1.1.4 Основные параметры и характеристики усилителя

а – Входные и выходные показатели

б - Коэффициент усиления и коэффициент полезного действия

в - Частотные искажения и частотная характеристика. Диапазон

частот

г - Фазовая характеристика усилителя

д – Переходная характеристика

е – Нелинейные искажения

ж - Коэффициент шума

з – Амплитудная характеристика

1.1.4 Основные параметры и характеристики усилителя

Усилитель характеризуется рядом технических показателей, по которым можно судить о его усилительных, энергетических и эксплу­атационных свойствах и качестве передачи сигнала.

Основными техническими показателями электронных усилителей являются: входные и выходные показатели; коэффициент усиления и коэффициент полезного действия; амплитудная, частотная, фазовая, переходная характеристики; нелинейные искажения, уровень шумов; динамический диапазон.

а - Входные и выходные показатели. Поскольку в усилителе имеются две основные цепи - входные и выходные, то различают соответственно входные и выходные показатели.

Ко входным показателям относятся :

- входное напряжение U_вх, входной ток I_вх, входная мощность сигнала Р_вх,

при которых усилитель обеспечивает на выходе заданное значения

напряжения, тока или мощности;

- общее входное сопротивление Z_вх представляет собой сопротивле­ние между

входными клеммами усилителя переменному входному сигналу. Нередко в

рабочем полосе частот входное сопротивление усилителя можно считать

активным и равным Rвх; в этом случае входные напряжения, ток и

12

мощность связаны соотношениями :

U_вх =I_вx·R_вx ; R_вx=U_вx/I_вx ; P_вx=U_вx·I_вx. ( 1.2 )

Ко входным показателям усилителя относятся также ЭДС источника сигнала Е_ист. и его внутреннее сопротивление R_ист.

Рисунок 1.3 - Входная и выходная цепь усилителя

На рисунке 1.3 показаны входные и выходные электрические це­пи усилителя. Здесь видно, что от источника входного сигнала вход­ной ток I_вх протекает через внутреннее сопротивление источника Z_ист и входное сопротивление усилителя Z_вx или R_вx. Следова­тельно, ЭДС источника сигнала распределяется между внутренним сопротивлением Z_иcт и входным сопротивление Z_вx ( R_вx). Соотно­шение между величинами Z_вx и Z_иcт определяется назначением усилителя. Так, в измерительных усилителях входное сопротивление Z_вx должно быть в несколько раз больше внутреннего сопротивле­ния источника сигнала Z _ист. Это необходимо для того, чтобы ЭДС источника почти полностью была приложена ко входу усилителя с целью уменьшить погрешность измерений.

Но если на вход усилителя подается от линии или кабеля, то Z_вх должно быть равно Z_иcт., чтобы согласовать сопротивление источника сигнала с входным сопротивлением усилителя для исключе­ния отражения волн в конце линии.

Входное напряжение составляет чаще всего несколько милливольт.

Чувствительность характеризуется номинальным входным напря­жением или током, т.е. величиной входного сигнала, при котором на выходе развивается номинальная мощность. Чем меньше номинальное входное напряжение или ток, тем выше чувствительность усилителя.

Выходными показателями усилителя являются: выходные напря­жения U_вых ; выходной ток I_вых ; выходная мощность Р_вых, отда­ваемая усилителем в нагрузку Z_н ; выходное сопротивление Z _вых.

В процессе усиления реального сигнала звуковой частоты мощ­ность на выходе все время изменяется в соответствии с громкостью записанного звука. Поэтому увеличение выходной мощности сопро­вождается ростом нелинейных

13

искажений.

Номинальной или паспортной, выходной мощностью называется наибольшая мощность, при которой нелинейные искажения не превы­шают заданной величины.

Номинальным выходным напряжением называется действующее напряжение на расчётном сопротивлении нагрузки при номинальной мощности.

Сопротивление нагрузки может быть комплексным Z_н. Однако в большинстве случаев на средних частотах его можно считать активным R_н.

Выходное сопротивление - это сопротивление для тока сигнала между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузки. На средних частотах его можно считать активным R_вых.

Выходное сопротивление имеет значение для согласования его с нагрузкой, т.е. получения такого соотношения между ними, при кото­ром усилитель мощности отдает нагрузку максимальную мощность, а усилитель напряжения имеет наибольший коэффициент усиления. Кроме того, от него зависит стабильность усиления, т.е. степень измене­ния выходного напряжения или тока при изменении сопротивления нагрузки.

б - Коэффициент усиления и коэффициент полезного действия.

Для количественной оценки усилительных свойств устройства пользуются понятием о коэффициенте усиления.

Поскольку сигнал характеризуется величиной мощности, напряжения и тока, различают соответственно три коэффициента усиления.

Коэффициент усиления мощности К_р показывает, во сколько раз мощность сигнала на выходе больше, чем на входе:

К_р = Р_вых / Р _вх , ( 1.3)

Коэффициент усиления напряжения К_и, или сокращенно, коэф­фициентом усиления К, называется отношение напряжения сигнала на выходе к напряжению на входе

К_и=U_вых/U_вx , ( 1.4)

Аналогично определяется коэффициентом усиления тока К_i как отношение выходного тока сигнала к входному:

K_i = I_вых/I_вх . ( 1.5)

Коэффициенты усиления напряжения и тока при наличии реак­тивных сопротивлений в схеме являются комплексными величинами; здесь рассматриваются их модули.

По определению сущности процесса усиления коэффициент усиления мощности всегда больше единицы, в то время как коэффи­циенты усиления напряжения или тока могут быть меньше единицы; иногда в этом случае называют коэффициент передачи напряжения или тока.

При активном сопротивлении нагрузки

14

Рвых=UвыхIвых, (1.6)

При активном входном сопротивлении усилителя

Р_вх=U_вх· I_вх , ( 1.7 )

Тогда коэффициент усиления мощности равен произведению

K_p = K_u·K_i. ( 1.8)

Работу усилителей принято анализировать и исследовать при синусоидальном сигнале на входе.

Мощность определяется через амплитуды и напряжения, как половина их произведения

P = l/2(U_м·I_м), ( 1.9)

Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов :

K_∑=K₁·K₂· К₃....К_п. ( 1.10)

Более удобны логарифмические единицы измерения- децибелы, в которых могут быть выражены не только коэффициенты усиления и их изменения, но и другие относительные величины.

Таким образом, коэффициент усиления мощности в децибелах:

К_р(dБ)= 10 lg (P_вых/Р_вх) или K_p[dБ] = 10 lgK_p, (1.11)

Чтобы выразить в децибелах отношение напряжений и токов, надо брать 20 логарифмов этого отношения, учитывая, что отношение мощностей пропорционально квадрату отношения напряжений или токов ( при условии равенства сопротивлений), а при логарифмиро­вании степени показатель степени служит множителем при логарифме основания. Поэтому

K_u[dB]=20· Ig (U_вых/U_вх ) или K_u[dБ]= 20·1g K_u , (1. 12 )

и

K_i[dБ]=20· Ig (I_вых/ I_вx ) или K_i[dБ]= 20·1g K_i , ( 1.13)

При вычислении в децибелах коэффициент усиления многокас­кадного усилителя надо алгебраически суммировать коэффициенты усиления его каскадов

15

K_[dВ] = Kl_[dB] + K2_[dB] +Kз_[dБ] + ..... +K_П[dБ]. , ( 1.14)

Более того, логарифмические единицы оказались настолько удоб­ны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивает­ся по отношению к уровню мощности 1 мВт. При этом со знаком “+” или “-“ пишется разность в децибелах текущего уровня мощнос­ти от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчёта. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт). Например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10мВт - +10 дБм, 0,01 мВт- -20 дБм. Точно также можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряже­ние. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1мкВ,а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.

Иногда пользуются сквозными показателями. Сквозным коэффициентом усиления по напряжению называют отношение сигнала на нагрузке усилителя U_вых к ЕДС источника сигнала Е_ист.

К_u = U_вых / Е_ист. ( 1.15)

Сквозные показатели характеризуют усилительные устройство в целом. Обычными показателями удобно пользоваться для характеристики отдельных частей усилителя. Один усилительный каскад обычно не обеспечивает достаточный коэффициент усиления. Поэтому для получения требуемого усиления соединяют несколько каскадов так, что выходное напряжение предыдущего каскада является входным для последующего. Такой усилитель называется многокаскадным. Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рисунке 1.4

Коэффициент полезного действия усилителя являются важным показателем экономичности усилителя. Различают два значения КПД : электрический КПД выходной цепи усилителя и полный КПД усилителя (промышленный).

Электрический КПД выходной цепи усилителя - это отношение номинальной выходной мощности Р_макс к мощности, потребляемой выходной цепью усилителя источника питания Р_о:

ή_э= Р_макс./Р_о, ( 1.16)

Полный КПД усилителя определяется отношением номинальной выходной мощности Р _вых к мощности, потребляемой всеми цепя­ми усилителя от источника питания.

η=Р_вых/∑Р_о . ( 1.17 )

16

Рисунок 1.4 - Структурная схема многокаскадного усилителя

в- Частотные искажения и частотная характеристика. Диапазон частот.

В процессе усиления устройство не должно изменять формы кривой сигнала. Однако по разным причи­нам форма кривой колебаний на выходе усилителя может отличаться от формы кривой на входе, т.е. усилитель вносит искажения сигнала. При воспроизведении звука эти искажения влияют на его тембр и

час­тоту, в телевизионных устройствах искажается изображение и т.д.

В зависимости от причины появления искажений их делят на линейные (частотны и фазовые, обусловленные реактивными элементами сопротивлениями) и нелинейные.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по ампли­тудно-частотной характеристике (АЧХ).

Амплитудно-частотной характеристикой называется зависи­мость модуля коэффициента усиления от частоты. Для простоты её называют частотной характеристику. Она представляет собой графическое изображение зависимости коэффициента усиления от час­тоты входного сигнала. На оси ординат частотной характеристики откладывают значение коэффициента усиления в линейном масштабе, а на оси абсцисс - значение частоты входного сигнала в

логарифмическом масштабе, так как диапазон частот входного сигнала часто оказывается очень широким.

На рисунке 1.5, а прямой линией 1 показана идеальная частотная характеристика усилителя, не вносящего частотных искажений ; кри­вой 2 - реальная характеристика усилителя, ослабляющего (срезающего) нижние и верхние частоты заданного диапазона.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, который является отношением коэффициента усиления на средних частотах К_ср. к коэффициенту усиления на за­данной частоте K_f.

17

M=K_cp/K_f. ( 1.18)

Рисунок 1.5 - Амплитудно - частотная характеристики

усилителя ( АЧХ )

В усилителях звуковой частоты за среднюю частоту обычно прини­мают 400Гц или 1000 Гц.

Общий коэффициент частотных искажений многокаскадного уси­лителя равен произведению частотных искажений отдельных каскадов:

М_общ.= M₁ • М₂ • М₃ ·... ·М_п , ( 1.19)

Коэффициент частотных искажений может быть выражен также и в логарифмических единицах:

M_[dБ] = 20·1gM , (1.20)

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент частотных искажений в логарифмических единицах

М_общ.[dБ]= М_1[dБ]+M_2[dB]+....+M_n(dВ). ( 1.21)

Рабочим диапазоном частот, или полосой пропускания, называется область частот от f_H до f_B в пределах, которой частотные искажения не превышает допустимой величины.

В области средних частот, коэффициент частотных искажений М=1, на других частотах, на которых усиление меньше, чем на средних, М>1 (спад частотной характеристики). На частотах подъёма частот­ной характеристики М<1.

Допустимая величина частотных искажений определяется назначением усилителя. Так, например, в усилителях звуковых частот высше­го класса М не должен превышать 2 дБ при частотах от 30 Гц до 20 кГц. Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот

18

определяют на уровне 3 дБ., т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в √2=l,41 раза.

г- Фазовая характеристика усилителя. Зависимость угла сдвига по фазе между выходным и входным напряжением усилителя от частоты называется фазово-частотные (ФЧХ) или фазовой Фазовые сдвиги в усилителе возникают в результате наличия в нем реактивных элементах ( индуктивностей, ёмкостей).

В идеальном усилителе все составляющие независимо от частоты их сдвигаются на одно и то же время. При этом взаимное расположение синусоид различных частот не изменяется. Поэтому и форма выходного сигнала не изменяется. В этом случае фазовая характеристика, выражающая прямую пропорциональную зависимость угла фазового сдви­га φ от частоты f, представляет собой прямую линию 1, как показало на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6- Фазовая характеристика усилителя

В реальном усилителе значение угла сдвига по фазе зависит от частоты. И составляющая сигнала, имеющие разные частоты, оказыва­ются сдвинутыми на разные углы. Это искажает форму сигнала на выходе.

Фазово-частотная характеристика реального усилителя на рисунке 1.6 показана 2. При положительных значениях угла сдвига фазы выходной сигнал опережает входной, при отрицательных - выходной сигнал отстаёт от входного. Искажения формы выходного сигнала, вызываемого различным фазовым сдвигом

различных по частоте составляющих сигнала, назы­ваются фазовыми искажениями.

В усилителях сигналов звуковой частоты фазовые искажения не учитываются, так как на слух они практически не воспринимаются.

д – Переходная характеристика . В усилителях импульс­ных сигналов форма выходного напряжения зависит от переходных процессов установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных переходными, удобно

19

пользоваться переходной харак­теристикой.

Переходной характеристикой усилителя называют зависимость

мгновенного значения напряжения или тока на его выходе от време­ни U_вых= f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изме­нения напряжения или тока (единичной функции).

Наиболее часто на вход усилителя воздействует импульс прямо­угольной формы конечной длительности, как показано на рисунке 1.7

Рисунок 1.7 - Переходная характеристика усилителя

При подаче на вход усилителя прямоугольного импульса напряжение на выходе будет иметь искаженную форму на рисунке 1.7.

Переходные искажения разделяют на искажения фронта импуль­са и искажения плоской вершины импульса. Искажения фронта характеризуются :

- временем установления t_yc . т.е. временем нарастания импульса от 0,1

Um до 0,9U_макс;

- выбросом фронта импульса δ, определяемым отношением нап­ряжения

выброса ∆U к напряжению в установившемся режиме U.

Допустимая величина переходных искажений определяется назна­чением усилителя.

е – Нелинейные искажения. Нелинейные искажения вызывают изменения формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик элементов схемы усилителя ( транзисторов, ламп, диодов, трансфор­маторов).

При нелинейных характеристик нет прямой пропорциональности между током и напряжениями, вследствие чего при синусоидальном сигнале на входе, выходной сигнал получается несинусоидальным. Чем больше нелинейность используемого участка характеристики, т.е. больше отклонение её от прямой линии, тем сильнее искажается сиг­нал.

Появление нелинейных искажений в усилителях иллюстрируется графиком рисунок 1.8. При подаче синусоидального напряжения на базу транзистора в первый полупериод используется участок характеристики РБ, имею­щий большую

20

крутизну; поэтому кривая тока имеет большую амплиту­ду. Во второй полупериод используется участок РА, крутизна которого уменьшается с уменьшением напряжения базы; поэтому кривая входно­го тока получается притупленной.

Получающуюся вследствие нелинейных искажений несинусоидаль­ную кривую выходного сигнала можно разложить гармонические сос­тавляющие, или иначе, гармоники.

Рисунок 1.8 - Искажения формы выходного сигнала

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом

гармоник):

Кг= (V U²_m2+U²_m3+U²_m4) / U_m1 , ( 1.22)

где - U_m1,U_m2,иU_m3-амплитуды 1-й,2-й,3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники, так они имеют наибольшую амплитуду сигнала, остальные гармоники имеют небольшие по величине амплитуды.

Ещё один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в вы­ходном сигнале комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми ( в т.ч. и первыми) гармоника­ми различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имею значения интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если f₁ и f₂ - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго

21

порядка обусловлены нали­чием на выходе усилителя сигналов с частотами f₁± f₂, а интермодуля­ционные искажения третьего порядка- с частотами 2f₁±f₂ и 2f₂±f₁).

Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превыша­ющий уровень собственных шумов усилителя.

Нелинейный искажения на слух практически незаметны, если коэффициент гармоник не превышает 0,2... 0,3%.

В усилителях многоканальной связи линейность должна быть высокой, чтобы гармоники и комбинационные частоты не попадали из одного канала в другой, т.е. чтобы не было перекрёстных искажений. В таких усилителях нелинейность оценивается затуханием а или же, затуханием нелинейности второй а₂ или а₃ гармоник :

a =20lgU_m1/(VU²_m2+U²_m3); a₂=20·1gU_m1/U_m2, a₃ = 20·1gU_m1/U_m3. ( 1.23)

ж- Коэффициент шума. Помехами называют посторонние, не связанные с сигналом и не зависящие от него напряжения на выходе включенного усилителя Помехи возникают в цепях усилителя по раз­ным причинам. Обычно их делят на тепловые шумы резисторов и про­водников, шумы усилительных элементов, шумы микрофонного эффек­та, фон переменного тока от источника электропитания и наводки от посторонних источников.

Тепловой шум активных сопротивлений создается хаотическим тепловым движением свободных электронов, которые можно рассматривать как ток, беспорядочно изменяющийся по величине и направле­нию при отсутствии внешнего напряжения.

Шумы усилительных элементов создаются из-за неравномерной эмиссии или инжекции носителей заряда, неравномерного распределе­ния тока между электродами, теплового шума и других причин, зависящих от свойств и физических процессов при работе усилительного элемента.

Шумы микрофонного эффекта возникают при механических воздействиях на элементы усилителя вибраций, звуковых волн, толчков, которые приводят к изменению расстояний между соединительными проводами во входных цепях или между электродами лампы и вызыва­ют изменения тока и появление на выходе напряжения шума. Транзисторы и печатный монтаж практически не обладают микрофонным эф­фектом; ему подвержены соединительные шланги, входные трансфор­маторы с пермаллоевым сердечником и монтаж, выполненный проводни­ками.

Помехи в виде фона переменного тока представляют собой колеба­ния с частотой, кратной частоте питающей сети ( 50, 100, 150Гц), и прослушиваются в громкоговорителе как гудение.

Наводками называют помехи, возникающие из-за наведения напряжения в цепях усилителя за счёт влияния внешних электрических и магнитных полей, токов утечки, гальванических связей.

22

Количественной оценкой шумовых свойств усилителя является коэффициент шума. Поэтому коэффициент шума определяется по формуле

К_ш=1+Р_{ш.собст}./(Р_ш.вх.·К_р), ( 1.24)

где- Р_{ш.собст}. - собственная мощность шумов (мощ­ность добавляемых в сигнал

шумов); Р_ш.вх.- мощность шумов на входе усилителя; К_р - коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума всегда больше единицы. Для нормального усиления напряжения сигнала должно превышать напряжение шума в 2..3 раза. Коэффициент К_ш не определяет однозначно абсолютный уровень шумов на

выходе. Поэтому для оценки усилителей высокого класса важным параметром является отношение сигнал / шум, пред­ставляющее собой отношение выходного напряжения сигнала (при номинальной выходной мощности усилителя Р_н.ном.) к суммарно­му напряжению шумов на выходе. В усилителях высокого класса отношение сигнал/шум составляет 60... 100 дБ (1000 и более раз).

з – Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряже­ния сигнал от входа. Так как коэффициент усиления идеального уси­лителя, постоянная величина, не зависящая от величины входного сиг­нала, то его амплитудная характеристика - прямая, проходящая через начало координат, под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя (пунктирная линия на рисунке 1.9).

А мплитудная характеристика реального усилителя не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке U_п, так как в отсутствие входно­го сигнала выходное напряжение усилителя равно напряжению собственных шумов в его выходной цепи U_п.

Рисунок 1.9 - Амплитудная характеристика усилителя

23

При слишком больших входных напряжений реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной, искривляясь из-за перегрузки усилительных элементов, содержащихся в схеме уси­лителя. Из рисунка 1.9 видно, что реальный усилитель может усили­вать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже U_вх.мин., так как более слабые сигналы будут заглушаться напряжени­ем собственных шумов усилителя U_п и не выше U_{вх.макс}., иначе усилитель будет вносить большие нелинейные искажения.

Отношение U_вx.макс/ _Uвx.мин. характеризуется диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данных усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя D_yс.

D_ус. = 20lg(U_{вх.макс}./U_вх.мин.). ( 1.25)

Для того чтобы при усиления минимального и максимального сигна­лов не возникло чрезмерных искажений, динамический диапазон уси­лителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В тех случаях, когда это условие выполнить не удается, диапазон сигнала сжимают с помощью ручной или автоматической регулировки усиления. Динамический диапазон магнитной фонограммы 40-50 дБ, студийных микрофонов и магнитофонов высокого качества - 60 дБ.

Вопросы для самопроверки

1 Опишите основные входные и выходные показатели.

2 Опишите о коэффициенте усиления и коэффициенте полезного действия.

3 Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику усилителя и как можно по ней определить частотный диапазон.

4 Нарисуйте амплитудную характеристику и как можно по ней определить динамический диапазон усилителя.

5 Нарисуйте фазовую характеристику усилителя и переходную.

6 Опишите о нелинейных искажений в усилителе и приведите график возникновения нелинейных искажений.

7 Опишите о собственных помех усилителя.

8 Почему шумы первого ( входного ) усилительного элемента имеют

большего значения, чем шумы последующих ?

9 Поясните чем отличается динамический диапазон усилителя от

динамического диапазона сигнала.

10 Каковы причины возникновения нелинейных искажений в тран­зисторных и

ламповых усилителя ?

11 Какова допустимая величина нелинейных искажений в усилите­лях ?

12 Что такое интермодуляционные искажения в усилителе ?

13 Чем отличается КПД каскада от КПД усилителя ?

14 Почему коэффициент шума возрастает с увеличением тока и напряжения коллектора?

24

15 Дайте определение коэффициента усиления по напряжению, по току и по мощности.

Задачи для самостоятельной работы

1 Сколько одинаковых каскадов с коэффициентом усиления K_u = 10 должен

содержать усилитель, чтобы обеспечить общее усиление 100 дБ?

2 Определить коэффициент усиления по напряже­нию однокаскадного усилителя

K_u в децибелах, если на­пряжение на входе U_вх = 0,01 В, а выходное

напряжение U_вых=2 В.

3 Определить коэффициент усиления усилителя по току и по мощности в

децибелах, если оба коэффициента усиления равны 100.

4 Определить величину сигнала на входе двухкаскадного усилителя и его

коэффициент усиления в деци­белах, если коэффициент усиления первого

каскада К_U1 = 20, второго К_U2 = 50, а выходное напряжение равно 20 В.

5 Определить напряжение на выходе трехкаскадного усилителя, если

коэффициенты усиления его от­дельных каскадов одинаковы и равны 10.

Напряжение источника входного сигнала 0,02 В.

6 Определить коэффициент усиления по мощности К_Р усилителя в децибелах,

если его коэффициент уси­ления по напряжению 20, а по току 5.

7 Определить, выходную мощность усилителя, если коэффициент усиления по

току равен 50, сопротивление на выходе усилителя составляет 100 Ом, а

входной ток 2 мА.

8 Определить коэффициент усиления усилителя по напряжению, если через

нагрузку R_Н=100 Ом проходит ток 0,1 А, а входное напряжение 0,2 В.

9 Определить коэффициент усиления по напряже­нию двухкаскадного усилителя,

если выходные напряже­ния первого и второго каскадов соответственно равны

0,2 и 4 В, а напряжение источника входного сигнала — 0,01 В.

10 Определить мощность, отдаваемую в нагрузку усилителя, если выходное

напряжение U_вых=5 В, а со­противление нагрузки Rн=100 Ом. Определить

выходную мощность усилителя, если ток в нагрузке и напряжение на выходе

соответственно равны 0,1 А и 2 В.

11 Определить напряжение сигнала на входе усили­теля, если сопротивление его

нагрузки 10 Ом, мощность, отдаваемая усилителем, 2,5 Вт, а коэффициент

усиления по напряжению 50.

12 Определить коэффициент усиления усилителя по току и напряжению, если

сопротивление нагрузки 10 Ом, мощность, отдаваемая в нагрузку, 0,45 Вт,

напряжение на входе усилителя 0,1 В, а входное сопротивление пер­вого

каскада 100 Ом.

13 Определить мощность на выходе усилителя, если , R_вых = 40 Ом,

коэффициент усиления по напряжению 200, а напряжение на входе 0,01

14 Определить входное сопротивление второго кас­када двухкаскадного

усилителя, если выходные напря­жение и ток первого каскада соответственно

равны 2 В и 0,01 А.

25

15 Определить ЭДС источника входного сигнала, если входной ток и входное сопротивление усилителя соответ­ственно равны 1

мА и 400 Ом. Внутреннее сопротивление источника составляет 100 Ом.

16 Определить входное сопротивление усилителя, если на входе действует ЭДС

Ег=0,1 В, ток во входной цепи Iвх = 1 мА и внутреннее сопротивление

источника напряжения R_г = 20 Ом.

17 Определить напряжение на входе усилителя с коэффициентом усиления

К_u = 60 дБ, Р_вых= 1 Вт и R_вых = 5 Ом.

18 Определить кпд транзисторного усилителя, если мощность в нагрузке 0,3 Вт,

мощность, рассеиваемая в транзисторе, 100 мВт, мощность, рассеиваемая в

осталь­ных цепях усилителя, 30 мВт.

19 Определить в децибелах коэффициент частотных искажений М_н если на

нижней граничной частоте рабо­чего диапазона коэффициент усиления

составляет 25, а на средней частоте — 30.

20 Определить в линейных единицах коэффициент частотных искажений М_в, если на высшей частоте рабочего диапазона

коэффициент, усиления по напряжению усилителя К_в=26 дБ, а на средней

частоте К_ср=27 дБ.

21 Определить коэффициент усиления К_ср на сред­них частотах, если на низшей

частоте рабочего диапазо­на коэффициент усиления Кu=40. Коэффициент

частот­ных искажений Мн=1,1.

22 Определить коэффициент нелинейных искажений |гармоник) Кг, если на выходе

усилителя появляются высшие гармонические составляющие тека с амплитудой

I_2m =5 мА, I_3m=3,32 мА. Амплитуда первой гармоники выходного тока

I_1m=100 мА

Литература

1. Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители. М.: Стандарты, 1990. с.8...21.

2. Цыкина А.В. Электронные усилители. -М.: Радио и связь, 1982. С.10...29.

3. Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок.-М.: 1979. с. 17...3.

4. Ровдо А.А. Схемотехника усилительных каскадов на

биполярных транзисторов.- М.: Изд. “ДОДЭКА-21”,2002с.39...47.

5. Криштафович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. - М. Высшая школа, 1985.с.88...94.

6. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. - К.: Вища школа, 1989.С.233...242.

7. Колонтаевский Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія i практикум.- К.: Каравела,2003.с.67. ...69.

8. Пряшников В.А. Электроника: Полный курс лекции.- 4-е изд.- -СПБ.: Корона принт. 2004.С. 181 ... 182.

26

Лекция 3

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисуйте амплитудную характеристику усилителя

2 Нарисуйте характеристики искажения формы выходного сигнала

3 Нарисуйте переходную характеристику усилителя

4 Нарисуйте амплитудно - частотную характеристику усилителя ( АЧХ )

5 Нарисуйте фазовую характеристику усилителя

6 Нарисуйте структурную схему многокаскадного усилителя

7 Нарисуйте входную и выходную цепь усилителя

После изучения лекции 3 студент должен знать : виды обратной связи и как влияет обратная связь на параметры усилителя

Уметь: нарисовать схемы усилителей с обратной связью и пояснить влияние обратной связи на свойства усилителя

План ( логика ) изложения матери

1.2 Основы теории обратной связи в усилителях

1.2.1 Основные определения

1.2.2 Виды обратной связи

1.2.3 Влияние обратной связи на основные показатели

усилителя

1.2 Основы теории обратной связи в усилителях

1.2.1 Основные определения

Обратной связью называется связь между выходом и входом, за счёт которой часть сигнала поступает из выходной цепи усили­теля во входную. Энергия сигнала ( напряжение или ток) передаётся с выхода каскада на его вход или вход одного из предыдущих каска­дов по цепи, называемой цепью обратной связи. В простейшем слу­чае эта цепь содержит делитель напряжения или резистор. Различаю три возможных случая появления обратной связи:

• связь, специально введенная при конструировании усилителя для улучшения его свойстве, называется внешней ;

• связь, вызванная влиянием выходных величин на входные благодаря особенностям конструкции усилительных элементов и происходящим в них физическим процессам, называется внутренней;

• связь между выходом и входом, возникающая через магнитные поля, акустическую среду, через ёмкости между провода­ ми и через другие элементы схемы, называется паразитной.

Внутренние и паразитные обратные связи не поддаются точному расчёту и управлению, могут ухудшить свойства усилителя и привес­ти к генерации усилителя. Поэтому при конструировании усилителей стремятся специальными мерами свести эти связи к минимуму.

27

На рисунке 1.10,а приведена структурная схема внешней обратной связи. Замкнутый контур, образуемый цепью обратной связи и уси­лителем, называется петлёй обратной связи. Здесь β - коэффициент передачи по напряжению. Произведение βК_u называется петлевым усилением.

а ) б )

а- однопетлевая;

б- многопетлевая (общая и местная)

Рисунок 1.10 - Структурные схемы усилителей с обратной связью

В многокаскадном усилителе может быть несколько петель обрат­ной связи как независимых, так и связанных между собой. При этом связь, охватывающая один усилительный каскад, называется однопетлевой или местной, а связь, охватывающая весь усилитель, называется общей. На рисунке 1.10,б приведена структурная схема многопетлевой обратной связи.