Основные характеристики и параметры усилителя

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент Y, управляемый входным электрическим сигналом U_вх, источник питания U_п и нагрузочное устройство с сопротивлением Z_н (рис. 1).

Рисунок 1

Входной сигнал Uвх управляет параметрами нелинейного элемента. Усилитель может иметь один или два входа. Обычно один из входов является прямым, а второй – инверсным.

Классификация усилителей проводится по многим признакам:

- по виду усиливаемого сигнала – усилители гармонических и импульсных сигналов;

- по типу усиливаемого сигнала – усилители напряжения, тока и мощности;

- по диапазону усиливаемых частот – усилители постоянного и переменного тока.

В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители (обеспечивают усиление в узком диапазоне частот);

- по структуре - однокаскадные и многокаскадные с гальванической, емкостной и индуктивной связями;

- в зависимости от режима работы – усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.

Основные характеристики усилителя (рис. 2):

Рисунок 2

- амплитудная характеристика (рис. 2,а) – зависимость U_вых = F(U_вх). Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат;

- амплитудно-частотная характеристика – АЧХ (рис. 2,б) – зависимость U_вых = F(f) отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты;

- фазово-частотная характеристика (рис. 2,в) – зависимость φ = F(f) отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала;

- переходная характеристика (рис. 2,г) – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется при подаче на вход усилителя входного ступенчатого сигнала. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1) либо апериодичным (кривая 2).

Основные параметры усилителей представляют количественную оценку их работы.

Коэффициентом усиления (коэффициентом передачи) называется отношение выходного сигнала к входному. Обычно он определяется в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. В зависимости от характера входной и выходной величин различают:

- коэффициент усиления по напряжению K_U = U_вых/U_вх;

- коэффициент усиления по току K_I = I_вых/I_вх;

- коэффициент усиления по мощности К_Р = Р_вых/Р_вх.

Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно представить в виде активного четырехполюсника, одна из возможных эквивалентных схем которого представлена на рис. 3.

Рисунок 3

Ко входу усилителя (1-1) подключается источник входного сигнала в виде генератора напряжения с ЭДС Е_г, имеющий внутреннее сопротивление Z_г. За счет источника входного сигнала во входной цепи протекает ток I_вх, который создает на входе усилителя входное напряжение U_вх. Входное сопротивление усилителя представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя

. (1)

К выходу усилителя (2-2) подключается нагрузка R_н, через которую протекает ток I_вых. Выходное сопротивление усилителя

. (2)

Выходная мощность характеризуется номинальной мощностью, развиваемой усилителем в нагрузке. Это мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений:

, (3)

где U_{m вых} – амплитудное значение выходного напряжения.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, возникающими за счет нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигналов.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

. (4)

Чувствительность (номинальное входное напряжение) – напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем она меньше, тем выше чувствительность усилителя. Минимально допустимое напряжение ограничивается уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых нельзя выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажением формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках ВАХ транзистора.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к наименьшему:

. (5)

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность граничных частот Δf = f_в – f_н, в которой коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной точностью; допустимые изменения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Искажения сигнала, т.е. отклонение формы выходного сигнала от формы входного, бывают линейными и нелинейными.

Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (клир-фактор) усилителя

, (6)

где Р₂, Р₃, …, Р_n – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2, 3, …, n-й гармонических составляющих напряжения (U₂, U₃, …, U_n); Р₁ – мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения U₁. Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и не связаны с его частотой.

Линейные искажения определяются зависимостью параметров транзистора от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Существуют линейные искажения трех видов: частотные, фазовые и переходные.