III. Временные характеристики усилителей

Все практические усилительные схемы усиливают мощность входного сигнала, однако в ряде случаев основным показателем усилителя являются величины выходных напряжения U_ВЫХ (U_H) или тока I_ВЫХ (I_H). Поэтому по назначению различают усилители мощности, напряжения и тока. В зависимости от характера входной и выходной величины сигналов различают: коэффициент усиления по напряжению К_U = U_ВЫХ /U_ВХ; коэффициент усиления по току К_I = I_ВЫХ /I_ВХ и коэффициент усиления по мощности К_Р = Р_ВЫХ /Р_ВХ = U_ВЫХ I_ВЫХ / (U_ВХ I_ВХ) = К_U К_{I .} По существу представленные коэффициенты усиления отражают АЧХ усилителя.

В усилителях в основном используются биполярные и полевые транзисторы, а новейшая усилительная техника базируется на линейных интегральных микросхемах. Усилительные элементы в усилителях могут работать в линейном и нелинейном режиме. Если усилительный элемент работает в линейном режиме, то усилитель относят к классу линейных, считают активным линейным четырехполюсником и на него распространяются все свойства линейных цепей. Если же усилительный элемент работает в нелинейном режиме, то усилитель является нелинейным устройством, хотя по форме выходной и входной сигналы практически всегда совпадают. Один из нелинейных режимов работы – ключевой.

По форме усиливаемых входных сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

В зависимости от значения нижней граничной частоты усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока. Современные УПТ способны усиливать и переменные сигналы, верхняя частота спектра которых достигает значения 100 МГц. Усилители переменного тока усиливают лишь гармонические составляющие сигнала в определенной полосе частот: от нижней f_Н до верхней f_В Среди усилителей переменного тока различают усилители низких (звуковых) частот (УНЧ; УЗЧ), усилители промежуточных частот (УПТЧ), усилители высоких частот (УВЧ), узкополосные (избирательные) и широкополосные (импульсные) усилители.

Усилителям низких частот свойственно усиление в частотном диапазоне от десятков Гц до десятков кГц. УПЧ применяются в диапазонах от сотен кГц до десятков МГц. УВЧ усиливают сигналы от сотен МГц до десяток ГГц.

Избирательные усилители работают в узкой полосе частот. Они делятся на резонансные и полосовые усилители. Отношение рабочей полосы частот к несущей частоте ∆f/f₀ составляет в них 0,005…0,1. на выходе резонансных усилителей обычно включены колебательные контуры.

Усилители, ширина полосы рабочих частот которых соизмерима со средней частотой этой полосы, относятся к широкополосным. Они предназначены для усиления импульсных сигналов. Усилитель называется широкополосным, если выполняется условие:

, (1)

где - средняя частота рабочей полосы.

Для узкополосного усилителя характерна узкая полоса усиливаемых сигналов и выполнение неравенства:

. (2)

Частотный коэффициент передачи является основным параметром усилителя. В большинстве случаев входные и выходные значения сигнала являются однотипными (ток, напряжение или мощность), поэтому частотных коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

Введем в рассмотрение комплексный коэффициент передачи по напряжению (КПФ):

(3)

где К – коэффициент усиления по напряжению (АЧХ);

-фаза входного напряжения;

- фаза выходного напряжения;

- фазовый сдвиг в усилителе (ФЧХ).

Аналогично можно рассмотреть коэффициент усиления по току или по мощности.

Зависимость коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной, а зависимость от частоты фазового сдвига фазочастотной характеристиками соответствующего коэффициента передачи. Рабочим диапазоном частот усилителя называют некоторый интервал значений от w_н до w_в, внутри которого коэффициент усиления напряжения уменьшается от максимального значения не более чем в раз (на 3 дБ в случае использования логарифмической характеристики рабочего усиления: А = 20 lg (U_ВЫХ/U_ВХ)) если нет иных требований. Например, усилители проводного вещания 1-го класса характеризуются неравномерностью усиления ± 2 дБ в полосе частот от 50 до 20000 Гц.

На рис. 3 представлены АЧХ: çH(jw)ç= К(w) и ФЧХ: Q(w) = j(w) усилителя.

Рис.3. а) – АЧХ усилителя, б) – ФЧХ – усилителя.

Искажения формы сигнала, вызванные неодинаковым усилением его спектральных составляющих, называют частотными искажениями. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М.

Коэффициентом частотных искажений называется отношение коэффициента усиления в области средних частот К_о к усилению на данной частоте К:

>1. (4)

При использовании транзистора в режимах близких к предельным возникают нелинейные искажения формы сигнала. Уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

, (5)

где Р₁,Р₂,…, Р_n; U₁, U₂,…, U_n; I₁, I₂,… I_n – мощности, напряжения и токи соответственно 1-, 2-, …, n – й гармонических составляющих входного сигнала.

Важную роль в проведении анализа работы схемы усилителя играет амплитудная характеристика. Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость действующего значения напряжения на выходе усилителя U_вых. от действующего значения гармонического напряжения, подведенного ко входу усилителя U_вх. Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического напряжения:

(6)

при частоте, равной средней частоте рабочей полосы частот усилителя w_о, изменяя напряжение входного сигнала от нуля, снимают зависимость выходного напряжения от входного .

Амплитудная характеристика изображена на рис. 4.

Рис.4. Амплитудная характеристика усилителя

На участке между точками U_{вх мин} и U_{вх макс} амплитудная характеристика имеет линейный участок.Таким образом, без искажений сигналы с амплитудой напряжения не выше U _{вх макс} и не ниже U _{вх мин}, отношение которых представляет динамический диапазон (дБ):

D_дБ=201g (U _{вх макс} / U _{вх мин}). (7)

При отсутствии полезного сигнала на входе, помехи создают напряжение U_п. Наличие этого напряжения обусловлено прежде всего собственными шумами резисторов и усилительных приборов, входящих в состав усилителя. У идеального усилителя амплитудная характеристика – прямая линия, проходящая через ось ординат в точке U _вх= U _ш, определяющейся напряжением собственных шумов усилителя. Участок U _вх< U _{вх мин} не используется, так как усиливаемый сигнал здесь не различим на фоне внутренних шумов усилителя. Изгиб амплитудной характеристики при U _вх> U _{вх макс} характеризует появление искажений формы выходного напряжения.

Входным сопротивлением усилителя называется отношение значений напряжения и тока на его входе:

(8)

Значение величины Z_вх очень важно, т.к. входное напряжение, а, следовательно, и напряжение на нагрузке значительно зависят от него.

Выходным сопротивлением усилителя называется отношение:

, (9)

Последний усилительный каскад работает непосредственно на нагрузку и называется выходным усилительным каскадом. Он усиливает колебания по мощности.

Перед выходным каскадом может быть несколько каскадов, которые называют соответственно входной и предварительные.

Данные типы усилительных каскадов, как правило, являются маломощными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В лекции были рассмотрены основные понятия и определения, касающиеся усилителей электрических сигналов, а также их классификация, параметры и характеристики. Необходимо отметить, что изложенный материал основывается на ранее изученной теме «Основы теории четырехполюсников» и дисциплине «Электроника».

Задание на самостоятельную работу:

1. Уяснить основные требования, предъявляемые к дисциплине, основные понятия и определения, технические показатели и характеристики АЭУ по материалам лекции и рекомендованной литературы.

2. Дополнить конспект лекции.

3. Из курса Электроники повторить устройство, принцип действия, характеристики биполярного транзистора.

Дата добавления: 2015-07-15