5 Аналоговые усилительные устройства

5.1 Назначение и структурная схема усилителя

Усилитель служит для усиления входного сигнала по току, напряжению или мощности в результате преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

О бозначение усилителя приведено на рис.5.1

Структурная схема усилителя показана на рис.5.2.

5.2 Классификация усилителей

1 По виду усиливаемого сигнала: усилители гармонических и импульсных сигналов;

2 По типу управляемой величины: усилители напряжения, тока, мощности;

3 По диапазону усиливаемых частот: усилители постоянного ( (УПТ) диапазон частот от 0 до верхней частоты) и переменного ( ) тока. Усилители переменного тока разделяются на подгруппы: широкополосные и избирательные (резонансные). Последние обеспечивают усиление в очень узком диапазоне частот;

4 По виду соединительных цепей усилительных каскадов: усилители с RC-связями, с индуктивной связью, с гальванической (непосредственной) связью;

5 По виду нагрузки: усилители с активной, активно-индуктивной, емкостной нагрузками, а также с нагрузкой в виде резонансного контура.

3. Основные характеристики усилителей

1 Коэффициент усиления: ; ; . В многокаскадных

усилителях  ;

2 Полоса пропускания  диапазон рабочих частот , в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже от максимального значения. Амплитудо-частотная характеристика (АЧХ)  зависимость коэффициента от частоты усиливаемого сигнала (рис.5.3).

АЧХ часто представляют в нормированном виде:

,

где  коэффициент усиления на частоте ;  максимальное значение k.

3 Выходная мощность  мощность, выделяемая в нагрузке.

,

где G_н  проводимость; I₁ и U₂  выходные ток и напряжение.

4 Входное сопротивление  комплексная величина и является функцией частоты. Определяется для согласования усилителя с источником входного сигнала.

.

Практически используются активные составляющие R_вх:

.

5 Выходное сопротивление  комплексная величина и является функцией частоты. Определяется для согласования усилителя с нагрузкой.

.

При учете только активной составляющей:

,

где U ^х ₂  напряжение Х.Х. на выходе

( );

I ^к ₂  ток КЗ ( ).

6 Переходная характеристика  служит для определения динамических свойств устройства. Является зависимостью мгновенного значения выходного напряжения или тока от перепада значений электрического параметра на входе устройства. По переходной характеристике определяются два параметра: время нарастания выходного напряжения t_нар и перерегулирование относительно установившегося значения (рис.5.4).

5.4 Виды искажений сигналов в усилителях

Существует два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические ((частотные и фазовые) линейные). Сравнение суммарных входного и выходного сигналов (U_вх и U_вых) показывает, что они значительно отличаются.

_{Частотные искажения и АХЧ показаны на рис.5.5.}

Фазовые искажения и ФЧХ показаны на рис.5.6.

В идеальном усилителе выходное напряжение в точности совпадает по форме с входным. В реальных усилителях этого не бывает. Всякое отклонение формы выходного напряжения от входного есть искажение, вносимое усилителем. Для оценки величины искажений пользуются спектральным методом, с помощью которого любой сигнал можно представить в виде суммы

г армонических составляющих. Усилитель не будет вносить искажений, если спектры U_вх и U_вых совпадают. Совпадение спектров означает, что:

1 В спектре U_вых не появились новые гармонические составляющие по сравнению со спектром входного сигнала;

2 Относительные значения амплитуд отдельных гармонических составляющих в U_вх и U_вых одинаковы;

3 Фазовые сдвиги отдельных гармонических составляющих в U_вх и U_вых одинаковы.

Основные виды искажений: линейные и нелинейные. Линейные  частотные и фазовые.

Нелинейным искажениям называют изменение формы U_вых, вызванное появлением новых гармонических составляющих. Оценивают коэффициент гармоник k_г, который характеризует отличие формы выходного сигнала от гармонической и представляет собой отношение среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник выходного сигнала усилителя, кроме первой, к среднеквадратичному напряжению первой гармоники.

,

где U_i  амплитуда напряжения i-той гармоники на выходе усилителя.

Частотные искажения  изменение формы U_вых, вызванное изменением относительных значений амплитуд отдельных гармонических составляющих спектра. Характеризуются коэффициентом частотных искажений М, представляющим собой отношение коэффициента усиления на средней частоте k₀ к коэффициенту усиления на данной частоте k.

.

Фазовые искажения  изменение формы U_вых, вызванное неодинаковым сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих.