Основные параметры усилителей.

Усилители электрических сигналов

1. Классификация, основные пара­метры и характеристики усилителей

Классификация усилителей

- по роду уси­лительных элементов:

o ламповые,

o транзисторные;

- по характеру усиливаемых сигналов:

усилители аналоговых сигналов,

усилители импульсных сигналов;

- по роду усиливаемой величины:

o усилители напряжения,

o тока,

o мощности;

- по числу каскадов:

o одно,

o двух,

o многокаскадные;

- по диапазону частот усиливаемых сиг­налов:

§ усилители постоянного тока,

§ усилители переменного тока:

· усилители низкой частоты (звуковой, f< 30 кГц),

· усилители высокой частоты (30 кГц < f< 300 МГц),

· усилители сверхвысокой частоты (f> 300 МГц);

§ широкополосные усилители,

§ избирательные усилители.

Усилители низкой частоты (УНЧ) служат для усиления непрерывных периоди­ческих сигналов в диапазоне низких частот (от десят­ков герц до десятков килогерц). Особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты.

Широкополосные усилители усиливают сигналы в единицы и десятки мегагерц.

Избирательные усилители, характери­зующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот. (1-1, 1). Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

Импульсные, или широкополосные, усилители работают в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и исполь­зуются в устройствах импульсной связи, радиолока­ции и телевидения.

Основные параметры усилителей.

Основным количественным параметром усилителя яв­ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци­онального назначения усилителя различают коэффициен­ты усиления по напряжению К _u, току K _i или мощности К_р:

, ,

где - амплитудные значения переменных состав­ляющих соответственно напряжения и тока на входе;

амплитудные значения переменных сос­тавляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

— мощности сигналов соответственно на вхо­де и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Кu (дБ)= 201gKu; Кi (дБ) = 201gKi; Кр(дБ) = lOlgKp.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиле­ния отдельных его каскадов:

К = K₁ К₂ К_n.

Если ко­эффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициен­тов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где - модуль коэффициента усиления;

- сдвиг фаз между входным и выходным напряже­ниями.

Помимо коэффициента усиления важным количест­венным показателем является коэффициент полезного действия

где — мощность, потребляемая усилителем от источ­ника питания.

К количественным показателям усилителя относятся также входное и выходное сопротивления усили­теля:

,

где и — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

, приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

1.3. Основные характеристики усилите­лей.

Амплитудная характеристика — это зависимость амп­литуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).

Идеальная

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при , точка 2 - минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2—3 — это рабочий участок, на котором сохраня­ется пропорциональность между входным и выходным на­пряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются не­линейные искажения входного сигнала.

Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом не­линейных искажений (или коэффициентом гармоник):

Рассмотрим пример возникновения нелинейных иска­жений.

При подаче на базу транзистора относительно эмитте­ра напряжения синусоидальной формы в силу нели­нейности входной характеристики транзистора входной ток транзистора (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем по­является ряд высших гармоник. Из приведенного приме­ра видно, что нелинейные искажения зависят от ампли­туды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в много­каскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых посту­пают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ при­ведена на рис.

Частоты и называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность ( - ) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно ма­лой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, со­держащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются уси­лителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

,

где - модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений и называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом мас­штабе.

В этом случае она называется ЛАЧХ, ко­эффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интер­вал частот между 10f и f. Обычно в качестве точек отсче­та выбирают частоты, соответствующие . Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Типовая ФЧХ приведена на рис.

f_Н f_В f

Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения ми­нимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис., где показано усиление входного сигнала, со­стоящего из двух гармоник (пунктир), которые при уси­лении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя — это зависи­мость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис.).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная.характеристика в области малых времен, области нижних частот — переход­ная характеристика в области больших времен.

— выброс фронта импульса — спад вершины импульса