Основные характеристики и параметры усилителей

Электронный усилитель как функциональный узел радиоэлектронного устройства должен осуществлять по возможности неискаженную передачу сигналов с заданным значением коэффициента усиления К. Поскольку усиление осуществляется за счет перераспределения энергии источника питания, то этот процесс должен быть достаточно экономичным. Кроме того, усилители, являясь частью радиоэлектронной цепи, должны как можно меньше оказывать влияния на работу ее предыдущих и последующих участков. Количественная оценка свойств электронного усилителя производится по совокупности специальных и общепринятых для линейных цепей характеристик и параметров.

Наиболее информативной характеристикой усилителя является его комплексный коэффициент усиления

, (4.1)

где А_вх, А_вых – комплексные амплитуды (напряжения, тока или мощности) усиливаемого и усиленного сигналов соответственно.

Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности:

, , , (4.2)

где U_вх, I_вх Р_вх – значения напряжения, тока и мощности на входе усилителя; U_вых, I_вых Р_вых – значения напряжения, тока и мощности на выходе усилителя.

Как следует из выражения (4.2), коэффициент усиления показывает, во сколько раз амплитуда напряжения, ток или мощность выходного сигнала превышает амплитуду входного напряжения, тока или входную мощность.

На практике находит применение измерение коэффициентов усиления в децибелах (дБ), которые являются логарифмическими единицами:

, , . (4.3)

Полоса пропускания усилителя D f_п должна быть такой, чтобы в ее пределах с определенной степенью точности выполнялись условия неискаженной передачи сигналов для всех спектральных составляющих, находящихся в пределах ширины спектра D f_c усиливаемых сигналов (рис. 4.5).

Если входной сигнал имеет ограниченный спектр, то необходимо, чтобы D f_п = D f_c. Обеспечение в усилителе полосы пропускания большей, чем ширина спектра усиливаемого сигнала (D f_п > D f_c), также обеспечивает неискаженное усиление сигналов, однако это приводит к одновременному усилению шумов (помех), находящихся за пределами ширины спектра полезных сигналов. В итоге ухудшаются условия выделения усиленных сигналов на фоне шумов (помех).

Выбор (D f_п < D f_c) приводит к тому, что часть спектральных составляющих входных сигналов будет усиливаться с меньшим коэффициентом усиления, либо вообще исключаться из дальнейшей обработки (рис. 4.6). В результате в усилителе появляются искажения, которые называются частотными.

Данный вид искажений оценивается по величине коэффициента частотных искажений М, который обычно определяется для нижней F_мин и верхней F_макс частот спектра усиливаемых сигналов

, , (4.4)

где К_{U o} – коэффициент усиления по напряжению на средних частотах, К_U (F_мин) – коэффициент усиления по напряжению на нижней частоте диапазона, К_U (F_макс) – коэффициент усиления по напряжению на верхней частоте диапазона. Уровень частотных искажений считается удовлетворительным, если

.

Способности усилителя осуществлять неискаженное усиление сигналов можно оценить также по его амплитудной (проходной) характеристике (рис. 4.7):

.

Как видно из рисунка, лишь в ограниченном интервале изменения входного напряжения U_{m вхmax} – U_{m вх min} выходное напряжение усилителя можно считать пропорциональным входному

U_{m вх min} = К_U U_{m вх max}.

Этот интервал характеризует динамический диапазон усилителя D, определяемый соотношением

[ дБ ], (4.5)

где U_{m вх макс} и U_{m вх мин} – максимальное и минимальное значения амплитуд входных сигналов, для которых еще выполняется условие К_U = const.

Отклонение зависимости U_{m вых} = f(U_{m вх}) от линейной приводит к появлению так называемых нелинейных искажений, которые связаны с появлением в выходном сигнале новых гармоник, не содержащихся во входном воздействии (рис. 4.8).

Степень искажения входного сигнала за счет появления новых спектральных компонентов на выходе усилителя характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник), определяемых следующим образом:

, (4.6)

где U _{1 m} и P ₁ – напряжение и мощность полезного сигнала на входе усилителя; U _{2 m}, P ₂, U _{3 m}, P ₃ – напряжение и мощности соответствующих гармоник.

Оценка экономичности усилителей осуществляется по величине коэффициента полезного действия, который представляет собой отношение мощности выходного (полезного) сигнала Р_вых, отдаваемой в нагрузку к мощности Р_п, потребляемой от источника питания

. (4.7)

Коэффициент полезного действия является одним из основных параметров усилителей мощности. Обычно h = 0,3…0,8.

Влияние усилителя на предыдущие и последующие участки электрических цепей определяется величинами его входного R_вх и выходного R_вых сопротивлений

, (4.8)

где u_вх, u_вых, i_вх, i_вых – мгновенные; U_вх, U_вых, I_вх, I_вых – действующие значения напряжения и токов.

Дата добавления: 2015-10-28