Основные параметры усилителей

При усилении электрических сигналов неизбежно возникают некоторые отклонения формы выходного сигнала от формы входного, которые называют искажениями. Свойства усилителя и вносимые им искажения характеризуют рядом величин, которые обычно называют показателями или параметрами. К основным параметрам относятся следующие.

Входные параметры усилителя — входное напряжение , ток , мощность , при которых усилитель отдает в нагрузку заданные мощность, напряжение или ток, а также входное комплексное сопротивление усилителя , которое в некоторых случаях можно считать активным, равным .

Выходные параметры усилителя — выходная мощность сигнала , выделяемая в нагрузке, выходные напряжение или ток при работе усилителя на расчетное комплексное сопротивление нагрузки , выходное сопротивление усилителя . Если считают, что нагрузка не комплексная, то ее сопротивление активное и равно .

Основным количественным параметром усилителя является его коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициент усиления по напряжению , по току и по мощности . Коэффициенты усиления являются отношениями соответствующих величин на выходе и входе усилителя:

.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Если усилитель состоит из нескольких последовательно включенных усилительных каскадов, то общий коэффициент усилителя определяется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:

.

Если используется логарифмическая форма представления коэффициентов усиления, то общий коэффициент усиления находится как сумма коэффициентов усиления каскадов:

.

Обычно в усилителях присутствуют реактивные элементы, поэтому коэффициенты передачи будут различны при различных частотах входного сигнала. Кроме того, при усилении гармонического сигнала будет наблюдаться фазовый сдвиг выходного сигнала от входного. Следовательно, в общем случае коэффициент усиления является комплексной функцией частоты входного сигнала — . Модуль этой величины носит название амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), аргумент — фазо-частотной характеристики (ФЧХ).

Важным параметром усилителя является коэффициент полезного действия:

,

где — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Искажения, неизбежно вносимые усилителем во входной сигнал, подразделяются на линейные и нелинейные. Линейные искажения вызываются наличием в схеме усилителя реактивных элементов — конденсаторов и катушек индуктивности, сопротивление которых зависит от частоты. Поскольку это линейные* элементы, искажения называют линейными. Наиболее просто проследить возникновение линейных искажений на примере прохождения через усилитель гармонического сигнала. Пусть комплексный коэффициент усиления по напряжению определяется выражением . Модуль этого выражения (АЧХ) равен и показывает, как соотносятся амплитуды гармонических сигналов на выходе и входе усилителя. На рис. 47,а представлен график зависимости . Из графика отчетливо видно изменение коэффициента усиления с изменением частоты.

Аргумент комплексного коэффициента усиления (ФЧХ) равен

и показывает сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного. График этой зависимости показан на рис. 47,б. На рисунках использован логарифмический масштаб по оси частот, что широко используется при построении графиков частотных характеристик.

а)	б)
Рис. 47	л9р2

Рис. 48

Как видно из графика ФЧХ, фазы входного и выходного сигналов не совпадают, причем разность фаз зависит от частоты. Таким образом, гармонический сигнал частотой w при прохождении через усилитель будет усилен (ослаблен) по амплитуде в раз, а его фаза изменится на радиан (градусов). Однако форма выходного сигнала не будет отличаться от формы входного гармонического сигнала (рис. 48).

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение модуля коэффициента усиления, называют полосой пропускания. Полоса пропускания ограничивается нижней и верхней граничными частотами, которые определяются назначением усилителя. Звуковые колебания в диапазоне частот f =50...10000 Гц обеспечивают достаточно хорошее качество звучания, в телефонной связи используется диапазон частот 300...3400 Гц.

Частотные искажения, вносимые усилителем на какой-то частоте f, оценивают коэффициентом частотных искажений:

,

где — коэффициент усиления в полосе пропускания усилителя; — коэффициент усиления на заданной частоте . Напомним, что циклическая частота сигнала , измеряемая в «Гц», связана с круговой частотой , измеряемой в «», простым соотношением: .

Если , то частотные искажения отсутствуют. Чем Мбольше единицы, тем больше вносимые усилителем искажения. Коэффициент частотных искажений выражают как в относительных единицах, так и в логарифмических. Соотношение между ними: .

Обычно в зависимости от назначения усилителя допустимые частотные искажения лежат в интервале сотые доли децибела — несколько децибел.

Как известно, входной сигнал любой формы (негармонический сигнал) можно представить как сумму гармонических составляющих. Эти составляющие будут иметь различные частоты и, соответственно, будут усиливаться неодинаково. В результате исходный сигнал претерпит изменения, которые называют частотными. Кроме того, гармонические составляющие сигнала, проходя через усилитель, изменят свои фазы, что приведет к фазовым искажениям исходного сигнала.

В электронных устройствах, используемых в системах автоматики, часто решается задача усиления импульсных сигналов. В этом случае важным фактором качественной работы усилителя является малость его переходных искажений. В общем случае переходные искажения являются формой проявления рассмотренных ранее линейных амплитудных и фазовых искажений. Однако последние удобно использовать для характеристики усилителей, работающих с периодическими (или непериодическими продолжительными по времени) сигналами. При работе с импульсными, т. е. кратковременными сигналами более наглядна характеристика усилителя через переходные искажения.

Переходные искажения оцениваются по переходным характеристикам, представляющим собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения или тока от времени tпри подаче на вход усилителя мгновенного скачка напряжения или тока. На рис. 49 показан импульс, поступающий на вход усилителя, и переходная характеристика этого усилителя.

Рис. 49	л9р5

Переходные искажения подразделяют на искажения фронтов и искажения вершин импульса. Искажения фронта характеризуются временем установления и выбросом фронта импульса . Время установления — это интервал времени, в течение которого напряжение выходного импульсного сигнала возрастает от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения.

Выброс фронта характеризуется отношением разности между максимальным и установившимся значениями напряжения выходного сигнала к установившемуся значению. Через абсолютную величину можно охарактеризовать выброс среза импульса. Обычно считается, что , однако в реальных усилителях отличие в этих величинах может быть существенным.

Искажения вершины импульса характеризуются ее скосом. В общем случае переходные искажения приводят к тому, что форма импульса на выходе усилителя не соответствует форме входного импульса. Допустимые величины переходных искажений зависят от назначения усилителя и указываются в технических требованиях на него.

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, т. е. способность 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 выходе усилителя к мощности шума на его входе , умноженному на коэффициент усиления по мощности :

.

Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряжений сигнала, которые данный усилитель может усилить без внесения помех и искажений сверх нормы, и равен отношению максимального напряжения входного сигнала к его минимальному напряжению : .

Обычно динамический диапазонвыражают в децибелах: .

Динамический диапазон усилителя определяют по амплитудной характеристике усилителя — зависимости установившегося значения выходного напряжения сигнала от входного (рис. 50).

Рис. 50	л9р6

В идеальном случае эта характеристика должна быть прямолинейной, угол ее наклона к оси абсцисс равен на данной частоте. При малых и больших значениях входного напряжения характеристика отклоняется от прямолинейной: в первом случае выходное напряжение усилителя определяется напряжением собственных шумов в выходной цепи , во втором — амплитудная характеристика искажается потому, что коэффициент усиления уменьшается из-за нелинейных искажений, вносимых усилительными элементами. Из рис. 50 следует, что усилитель целесообразно использовать в интервале от до .

Искажения формы усиливаемого сигнала вследствие нелинейности вольтамперных характеристик отдельных элементов схемы усилителя (усилительных элементов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, трансформаторов и т. д.) называются нелинейными искажениями. Причиной появления значительных нелинейных искажений могут быть и неправильный выбор режимов работы элементов схемы, чрезмерно большая амплитуда входного сигнала, неправильно рассчитанная индуктивность. При подаче на вход усилителя синусоидального сигнала нелинейные искажения вызывают появление на выходе усилителя высших гармонических составляющих, которые искажают форму входного сигнала. Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармоник (в процентах): , где , — действующие (амплитудные) значения i-й гармоники выходного тока и напряжения. Допустимое значение коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя.

Дата добавления: 2015-07-14