Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

В.В.АФАНАСЬЕВ, М.П.ДАНИЛАЕВ, А.И.УСАНОВ

Учебное пособие

«ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ»

2007

1. Основные параметры и характеристики усилителей

1.1. Понятие усилительного устройства

Усилительным устройством (УУ) называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Входной сигнал УУ управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Функциональная схема УУ представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1 Функциональная схема УУ

Источники сигнала имеют разные свойства и параметры (например, импульсный сигнал, сигнал постоянного тока) поэтому при анализе усилителей они представляются источниками ЭДС или тока. Различают: источник тока, управляемый током; источник напряжения, управляемый напряжением; источник напряжения, управляемый током и источник тока, управляемый напряжением.

Источником питания является внешний источник энергии, мощность которого используется для усиления полезного сигнала.

Основным свойством электронного усилителя является его способность увеличивать мощность входного сигнала при искажениях сигнала не выше заданных. Следует отметить, что в пассивных и активных элементах усилителя происходят потери энергии, которые определяют снижение КПД УУ. Вследствие указных потерь электрическая энергия преобразуется в тепловую. Отсюда следует, что при меньших потерях энергии в усилителе (большем КПД) упрощается отвод тепла, что весьма существенно в интегральных усилителях. Проблема отведения тепла в усилителях усложняется с повышением степени интеграции (уменьшения размеров) каскадов и с увеличением мощности выходного сигнала. В электронных усилителях мощность сигнала в нагрузке всегда больше мощности входного сигнала.

1.2. Основные характеристики уу

Коэффициенты усиления. Основной характеристикой любого усилителя является его коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

• коэффициент усиления по мощности – это отношение мощности сигнала на выходе усилителя к мощности входного сигнала:

  .

  (1.1)

• коэффициент усиления по напряжению – это отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

  .

  (1.2)

• коэффициент усиления по току – это отношение тока сигнала на выходе усилителя к току сигнала на его входе:

.

(1.3)

При последовательном соединении нескольких усилительных каскадов общий коэффициент передачи определяется по формуле:

,

(1.4)

где – коэффициент усиления i-го каскада усилителя, – коэффициент усиления всех каскадов.

Коэффициент усиления является безразмерной величиной. Коэффициент усиления по мощности в децибелах:

.

(1.5)

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах:

.

(1.6)

Если коэффициент усиления имеет размерность [дБ], то результирующий коэффициент усиления нескольких последовательно соединенных каскадов вычисляется как сумма:

.

(1.7)

Коэффициент полезного действия (КПД). Основной энергетической характеристикой любого устройства является КПД. Для электронного усилителя КПД представляет собой отношение мощности, выделяемой в нагрузке , к мощности , потребляемой от источника питания:

.

(1.8)

КПД характеризует эффективность использования энергии источника питания. Разность определяет мощность потерь, которая превращается в тепло. Чем меньше мощность потерь , тем легче обеспечить температурный режим работы усилителя. Поскольку отведение тепла требует применения радиаторов, вентиляторов и прочих мер, то повышение КПД усилителя позволяет уменьшить габариты и массу охлаждающих систем и, следовательно, массу и габариты всего усилителя.

Эффективность использования энергии источника питания часто оценивают по току, потребляемому от источника питания, в режиме покоя , т.е. при отсутствии сигнала.

АЧХ. Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Пример такой характеристики для широкополосных усилителей представлен на рис. 1.2.

Рис.1.2. АЧХ широкополосного усилителя

Как видно из рис. 1.2, идеальная АЧХ сильно отличается от реальной. Это связано с тем, что в реальных усилителях за счет наличия паразитных емкостей и индуктивностей происходит завал усиления на высоких частотах. Условие физической реализуемости усилителя записывается следующим образом: .

На АЧХ выделяется область средних частот (СЧ), в которой коэффициент усиления не зависит от частоты. Коэффициент усиления в области СЧ называется номинальным коэффициентом усиления . Полосой пропускания называется диапазон частот между граничными частотами и . Типовым уровнем определения граничных частот является уровень , который соответствует уровню половины мощности сигнала. Кроме этого уровня спад АЧХ на граничных частотах может задаваться не хуже допустимого: для УЗЧ допускается спад АЧХ не более 3 дБ (в 1,41 раза), для усилителей измерительных приборов не более 0,1 дБ.

Произведение полосы пропускания на номинальный коэффициент усиления называется площадью усиления. Площадь усиления для заданного транзистора при неизменной нагрузке остается постоянной, таким образом, полосу пропускания можно увеличить за счет уменьшения коэффициента усиления и наоборот.

ФЧХ. Фазово-частотной характеристикой усилителя (ФЧХ) называется зависимость сдвига фаз между входным и выходным сигналами усилителя от частоты. На рис. 1.3 представлены идеальная и пример реальной ФЧХ усилителя.

Рис.1.3. ФЧХ

Тангенс угла наклона касательной к ФЧХ определяет время задержки выходного сигнала относительно сигнала на входе – . Различные спектральные составляющие сигнала задерживаются усилителем с реальной ФЧХ на разное время, что приведет к отличию формы выходного сигнала от формы сигнала на входе.

ПХ. Переходная характеристика (ПХ) усилителя это зависимость значения напряжения (тока) на выходе от времени , при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

ПХ усилителя однозначно определяется его АЧХ и ФЧХ. ПХ позволяет оценить искажения формы прямоугольных импульсов при их усилении. При подаче на вход прямоугольного импульса форма выходного сигнала может быть получена вычитанием переходных характеристик, сдвинутых на время длительности импульса, в результате получается импульсная характеристика (рис.1.4) усилителя.

Рис.1.4. Импульсная характеристика

Линейные искажения полезного сигнала. Усиление сигнала – это повышение его уровня (мощности) при сохранении формы. Однако усилить сигнал и в точности сохранить его форму невозможно. Поэтому усиленный сигнал принято характеризовать как уровнем усиления, так и уровнем искажений.

Искажения – это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. Эти отклонения, вызваны несовпадением реальных и идеальных характеристик усилителя. Искажения делят на линейные и нелинейные. Различают три вида линейных искажений: частотные, фазовые и переходные.

• Частотные искажения. В усилителе частотные искажения возникают в том случае, когда коэффициент усиления на разных частотах в полосе пропускания отличается от идеального.

Если представить усилитель в виде четырехполюсника, то комплексный коэффициент усиления по напряжению в этом случае можно записать в виде:

.

(1.9)

Частотные искажения оцениваются по отклонению АЧХ от номинального усиления с помощью коэффициента частотных искажений. Коэффициент частотных искажений может быть записан на нижней или верхней граничной частотах:

и .

(1.10)

Для многокаскадного усилителя результирующий коэффициент частотных искажений определяется произведением:

.

(1.11)

• Фазовые искажения. В усилителе фазовые искажения возникают в том случае, когда реальная ФЧХ не совпадает с идеальной. На рис. 1.3 представлена идеальная и реальная ФЧХ усилителя.

Для идеальной ФЧХ – , следовательно, возникает задержка выходного сигнала, по отношению ко входному на время задержки: . Для реальной ФЧХ время задержки будет зависеть от частоты сигнала.

Численная оценка фазовых искажений имеет вид:

.

(1.12)

• Переходные искажения. При усилении импульсных сигналов на выходе усилителя наблюдается переходный процесс, так как частоты в спектре импульсного сигнала выходят за пределы участков, где АЧХ и ФЧХ можно считать идеальными. Изменение формы импульса при усилении обусловлено действием реактивных элементов и на практике оценивается с помощью переходной характеристики (или нормированной импульсной характеристики). На рис. 1.5 представлен импульсный сигнал на выходе усилителя с переходными искажениями.

Рис.1.5. Импульсная характеристика с переходными искажениями

Переходные искажения характеризуются тремя параметрами:

• временем нарастания (или время фронта) – , в течение которого нормированная импульсная характеристика изменяется от 0,1 до 0,9;

• относительным значением выброса , возникающим при колебательном характере переходного процесса;

• неравномерностью вершины прямоугольного импульса (спад вершины импульса) за время импульса.

В соответствии с ФЧХ реального усилителя спектральные составляющие импульсного сигнала будут поступать на выход усилителя с различным временем задержки. Максимальная скорость нарастания ПХ пропорциональна площади усиления:

.

(1.13)

При последовательном соединении каскадов усилителя с временем фронта и неравномерностью вершины импульса результирующие значения времени нарастания фронта и неравномерность вершины импульса можно оценить по формулам (1.14) и (1.15):

,	(1.14)
.	(1.15)

Как уже было сказано ранее, ПХ имеет однозначную связь с АЧХ и ФЧХ. На рис.1.6 проиллюстрирована связь частотных и временных искажений.

Рис.1.6. Связь частотных и временных искажений

Длительность фронтов зависит только от поведения АЧХ на ВЧ(малые времена – высокие частоты). Спад плоской части импульса определяется НЧ составляющей АЧХ (большие времена – низкие частоты). Область СЧ определяет номинальный коэффициент усиления, т.е. амплитуду импульса.

Связь ВЧ искажений на АЧХ и искажений фронтов ПХ иллюстрирована на рис.1.7.

Рис.1.7. Связь ВЧ искажений на АЧХ и искажений фронтов ПХ

Форма третьего варианта АЧХ на рис.1.7 в области ВЧ напоминает АЧХ колебательного контура.

Связь НЧ искажений на АЧХ и искажений плоской части импульса показана на рис.1.8.

Рис.1.8. Связь НЧ искажений на АЧХ и искажений плоской части импульса

Линейные искажения являются обратимыми, их можно скомпенсировать при дальнейшей обработке сигналов.

Нелинейные искажения полезного сигнала. Нелинейные искажения – это изменения формы сигнала, обусловленные нелинейностью характеристик элементов схемы (как активных, так и пассивных). Нелинейные искажения полезного сигнала принято оценивать по амплитудной характеристике (АХ) усилителя – .

Рис.1.9. Амплитудная характеристика усилителя: идеального – слева, реального – справа

Тангенс угла наклона АХ равен коэффициенту усиления.

Загиб в нижней части обусловлен: шумами, наличием нелинейности активного элемента. Загиб верхней части характеристики обусловлен: насыщением активного элемента (как правило, оконечного каскада), в результате чего начинается ограничение выходного сигнала.

Нелинейные искажения полезного сигнала принято оценивать коэффициентом гармоник (или коэффициентом нелинейных искажений):

,

(1.16)

где – основная гармоника, – комбинационные частоты. Возникающие вследствие нелинейности обработки сигнала.

На практике обычно ограничиваются рассмотрением 2-х и 3-х гармоник сигнала, если .

Динамический диапазон (ДД) усилителя. Динамическим диапазоном усилителя по входу называется отношение максимального уровня сигнала на его входе к минимальному на его входе:

.

(1.17)

Соответственно, ДД по выходу:

.

(1.18)

Следует различать динамический диапазон усилителя и динамический диапазон сигнала. Динамическим диапазоном сигнала называется превышение его максимального уровня над минимальным:

.

(1.19)

Шумы и помехи.

Шумами называют помехи, которые появляются в результате хаотического теплового движения свободных электронов, дробового шума и пр. В усилителях источником шума являются как пассивные, так и активные элементы. Уровень этих шумов сказывается на способности усилителя усиливать слабые по уровню сигналы.

Основные виды шумов усилителя.

Тепловой шум связан с хаотическим движением носителей зарядов, вызванных температурой абсолютного нуля Кельвина. Если имеется некоторое сопротивление R в усилителе, внешняя температура равна T, а полоса усиления , то напряжение теплового шума на этом сопротивлении определяется формулой (1.20).

.

(1.20)

Из формулы следует, что средствами борьбы с этими шумами, помимо охлаждения, является уменьшение сопротивления R, уменьшение полосы усиления (здесь мы ограничены полосой полезного сигнала). Спектральная плотность теплового шума равномерна.

Специфические шумы – это шумы активных элементов, избыточные шумы, фликкер шумы, шумы мерцания, сверхнизкочастотные шумы, шумы типа . Спектральная плотность шума типа представлена на рис.1.10 – чем меньше частота, тем выше интенсивность шума.

Рис.1.10. Спектральная плотность шума типа

К помехам усилителя относят электромагнитные наводки. Их причина заключается в наличии паразитных индуктивных и емкостных связей между цепями усилителя и цепями помех. Особенно сильно такие наводки сказываются в ВЧ усилителях большой мощности. Такие помехи устраняют путем экранировки сигнальных цепей, их трассировки таким образом, чтобы паразитные параметры были минимальными.

Специфический вид помех (фон сети) выражается в появлении напряжения на выходе усилителя с частотами, кратными частоте сети переменного тока. Фон возникает в результате питания усилителя от сети переменного тока с большой пульсацией выпрямленного напряжения, а также в результате наведения ЭДС электромагнитными полями сети, силового трансформатора в межэлементных соединениях усилителя. Для борьбы с сильным фоном используют режекторные фильтры.

Дрейфом называют изменение выходного напряжения усилителя, когда напряжение на его входе строго неизменно, например, равно нулю. Причиной дрейфа выходного напряжения являются: изменение температуры, напряжения источника питания, влияние радиации и старения элементов усилителя.

Для характеристики шумовых свойств усилителя используют коэффициент шума:

или .

(1.21)

Нестабильности параметров и характеристик усилителя. Нестабильность параметров усилителя приводит к нестабильности его характеристик:

• нестабильность коэффициента усиления: .

• нестабильность коэффициента линейных искажений на нижней (верхней) частоте: и .

Входные и выходные параметры усилителей. К входным параметрам усилителя относят полное, т.е. комплексное, входное сопротивление усилителя и его реальную омическую часть. На практике, часто полное входное сопротивление усилителя представляется как совокупность резистивного и емкостного сопротивлений. Иногда к входным параметрам относят напряжение источника сигнала и его внутреннее сопротивление.

Выходными параметрами усилителя являются выходное сопротивление, КПД, максимальная выходная мощность.

К выходным параметрам усилителя относят и требования, накладываемые на нагрузку. Различают:

• номинальное сопротивление нагрузки – величина нагрузки, при которой обеспечивается номинальное значение параметров усилителя.

• минимальная величина сопротивления нагрузки – величина нагрузки, при которой усилитель просто сохраняет работоспособность без обеспечения заданных параметров. При необходимости работе усилителя с в схеме усилителя должны быть средства защиты от короткого замыкания.