Основные параметры и характеристики усилителя

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от назначения усилителя различают коэффициент усиления по напряжению по току и мощности.

Коэффициент усиления по напряжению . Как видно в общем случаи коэффициент усиления представлен в комплексной форме, так как при усилении возможен сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением. , где К – модуль коэффициента усиления, - вносимый фазовый сдвиг.

При практических расчётах чаще всего используется модуль коэффициента усиления . Аналогично можно записать модуль коэффициента усиления по току и мощности ;

Не вызывает сомнение, что .

Если усилительное устройство состоит из нескольких каскадов, то общий коэффициент усиления

Очень часто модуль коэффициента усиления выражается в логарифмических единицах децибелах или неперах. - эта величина очень крупная называется Бела, поэтому используют десятую её часть. Тогда [дБ]. Если принять что Zвх = Zвых тогда коэффициент усиления по току [дБ] и напряжению [дБ]. Если коэффициент усиления взят в логарифмических единицах, то для многокаскадного усилителя [дБ].

Если единицы измерения в неперах, то

Усиление равное 1дб соответствует усилению по напряжению на 12%

Непер единица более крупная и соответствует 8,7 [дБ].

Другими не менее важными параметрами являются входное и выходное сопротивление усилителя т.к. они определяют возможности подключения источника входного сигнала с тем или иным входным сопротивлением. Входное и выходное сопротивление может быть найдено таким образом при Rн = const, для постоянного входного напряжения, или при Rн = const, для переменного входного напряжения.

В первом случаи входное сопротивление называется статическим, а во втором – динамическим.

при ;

Любой усилитель искажает входной сигнал. Это искажение связано с формой сигнала, но и с величиной коэффициента усиления, а так же изменением фазы между входным и выходным напряжением. Количественно эти искажения оцениваются соответствующими коэффициентами. К ним относятся коэффициент частотных и нелинейные искажения или коэффициент гармоник.

Коэффициент частотных искажений (М) связан с наличием реактивных элементов (C, L), которые присутствуют в усилителе в явном или паразитном виде. Как известное реактивное сопротивление зависит от частоты, а следовательно при изменении частоты от до будут меняться параметры усилителя, что приведёт к изменению коэффициента усиления этого усилителя. Коэффициент частотных искажений , где

- коэффициент искажения на средней частоте, равной

- коэффициент усиления на любой другой частоте.

Если на вход усилителя подаётся синусоидальный сигнал, то частотные искажения не приводят к искажению формы сигнала, в противном случаи, кроме изменения коэффициента усиления изменяется ещё и форма выходного сигнала, т.к. каждая гармоника входного сигнала будет усиливаться со своим коэффициентом усиления.

Коэффициент нелинейных искажений связан с наличием нелинейных элементов, которые присутствуют в усилителе и в первую очередь с нелинейностью ВАХ транзистора. Это наглядно видно на (рис 2).

На (рис. 2) Uсм – напряжение смещения постоянной величины, которое подаётся на вход усилителя.

Uвх – входное напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону.

- входная ВАХ транзистора

- выходное напряжение в функции .

Из этого рисунка видно, что выходное напряжение далеко не синусоидальной формы.

Количественно эти искажения могут быть найдены так , где

Р1 - мощность первой гармоники,

- сумма мощностей высших гармоник.

На практике чаще всего этот коэффициент рассчитывается через амплитуду токов гармоник. Принимая Rвых для всех гармоник одинаковым, можно коэффициент гармоник представить так:

Амплитуда гармоник находиться графическим методом.

Фазовые искажения определяется также реактивными элементами схемы усилителя. Как известно из теории электротехники .

На низких частотах угол сдвига положителен, а на высоких частотах отрицателен. Поскольку каждая гармоника определяет свою величину реактивного сопротивления то и сдвиг фазы для каждой гармоники будет свой, что приведёт к искажению формы входного сигнала.

Для усилителей мощности кроме рассмотренных параметров, важным параметром является коэффициент полезного действия , где

- полезная мощность на нагрузке;

- мощность, которую забирает усилитель от источника питания.

К основным характеристикам усилителя следует отнести амплитудную, амплитудно-частотную, фазовую и переходную характеристики. Амплитудная характеристика это зависимость при постоянной частоте входного сигнала, равной

. Для идеального усилителя эта характеристика проходит через ноль (рис. 3). Как видно эта характеристика имеет два участка: линейный и насыщение. Участок насыщения объясняется ограниченными возможностями усилителя, а именно величиной напряжения питания и величиной сопротивления в коллекторной цепи. Реально амплитудная характеристика при нуле входного напряжения имеет небольшое входное напряжение, которое в первую очередь связано с электромагнитными наводками и шумами присутствующих в усилителе. Амплитудно – частотная характеристика (АЧХ) это зависимость коэффициента усиления от частоты при постоянном входном напряжении (рис. 4). Как видно из АЧХ для усилителя, если он не избирательный в большом диапазоне частот коэффициент усиления остаётся постоянным. Объяснение это будет дано ниже.

- верхняя граница усиливаемых частот,

- нижняя граница усиливаемых частот.

Разница частот и называется полосой пропускания усилителя. Полоса пропускания это такой диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже значения . Поэтому этот диапазон находится на уровне .

Для избирательного усилителя полоса пропускания значительно меньше (рис. 5).

На (рис. 6) представлена АЧХ для усилителя постоянного тока. Как видно из рисунка, коэффициент усиления на частоте равна нулю такой же как и на средних частотах, что позволяет этому усилителю усиливать инфранизкие частоты.

Для удобства сравнения усилителей с разными коэффициентами усиления на средних частотах удобно пользоваться нормированной АЧХ. В этом случаи по вертикальной оси откладывается нормированный коэффициент усиления

Нормированная АЧХ представлена на (рис. 7).

Если коэффициент усиления задан в логарифмических единицах (дБ), то полоса пропускания определяется на уровне снижения коэффициента усиления на 3дБ, что соответствует снижению в раз (рис. 8).

Кроме частотных и нелинейных искажений входного сигнала в усилителя происходят ещё и фазовые искажения, которые связаны с неравномерностью

фаза-частотной характеристикой (ФЧХ). Графическая зависимость фазы от частоты для одного усилительного каскада представлена на (рис. 9)

Как видно в пределах полосы пропускания фазовые искажения близки к нулю. Фазовые искажения, как и частотные, приводят к изменению формы выходного сигнала за счёт разного сдвига фаз гармонических составляющих усиливаемого сигнала.

Дата добавления: 2015-07-25