывод о применимости усилителя для усиления импульсных сигналов. Переходная характеристика (рис. 2.6) дает значение времени задержки t_з и времени нарастания t_нар выходного сигнала. Искажения импульсного сигнала, если , где t_и -длительность входного импульса.