3.1.2 Основні показники роботи підсилювача

К оефіцієнти підсилення. Коефіцієнтом підсилення за напругою (струмом, потужністю) називається величина, яка показує, у скільки разів напруга (струм, потужність)сигналу на виході підсилювача більша, ніж на його вході:

; ; (3.1)

За даними формулами вимірювання коефіцієнтів підсилення проводиться у відносних одиницях. Також коефіцієнти підсилення можуть визначатися в децибелах (дБ)

; ;

К ористуватися одиницями децибел можна за умови R_вх = R_вих.

Коефіцієнт підсилення, виражений в децибелах, дорівнює

; ;

(3.2)

З воротній перехід від децибел до відносних одиниць проводиться за допомогою виразу

; ; (3.3)

• Підсилення дорівнює одному децибелу, якщо напруга на виході підсилювача в 1,2 рази більша, ніж на вході.

• Підсилення дорівнює одному децибелу, якщо струм на виході підсилювача в 1,2 рази більший, ніж на вході.

• Підсилення дорівнює одному децибелу, якщо потужність на виході підсилювача в 1,25 рази більша, ніж на вході.

З начення коефіцієнта підсилення у різних підсилювачів може мати величину до десятків та сотень. Але і цього в деяких випадках недостатньо для отримання на виході підсилювача сигналу заданої амплітуди. Тоді застосовують послідовне ввімкнення підсилювальних каскадів. Для багато каскадних підсилювачів загальний коефіцієнт підсилення дорівнює

(3.4)

(3.5)

Вираження в децибелах має недолік в тому, що прилади для вимірювання в децибелах дуже складні.

В хідний і вихідний опори. Вхідний опір підсилювача в будь-якому випадку є опором між вхідними клемами підсилювача. Він дорівнює

(3.6)

Вихідний опір R_вих визначають між вхідними клемами підсилювача при відімкненому опорі навантаження R_н².

В ихідна потужність. При активному характері опору навантаження вихідна потужність підсилювача дорівнює

(3.7)

де U_вих – діюче, а U_{m вих} – амплітудне значення вихідної напруги.

Вихідна потужність – це корисна потужність, яка розвивається підсилювачем в навантажувальному опорі.

К оефіцієнт корисної дії. Цей показник особливо важливо враховувати для підсилювачів середньої і великої потужності, так як він дозволяє оцінити їх економічність. Чисельно ККД дорівнює

(3.8)

де Р₀ – потужність, яка споживається підсилювачем від всіх джерел живлення.

Номінальна вхідна напруга (чуттєвість). Номінальна вхідна напруга - це напруга, яку потрібно підвести до входу підсилювача, щоб на виході отримати задану потужність. Вхідна напруга залежить від типу джерела підсилювальних коливань. Чим менша величина вхідної напруги, яка забезпечує необхідну вихідну потужність, тим вища чуттєвість підсилювача. Подача на вхід підсилювача напруги, яка перевищує номінальне значення, призводить до значним спотворенням сигналу і називається перевантаженням зі сторони входу.

Діапазон підсилювальних частот. Діапазоном підсилювальних частот або смугою пропускання підсилювача, називається та область частот, в якій коефіцієнт підсилення змінюється не більше, ніж це допустимо за технічними умовами.

Рівень власних перешкод підсилювача. Динамічний діапазон амплітуд. Причини виникнення перешкод на виході підсилювача різні. Їх можна розділити на три основні групи: 1) теплові шуми; 2) шуми підсилювальних елементів; 3) перешкоди із-за пульсацій напруги живлення і наводок зі сторони зовнішніх електричних і магнітних полів.

Відношення амплітуд найбільш сильного і найбільш слабкого сигналів на вході підсилювача називають динамічним діапазоном амплітуд D. Динамічний діапазон амплітуд зазвичай показують в децибелах

(3.9)

Графічна залежність амплітуди (або діючого значення) вихідної напруги підсилювача від амплітуди (або діючого значення) його вхідної напруги на деякій незмінній частоті сигналу отримала назву амплітудної характеристики (рис.3.1).

U_вих

U_{вих max} В

Рис.3.1. Амплітудна характеристика підсилювача

U_{вих min}

U_{вх min} U_{вх max} U_вх

Спотворення в підсилювачах. При підсиленні електричних сигналів можуть виникнути нелінійні, частотні і фазові спотворення.

Нелінійні спотворення – це зміна форми кривої підсилювальних коливань, яка викликана нелінійними властивостями кола, через яке ці коливання проходять. Основною причиною появи нелінійних спотворень в підсилювачі є не лінійність характеристик підсилювальних елементів, а також характеристик намагнічування трансформаторів або дроселів з осердями.

Степінь нелінійних спотворень підсилювача зазвичай оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік)

(3.10)

д е Р₂ + Р₃ + ... + Р_n – сума електричних потужностей, яка виділяється на навантаженні гармоніками, які з’явились в результаті нелінійного підсилення; Р₁ – електрична потужність першої гармоніки.

• Коефіцієнт гармонік зазвичай виражають у відсотках, тому знайдене за формулою (3.10) значення К_Г слід помножити на 100.

Частотними називаються спотворення, обумовлені зміною величини коефіцієнта підсилення на різних частотах. Причиною частотних спотворень є наявність в схемі підсилювача реактивних елементів – конденсаторів, котушок індуктивності, між електродних ємностей підсилювальних елементів, ємності монтажу і т.д. Частотні спотворення оцінюють за його амплітудно-частотною характеристикою, яка є показує залежність коефіцієнта підсилення від частоти підсилювального сигналу. Для прикладу на рис. 3.1 показана амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) ПНЧ.

К

400 B

300

Рис. 3.2. Приблизний вигляд ампілтудно-частотної харак-теристики ПНЧ

200

100

2 3 4 lg f

0

10 100 1000 10000 f, Гц

С тепінь спотворень на окремих частотах виражається коефіцієнтом частотних спотворень М, яке дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті К_сер до коефіцієнта підсилення на даній частоті К_f

(3.11)

Зазвичай найбільші частотні спотворення виникають на межах діапазону частот f_н і f_в. Коефіцієнти частотних спотворень в цьому випадку дорівнюють

; (3.12)

де К_н і К_в – відповідно коефіцієнти підсилення на нижніх і верхніх частотах діапазону. Із визначення коефіцієнта частотних спотворень слідує, що якщо М < 1, то частотна характеристика має завал, а якщо М > 1, - то підйом.

К оефіцієнт частотних спотворень юагатокаскадного підсилювача дорівнює

(3.13)

Ф

Рис. 3.3. Фазочастотна характеристика підсилювача

Фазові спотворення в підсилювачі відсутні, коли фазовий зсув лінійно залежить від частоти.

азові спотворення оцінюються за фазочастотною характеристикою підсилювача, яка показує залежність кута зсуву фази φ між вхідною і вихідною напругами підсилювача від частоти (рис.3.3).

φ

f