II.2. Принцип работы усилителя

· усилители, построенные на усилительных элементах других типов.

I.3. Основные технические показатели усилителей.

Данные, характеризующие свойства усилителя, называются его показателями.

К основным показателям усилителя относятся:

· входные и выходные данные;

· коэффициент усиления;

· коэффициент полезного действия (КПД);

· частотные характеристики (амплитудно-частотная и фазо-частотная);

· переходная характеристика;

· амплитудная характеристика и динамический диапазон;

· нелинейные искажения.

В некоторых случаях приводятся и другие данные усилителя (габариты, вес, надёжность, стабильность работы и т.п.). Эти параметры, в зависимости от условий работы усилителя, иногда становятся определяющими. Однако часто они не имеют особого значения, поэтому здесь мы их рассматривать не будем.

Входные и выходные данные.

Входными данными усилителя являются: его входное напряжение (U_ВХ), входной ток (I_ВХ) и входная мощность сигнала (P_ВХ), при которых усилитель отдаёт в нагрузку заданную мощность, ток или напряжение, а также входное сопротивление усилителя (Z_Вх). Входное сопротивление усилителя в общем случае является комплексной величиной, но входные данные обычно определяют в условиях, при которых входное сопротивление можно считать чисто активным и равным R_ВХ; в этом случае:

U_ВХ = I_ВХ × R_ВХ;

R_ВХ = U_ВХ / I_ВХ; } ……………………………….. (1.1)

P_ВХ = U_ВХ ×I_ВХ.

К выходным данным относятся: расчётная, т.е. заданная техническими требованиями, мощность сигнала (Р_НАГР), отдаваемая усилителем в нагрузку и называемая выходной мощностью усилителя; выходное напряжение сигнала (U_ВЫХ) или выходной ток сигнала (I_ВЫХ), отдаваемые усилителем при работе его на расчётное сопротивление нагрузки (Z_НАГР), а также выходное сопротивление усилителя (Z_ВЫХ).

Сопротивление нагрузки в общем случае является комплексной величиной, однако выходную мощность, ток и напряжение также обычно определяют в условиях, при которых нагрузку можно считать активной и равной R_НАГР;

в этом случае:

U_ВЫХ = I_ВЫХ×R_НАГР;

P_ВЫХ = I_ВЫХ ×U_ВЫХ = I²_ВЫХ ×R_НАГР = U²_ВЫХ / R_НАГР ……….. (1.2)

Выходное сопротивление усилителя в общем случае также комплексно, однако оно редко является существенным показателем, а поэтому обычно не указывается.

Коэффициенты усиления.

Различают следующие коэффициенты усиления:

1. По напряжению: К_U = U_ВЫХ / U_ВХ. Обычно коэффициент усиления по напряжению называют просто коэффициентом усиления усилителя (К) и обозначают без индекса.

2. По току: К_I = I_ВЫХ / I_ВХ.

3. По мощности: К_Р = Р_ВЫХ / Р_ВХ

Коэффициенты усиления по напряжению и по току являются комплексными величинами, т.к. выходное напряжение и ток из-за наличия в нагрузке и цепях усилителя реактивных составляющих сопротивления сдвинуты по фазе относительно входных значений напряжения и тока.

Для многокаскадного усилителя, содержащего nкаскадов, общий коэффициент усиления определяется выражением

К_S = К₁ × К₂ × К₃ × ……. × К_n ……………….. (1.3)

Чаще наиболее удобным является представление коэффициента усиления в логарифмических единицах (децибелах), для чего пользуются соотношениями:

К(дб) = 20lgK; К_I(дб) = 20lgK_I ; K_P(дб) = 10lgK_Р …… (1.4)

При этом коэффициент усиления многокаскадного усилителя в логарифмических единицах будет иметь выражение:

К_S(дб) = К₁ + К₂ + К₃ + ……. + К_n …….. (1.5)

Коэффициент полезного действия.

Для оценки экономичности работы мощных усилителей используют понятие коэффициента полезного действия (h), равного отношению отдаваемой усилителем в нагрузку мощности сигнала Р_НАГР к суммарной мощности Р_S, потребляемой им от всех источников питания:

h = Р_НАГР / Р_S …………………. (1,6)

Частотные характеристики.

Так как коэффициент усиления усилителя при изменении частоты изменяется как по модулю, так и по фазе, отдельные гармонические составляющие сложного электрического сигнала, подаваемого на вход усилителя, усиливаются неодинаково и сдвигаются на различное время; обе эти причины приводят к изменению формы выходного сигнала. Изменения формы сигнала, вызываемые неодинаковым усилением различных частот, называют частотными искажениями; искажения формы, вызываемые сдвигом фазы, вносимым усилителем, называют фазовыми искажениями.Как частотные, так и фазовые искажения обусловлены линейными элементами схемы усилителя, т.е. элементами, подчиняющимися закону Ома; поэтому их называют линейными искажениями.

Оценку вносимых усилителем частотных искажений производят по его амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), представляющей собой зависимость модуля коэффициента усиления (К) от частоты при постоянной амплитуде сигнала на входе усилителя, т. е.

К = f (F) при U_ВХ = Const, где F – частота сигнала на входе усилителя.

АЧХ усилителя имеет вид, показанный на рис.1.1.

Рис.1.1. Частотная характеристика усилителя

Оценку частотных искажений, вносимых усилителем на любой частоте, производят с помощью коэффициента частотных искажений, обозначаемого через «М» и равного отношению коэффициента усиления усилителя на средней частоте к коэффициенту усиления на низшей (или высшей) частоте спектра усиливаемого сигнала:

М_Н = К_СР / К_Н ;

М_В = К_СР / К_В …………….. (1.7)

Чем больше величина М отличается от единицы, тем больше вносимые усилителем искажения. При М =1 частотные искажения в усилителе отсутствуют.

Коэффициент частотных искажений часто выражают в логарифмических единицах, при этом используется соотношение:

М (дБ) = 20 lgM ……………….. (1.8)

Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя и может изменяться в широких пределах. Например, для усилителей звуковых частот радиоаппаратуры среднего качества допускают частотные искажения порядка ± (2 ¸ 4) дБ, почти незаметные на слух; для высококачественных усилителей, используемых в измерительной аппаратуре, допустимые искажения определяются необходимой точностью аппаратуры и могут составлять доли децибела.

Оценку фазовых искажений, вносимых усилителем, производят по его фазо-частотной (фазовой) характеристике, представляющей зависимость угла сдвига фазы jмежду выходным и входным напряжениями от частоты, построенной в линейном масштабе по обеим осям. Для удобства оценки фазовых искажений фазовую характеристику усилителя строят отдельно для нижних и верхних частот (рис.1.2а,б).

Рис.1.2. Фазовые характеристики и оценка фазовых искажений на частотах:

а – нижних; б – верхних.

По вертикальной оси здесь откладывают угол сдвига фазы jмежду выходным и входным напряжениями в градусах, а по горизонтальной – частоту fв герцах или круговую частоту w.

Идеальной фазовой характеристикой усилителя, при которой он не вносит фазовых искажений, является прямая, проходящая под любым углом через начало координат, так как при этом все гармонические составляющие сложного сигнала сдвигаются усилителем на одно и то же время, и форма выходного сигнала не отличается от формы входного. Поэтому вносимые усилителем на какой-либо произвольно выбранной частоте f_i фазовые искажения оценивают не по абсолютному значению угла сдвига фазы j,а по разности ординат фазовой характеристики и касательной к ней, проведённой через начало координат (штриховые прямые на рис.1.2). В области верхних частот фазовые искажения Ф_В обычно оказываются много меньше угла сдвига фазы на этих частотах j_В (см. рис.1.2б); в области же нижних частот касательная к фазовой характеристике вследствие сильного растяжения масштаба горизонтальной оси практически сливается с горизонтальной осью, и фазовые искажения Ф_Нравны углу сдвига фазы j_Н (рис.1.2а). Искажения сигнала из-за изменения фазовых соотношений между гармоническими составляющими на выходе усилителя иллюстрируются на рис.1.3.

Рис.1.3. К вопросу о фазовых искажениях.

На рис.1.3а, сплошной линией изображён входной сигнал, состоящий из синусоидального колебания и его третьей гармоники (третья гармоника изображена пунктиром). Если, например, при прохождении через усилитель первая и третья гармоника сдвигаются по фазе на 90^º , то форма выходного сигнала (рис.1.3б, сплошная линия) будет резко отличаться от формы входного. Если же основное колебание (т.е. первая гармоника) сдвинется на 90º, а его третья гармоника - на 90 x 3 = 270º, т.е. сдвиг фазы будет пропорционален частоте (рис.1.3в), выходной сигнал по форме не отличается от входного, лишь запаздывая по времени по отношению к нему.

Исследования показали, что сдвиг фазы гармонических составляющих сложного периодического сигнала на слух практически не ощущается, несмотря на то, что при этом искажается его форма; поэтому в усилителях звуковых частот фазовые искажения обычно не ограничивают. В видеоусилителях телевизионных, радиолокационных сигналов и измерительных устройств (осциллографов и т.п.) фазовые искажения приводят к сильным отличиям изображения на экране от действительной формы электрического колебания. Например, сдвиг фазы основной гармоники сложного колебания на (7 – 10)° заметно искажает его форму. Поэтому для высококачественных усилителей в области нижних частот допускаются фазовые искажения не более (3 – 5)°. Фазовые искажения в области верхних частот меньше отражаются на форме изображения и даже в высококачественных усилителях допускаются до (20 – 30)°. Вследствие связи фазовой характеристики усилителя с его частотной характеристикой даже при проектировании видеоусилителей редко пользуются фазовой характеристикой, т.к. заданием АЧХ определённого вида обычно удаётся удержать фазовые искажения в допустимых пределах.

Переходная характеристика.

В импульсных усилителях (видеоусилителях) линейные искажения усиливаемых сигналов обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные сопротивления. Поэтому частотные и фазовые характеристики, определяющие свойства усилителя в установившемся режиме, здесь непригодны. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных усилителях переходными искажениями, используют переходную характеристику, представляющую собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения (тока) сигнала от времени при мгновенном (скачкообразном) изменении напряжения (тока) во входной цепи усилителя. Подробно рассматривать этот вид искажений здесь мы не будем.

Амплитудная характеристика и динамический диапазон.

Амплитудной характеристикой усилителя называют зависимость амплитуды (или действующего значения) напряжения сигнала на выходе от амплитуды (или действующего значения) напряжения сигнала на входе (рис.1.4).

Рис.1.4. Амплитудная характеристика усилителя

Так как коэффициент усиления идеального усилителя представляет собой постоянную величину, не зависящую от величины входного сигнала, его амплитудная характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя (рис.1.4, пунктир). Амплитудная характеристика реального усилителя (рис.1.4, сплошная линия) не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке U_Ш, так как при отсутствии входного сигнала выходное напряжение усилителя равно напряжению собственных шумов в его выходной цепи U_Ш. При слишком больших входных напряжениях реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной, изгибаясь вследствие перегрузки нелинейных усилительных элементов, содержащихся в схеме усилителя, в основном потому, что амплитуда сигнала на последнем (выходном) УЭ при этом выходит за пределы рабочего участка его характеристик.

Из рис.1.4 видно, что реальный усилитель может усиливать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже U_ВХ.МИН., т.к. более слабые сигналы будут маскироваться напряжением собственных шумов усилителя U_Ш, и не выше U_{ВХ.МАКС.}, т.к. иначе усилитель будет работать в нелинейном режиме и поэтому вносить очень большие нелинейные искажения. Отношение U_{ВХ.МАКС.} / U_ВХ.МИН. характеризует диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данным усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя: