Основные характеристики усилителей.

Лекция 9. Обеспечение положения рабочей точки и отрицательная обратная связь в усилителях.

Усилительные устройства.

Усилителем называется электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требуемая для управления, как правило, меньше мощности отдаваемой в нагрузку, а форма выходного сигнала совпадает с формой входного.

Усилители классифицируются по следующим признакам:

а) по частоте управляемого сигнала (усилители низкой частоты - УНЧ-для усиления сигналов от десятков Гц до десятков кГц; широкополосные усилители для усиления сигналов от единиц Гц до десятков МГц; избирательные усилители, усиливающие сигналы в узкой полосе частот);

б) по роду усиливаемого сигнала (усилители постоянного тока – УПТ и усилители переменного тока);

в) по функциональному назначению (усилители напряжения, тока и мощности, в зависимости от того, какой параметр необходимо усиливать).

Основными качественными показателями усилителей являются коэффициенты усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К_U, току К_I или мощности К_P:

K_U = U _ВЫХ /U_ВХ ; K_I = I_ВЫХ / I_ВХ ; K_Р=Р_ВЫХ / Р_ВХ ,

где U_ВХ ,I_ВХ ,P_ВХ – амплитудные значения переменных составляющих напряжения, тока и мощности на входе усилителя, а U_ВЫХ , I_ВЫХ , P_ВЫХ - амплитудные значения переменных составляющих напряжения, тока и мощности на выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах – дБ:

K_U (дБ)= 20 lgK_U ; K_I (дБ)= 20lg K_I ; K_Р (дБ)= 10 lg K_P.

Если усилитель состоит из нескольких каскадов, то его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: К = К₁ ·К₂ …· К_n.

При выражении коэффициента усиления в дБ, общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

K (дБ) = K₁ (дБ) + K₂(дБ) + ……..+ K_n (дБ).

Обычно в усилителях содержатся реактивные элементы, поэтому коэффициент усиления определяется комплексной величиной:

K_U = K_U е^jφ,

где K_U = U _ВЫХ /U_ВХ - модуль коэффициента усиления,

φ – сдвиг фаз между напряжением на входе и напряжением на выходе.

Важным количественным показателем является коэффициент полезного действия, который определяется чаще всего для мощных выходных каскадов:

η= Р_ВЫХ / Р_ИСТ ,

где Р_ИСТ – мощность, потребляемая от источника питания.

К количественным показателям усилителя относятся величины входного и выходного сопротивлений усилителя:

R _ВХ = U_ВХ /I_ВХ ; R_ВЫХ = |ΔU_ВХ /ΔI_ВХ| ,

где ΔU_ВХ и ΔI_ВХ - приращение амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя.

Основные характеристики усилителей.

1.Амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения (или тока) от амплитуды входного напряжения (или тока), рис 1.

Рис. 1. Амплитудная характеристика усилителя.

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеренных при U_ВХ = 0. Точка 2 соответствует минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различить сигнал на фоне шума. Участок характеристики между точками 2 и 3 является рабочим участком. В этой области сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 в выходном сигнале наблюдаются искажения. Степень искажения сигнала определяется коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

К_Г = 100%,

где U₁ , U₂ , U_3, U_n– амплитуды 1-ой, 2-ой, 3-ей и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Динамический диапазон усилителя характеризуется отношением максимального напряжения на входе к минимальному, которые определяют линейный участок на характеристике:

D = U_{ВХ max} / U_{Вх vin}

Нелинейность амплитудной характеристики является следствием нелинейности входной характеристики i_б= f(u_бэ) транзистора, используемого в качестве усилительного элемента. При подаче на базу транзистора напряжения синусоидальной формы, в зависимости от амплитуды входного сигнала и выбора положения начальной рабочей точки, входной ток, а следовательно выходной ток могут отличаться по форме от синусоиды. Искаженный сигнал содержит в своем составе высшие гармоники.

На рис. 2 представлены три режима работы усилителя в зависимости от выбора положения рабочей точки.

Рис. 2. Положение рабочей точки для класса А.

На рис. 2 рабочая точка выбрана в середине линейного участка входной характеристики, а амплитуда входного сигнала не выходит за пределы этого линейного участка. В этом случае искажения в выходном сигнале отсутствуют и усилитель работает в режиме “класса А”.

На рис. 3 рабочая точка выбрана в начале входной характеристики, когда ток базы равен нулю (отсечка тока базы).

В этом случае в токе базы возникают искажения снизу, ток коллектора также имеет искажения снизу. Усилитель работает в режиме “класса В”.

Рис. 3. Положение рабочей точки для класса В.

В режиме “класса С” (рис. 4) рабочая точка выбирается при напряжениях, соответствующих обратному смещению перехода база-эммитер транзистора.

Рис. 4. Положение рабочей точки для класса С.

В этом случае в токе базы возникают искажения снизу (ток коллектора также искажен снизу). При значительном увеличении амплитуды входного сигнала могут возникнуть искажения сверху и снизу даже в случае выбора рабочей точки в середине линейного участка характеристики.

В усилительных каскадах используется режим “класса А”, в выходных каскадах может использоваться режим “класса В”, тогда усилители строятся по двухтактной схеме.