Основные характеристики и параметры усилителей

К ним относят входные параметры усилителя – входное напряжение Uвх, ток Iвх, мощность сигнала Pвх и входное сопротивление усилителя Rвх.

Выходные параметры усилителя – выходная мощность сигнала Pвых, выделяемая в нагрузке, выходные напряжение Uвых(Uн) или ток Iвых(Iн), определяемые при работе усилителя на расчетное сопротивление нагрузки Rн. Тогда Uн = RнIн, Pн = IнUн = Rн = /Rн.

Коэффициент усиления по напряжению:

= / .

Коэффициент усиления по току:

= / .

Коэффициент усиления по мощности:

Kp = Pн/Pвх.

Коэффициенты и - комплексные величины, поскольку выходные и входные напряжения и токи сдвинуты по фазе относительно друг друга из-за реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и нагрузки:

= K ,

где K – модуль коэффициента усиления; φ – фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями (токами) усилителя.

Если усилитель является многокаскадным, то общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

= … .

Коэффициент полезного действия (КПД) выходной цепи усилительного элемента – отношение мощности в нагрузке Pн к потребляемой выходной цепью мощности от источника питания Pп:

 

η = Pн/Pn.

Входной сигнал любой формы можно представить как сумму гармонических составляющих сигнала, имеющих различные частоты и усиливающихся неодинаково, т.е. с различными коэффициентами усиления в течение неодинакового времени, что приводит их к временным сдвигам на выходе усилителя, т.е. возникают искажения, которые называются фазовыми. Частотные искажения оцениваются по амплитудно-частотной (частотной) характеристике (АЧХ) усилителя, представляющей собой зависимость модуля коэффициента усиления K от частоты f (или угловой частоты ω).

Собственные шумы (помехи) усилителя – это сигналы на выходе усилителя, существующие и при отсутствии усиливаемых сигналов на его входе. Напряжение собственных шумов усилителя ограничивает его чувствительность. Из-за наличия шумов нельзя усиливать сколь угодно малые сигналы.

Собственные шумы возникают в основном за счет теплового, беспорядочного движения электронов в элементах схемы и хаотического теплового движения носителей заряда в области базы биполярных транзисторов. Собственные шумы оценивают по коэффициенту шума, равному отношению мощности шума на его входе Pш.вх, умноженному на коэффициент усиления по мощности Kp:

 

= Kp.

 

Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряжений сигнала, которые данный усилитель может усиливать без внесения помех и искажений, и равен отношению максимального напряжения входного сигнала Uвх.max к его минимальному напряжению Uвх.min:

Dус = .

 

Динамический диапазон усилителя определяют по амплитудной характеристике усилителя – зависимости установившегося значения выходного напряжения Uвых от входного Uвх (рис. 1.2)

 

Рис. 1.2. Амплитудная характеристика усилителя

 

Нелинейные искажения – это искажения формы усиливаемого сигнала на выходе вследствие нелинейности вольтамперных характеристик отдельных элементов схемы усилителя (усилительных элементов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками и т.д.) Причиной появления значительных нелинейных искажений могут быть и неправильный выбор начального положения рабочей точки транзистора, чрезмерно большая амплитуда входного сигнала. Нелинейные искажения при подаче на вход усилителя чисто синусоидального сигнала вызывают появление на его выходе высших гармонических составляющих, которые искажают форму входного сигнала.

Обратная связь в усилителях

Обратной связью (ОС) называют передачу усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную цепь.

На рис.1.3 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом передачи, или коэффициентом обратной связи , показывающим, какая часть выходного сигнала передается на вход усилителя. На практике < 1. Обратная связь может быть внутренней (она проявляется в усилителе из-за физических свойств усилительных элементов), паразитной (из-за образования паразитных емкостных и индуктивных связей между выходной и входной цепями) и искусственной (ее создают специально). Внутренняя и паразитная ОС являются нежелательными, и их пытаются устранить. Искусственную ОС применяют с целью уменьшения нелинейных искажений и стабилизация положения рабочей точки режима работы усилителя (точки покоя). Для этого с помощью обратной связи на вход подают напряжение точно в противофазе с ЭДС источника сигнала. Такую ОС называют отрицательной.

Рис.1.3. Структурная схема усилителя с обратной связью

Если напряжение обратной связи подать точно совпадающим по фазе с ЭДС источника сигнала, то сигнал на входе увеличится. Такую ОС называют положительной. Ее используют, например, в автогенераторах для поддержания автоколебаний.

В зависимости от того, каким образом цепь ОС присоеденена к выходу и входу усилителя, различают следующие виды ОС: обратную связь по напряжению – цепь ОС соединяют с выходом схемы параллельно нагрузке так, что напряжение ОС пропорционально напряжению нагрузки усилителя (рис. 1.4 а); обратную связь по току – цепь ОС соединяют с выходом схемы последовательно с нагрузкой так, что напряжение ОС пропорционально току в нагрузке (рис. 1.4 б); обратную связь последовательную – цепь ОС подключают со стороны входа, где она соединена последовательно с источником сигнала (рис. 1.4 в); обратную связь параллельную – цепь ОС со стороны входа соединена параллельно с источником сигнала (рис. 1.4 г). Существуют также комбинированные (смешанные) обратные связи: ОС одновременно по току и напряжению, а также ОС, одновременно выполненная последовательной и параллельной.

Рис. 1.4. Обратные связи

а – по напряжению; б – по току; в – последовательная; г - параллельная

Усилители мощности

С помощью усилителя мощности на заданной нагрузке обеспечиваются нужные выходные напряжение и ток, т. е. требуемая мощность. Нагрузкой служат устройства, производящие определенную работу, например громкоговорители, ультразвуковые преобразователи, приводные механизмы, радиопередающие узлы.

Простейший усилитель мощности — так называемый эмиттерный повторитель (рис. 1.5). Резистор R э включен в цепь эмиттера биполярного транзистора VT. Состояние покоя задается делителем напряжения — резисторами R 1 и R 2. При подаче входного напряжения u вх возникают переменные составляющие напряжения база–эмиттер u БЭ, тока эмиттера i Э и напряжения эмиттера u Э. Поскольку напряжение u БЭ мало, то переменное напряжение эмиттера u Э.пер повторяет входное напряжение u вх, поэтому

u Э.пер ≈ u вх. Переменное напряжение эмиттера передается на нагрузку R н, и u вых ≈ u Э. пер. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Переменная составляющая тока эмиттера i Э.пер распределяется в параллельно соединенных резисторах R Э и R н. Коэффициенты усиления каскада по току и мощности зависят от их сопротивления. Входное сопротивление каскада большое. Управляющее напряжение

u БЭ. пер = u вх – u Э. пер = u вх – u вых.

Это означает, что в каскаде действует отрицательная обратная связь: на входную цепь база–эмиттер подается выходное напряжение с обратным знаком относительно входного.

В отсутствие входного напряжения эмиттерный повторитель потребляет энергию, и КПД каскада не превышает 0,25. Сопротивление нагрузки может быть небольшим, тем не менее выходная мощность невелика.

При большей мощности применяют трансформаторные или бестрансформаторные двухтактные усилители, в которых в состоянии покоя усилительные приборы закрыты и энергия усилителем не потребляется. При этом положительные и отрицательные части входного сигнала усиливаются данными приборами по отдельности. Использование трансформатора приводит к увеличению размеров и массы усилителя, ухудшает его частотные свойства.

Рис. 1.5. Схема эмиттерного повторителя

ГЛАВА 2