Глава 8. Усилители электрических сигналов

С уществует ряд технических задач, когда слабомощный источник сигнала оказывается неспособным управлять исполнительным устройством (нагрузкой). Для решения этих задач используют усилители электрических сигналов. Их размещают между источником сигнала и нагрузкой и они увеличивают входной сигнал в К>1-раз (рис. .)

Под усилителем понимают устройство, в котором сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей гораздо большей мощности от источника питания (ИП) в нагрузку (Rн). Обобщенная схема включения усилителя приведена на рис. . Слева вход усилителя (выводы 1-1¹), а справа выход (2-2¹), к нему подключена нагрузка

У силитель имеет четыре вывода а потому представляет собой активный четырехполюсник, его функциональная схема приведена на рис. .

Основные параметры и характеристики усилителя

1. Входное сопротивление , в общем случае величина комплексная.

2. Выходное сопротивление ;

3. Коэффициент усиления ;

В зависимости от характеристики физической величины на входе и выходе различают следующие коэффициенты усиления: а) коэффициент усиления по напряжению ; б) коэффициент усиления по току ; в) коэффициент усиления по мощности .

Коэффициент усиления – это относительная безразмерная величина. Иногда вместо них пользуются относительными логарифмическими величинами, которые измеряются в . При этом ; .

При воздействии на усилитель гармонического сигнала коэффициент усиления оказывается зависящим от частоты. Эта зависимость, характеризуются частотной характеристикой коэффициента усиления. Она является комплексной функцией от ч астоты:

АЧХ: ; ФЧХ: ;

Из частотной характеристики следуюь следующие параметры усилителя:

К⁰_u -коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

ω_в, ω_н - верхняя и нижняя граничные частоты рабочего диапазона частот, они определяются из выражения К_u(ω_гр)/К⁰_u= 2^-1/2

Δω=ω_в - ω_н – диапазон рабочих частот.

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала гармонического сигнала на входе U_2m=f(U_1m)|_f=Δf, когда частота входного сигнала находится в рабочем диапазоне.

Д ля идеального усилителя U_2m=КU_1m. График АХ есть прямая (см рис. 8 ).

Для реального имеются отличия:

Область 1 - область малых амплитуд входного сигнала. Отличие состоит в том, что при U_1m=0 выходной сигнал U_2m >0. Это связано с усилением собственных внутренних шумов и внешних электромагнитных наводок на элементах усилителя.

Область 2 – это область больших амплитуд входного сигнала. Отличия связаны с нелинейностью вольт – амперных характеристик активных элементов. Их выходной сигнал не может превысить напряжения питания. Из АХ вытекает два параметра усилителя:

а. D=U_m2max/U_m2min - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем качественнее усилитель.

б. Чувствительность. Различают две чувствительности:

1.)Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2).Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда: ее называют предельная чувствительность усилителя.

Искажения в усилителях

И деальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8. .

Н елинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U_2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U_2m2… амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω₀ и 2ω₀. Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω₀. будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω₀. А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных и скажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

Мн=Мв= К⁰_u /К_u(ω_гр).

Фазовое искажение возникает из-за непостоянства фазового сдвига для различных гармоничных составляющих. Они обычно жестко связаны с частотными искажениями и поэтому специальными параметрами их не оценивают. Линейные искажения наблюдаются только при усилении сигнала сложной формы, т.е. сигналов, спектр которых содержит несколько гармонических составляющих.