Лекція 8 підсилювачі

8.1. Основні показники роботи підсилювачів

Підсилювачами називають пристрої, які дозволяють за допомогою вхідного сигналу малої потужності керувати передачею значно більшої потужності від джерела живлення до навантаження. Найбільшого розповсюдження набули підсилювачі на базі напівпровідникових біполярних та польових транзисторів. В останні роки підсилювачі переважно використовуються у вигляді неподільних компонентів - підсилювальних інтегральних мікросхем. Найпростіша комірка, що дозволяє здійснити підсилення, називається підсилювальним каскадом.

Електричні сигнали, що подаються на вхід підсилювачів, звичайно пропорційні певним фізичним величинам (тиску, частоті обертання, температурі) і можуть мінятися в часі дуже повільно, або досить швидко. Тому підсилювачі повинні бути здатними підсилювати як змінні вхідні сигнали, так і постійні, які змінюються в часі дуже повільно. Такі універсальні підсилювачі за традицією називають підсилювачами постійного струму (ППС), хоча вони фактично підсилюють як постійну, так і змінну складову вхідного сигналу.

Підсилювачі характеризують вхідними та вихідними величинами. До вхідних даних підсилювача належать вхідні напруга , струм та потужність Р_вх при яких підсилювач віддає до навантаження задані напругу, струм або потужність і вхідний опір . До вихідних даних підсилювача належать вихідна потужність сигналу Р_вих, що поступає до навантаження з опором , вихідні напруга або струм , вихідний опір підсилювача .

Властивості підсилювача при фіксованому значенні навантаження та наявності на його вході синусоїдної напруги з фіксованою частотою ( ) описує амплітудна характеристика, яка являє собою залежність амплітуди (або дійового значення) вихідної напруги від амплітуди (дійового значення) вхідного сигналу.

Типовий вигляд амплітудної характеристики показано на рис. 8.1 (штриховою лінією показана амплітудна характеристика ідеального підсилювача). Відхилення реальної характеристики від ідеальної зумовлено двома факторами: наявністю шумів (ділянка зліва від точки А) та нелінійними спотвореннями форми кривої вихідної напруги (ділянка справа від точки В).

Підсилювальні властивості підсилювача характеризують коефіцієнт підси­лення по напрузі:

(8.1)

коефіцієнт підсилення по струму:

(8.2)

та коефіцієнт підсилення по потужності:

(8.3)

Коефіцієнти та - комплексні величини, оскільки вихідні та вхідні напруги та струми зсунені між собою по фазі внаслідок наявності реактивних опорів у колах підсилювача та навантаження. Якщо підсилювач багатокаскадний, тобто складений з декількох підсилювальних комірок, у яких вихід кожної комірки підключено до входу наступної ко­мірки, то загальний коефіцієнт підсилення ( , , ) дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів Значення на практиці може сягати для багатокаскадних підсилю­вачів декількох тисяч, тому на прак­тиці для оцінки значень модулів коефіцієнтів підсилення використо­вують логарифмічну шкалу, одиницею якої є децибел (дБ) — десята частина десятко­вого логарифму відношення до :

(8.4)

Рис. 8.1 Амплітудна характеристика

Оскільки потужність Р пропорційна квадрату напруги або струму, то:

Якщо коефіцієнти підсилення каскадів виражені у децибелах, то загальний коефіцієнт підсилення підсилювача дорівнює сумі коефіцієнтів підсилення окремих каскадів:

Вхідний періодичний сигнал довільної форми можна представити як суму гармонічних складових сигналу, які мають різну частоту і підсилюються з різними коефіцієнтами підсилення. Тому вихідний сигнал не буде точно відповідати вхідному. Такі спотворення сигналу називають частотними. Крім того, гармонічні складові сигналу отримують при підсиленні різні кутові зсуви між вхідними та вихідними значеннями, що зумовлює появу фазо­вих спотворень.

Для оцінки частотних спотворень використовують амплітудно-частотну характеристику (АЧХ), яка являє собою залежність модуля коефіцієнта підсилення К від частоти f (або від кутової частоти w). Типова АЧХ показана на рис. 8.2. У зоні низьких f_H та високих f_B частот коефіцієнт підсилення К зменшується. Діапазон частот при зміні від нижньої до верхньої границі, в якому значення коефіцієнта підсилення К_с є сталим і близьким до максимального значення, називають умовною смугою пропускання підсилювача. Граничні значення частот f_B та f_H визначають з умови, що відповідні їм модулі коефіцієнта підсилення . В ідеальному випадку смуга пропускання відповідає діапазону частот, в якому К = К_{С Є} незмінним. При відсутності частотних спотворень АЧХ має вигляд прямої, паралельної до осі абсцис.

Частотні спотворення на певній частоті f оцінюють коефіцієнтом частотних спотворень, який дорівнює . Чим більший від одиниці є коефіцієнт М, тим більші створювані підсилювачем спотворення. Іноді коефіцієнт М виражають у логарифмічних одиницях:

(8.5)

Рис. 8.2 Амплітудно-частотна характеристика

На границях смуги пропускання звичайно

Фазові спотворення підсилюваного сигналу оцінюються фазочастотною характеристикою (ФЧХ) підсилювача, - залежністю кута фазового зсуву між вихідною та вхідною напругою підсилювача від частоти f (або від кутової частоти ω).

Зображена на рис. 8.3 суцільною лінією ФЧХ показує, що в області низьких частот вихідна напруга випереджує по фазі вхідну, а в області високих частот навпаки, відстає від неї. Штриховою лінією на рис. 8.3 показана ФЧХ підсилювача без фазових спотворень - це пряма лінія, яка проходить через початок координат.

Рис. 8.3 Фазочастотна характеристика

Здатність підсилювача в певних межах значень вхідної напруги (від U_{вх тіп} до U_{вх тax}) для кожного миттєвого значення вхідної напруги створювати пропорційне значення вихідної напруги характеризує динамічний діапазон підсилювача. Динамічний діапазон дорівнює співвідношенню:

(8.6)

Звичайно динамічний діапазон визначають у децибелах: Динамічний діапазон визначають по амплітудній характеристиці підсилювача (рис. 8.1). В ідеальному випадку ця характеристика має бути прямолінійною (відрізок АВ на рис. 8.3). Звичайно для забезпечення передачі звукових коливань достатньо мати динамічний діапазон з D = 60 дБ

З різних причин при подачі на вхід підсилювача чисто синусоїдного сигнала можна отримати на виході несинусоїдний сигнал, який містить в собі вищі гармонічні складові, котрі спотворюють форму вихідного сигналу по відношенню до форми сигналу вхідного. Спотворення форми підсилюваного сигналу може бути викликано нелінійностю вольт-амперних характеристик окремих елементів схеми підсилювача, неправильним вибором положення початкової робочої точки транзистора, надмірно великою амплітудою вхідного сигналу. Оцінюють такі нелінійні спотворення по коефіцієнту гармонік (у відсотках):

(8.7)

де , , , , , , , - відповідно амплітудні (або дійові) значення першої, другої, третьої, ..., п-й гармонік вихідного струму та напруги. Допустиме значення коефіцієнту гармонік залежить від призначення підсилювача. Для підсилення мовлення та музики із середньою якістю коефіцієнт гармонік має бути біля 2%.