5.2 Электронные усилители

Классификация. Электронные усилители сигналов являются самыми распро­страненными электронными устройствами. Они могут использо­ваться как самостоятельные или выделенные устройства, напри­мер усилители оконечных станций радиотрансляционных узлов, всевозможной аудиоаппаратуры, и как функциональные важнейшие узлы других радиоэлектронных устройств, прежде всего РПрУ, РПдУ, и в качестве элементов активных фильтров, компа­раторов и т. д.

Вне зависимости от места и способа использования УУ при­нято классифицировать по ряду общих для всех усилителей при­знаков.

По форме усиливаемых сигналов различают усилители непре­рывных и усилители импульсных сигналов. Усилители непрерыв­ных сигналов — это в первую очередь усилители квазигармониче­ских, речевых, музыкальных и др. сигналов. Свойства таких усилителей оценивают по качеству преобразования одного или небольшого числа гармонических колебаний. Переходные процессы в усилителях при указанных сигналах не проявляются. На­оборот, в усилителях импульсных сигналов, к которым относятся усилители видеосигналов, телеграфных сигналов, цифровых сигна­лов и т. д., проявляются переходные процессы. Оценку таких уси­лителей проводят по форме переходной характеристики.

По диапазону усиливаемых частот различают усилители по­стоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока. Первые усиливают не только переменные, но и постоянную составляю­щую в спектре сигнала, т; е. усиливают частоты от 0 до верхней граничной частоты f_В. Усилители переменного тока способны уси­ливать только переменные составляющие в спектре сигнала, т. е. частоты от нижней граничной частоты f_Н до f_В.

Среди усилителей непрерыв­ных (аналоговых) сигналов выделяют:

1. Усилители звуковой частоты, у которых f_Н  20 Гц, a f_В  20 кГц.

2. Усилители радиочастоты (радиосигналов), у которых час­тоты значительно превосходят звуковые и f_В/f_Н  1. Если в нагруз­ке УЭ таких усилителей есть резонансные цепи, то и усилители называют резонансными; в противном случае — апериодическими.

3. Широкополосные усилители, у которых f_Н составляют еди­ницы герц, a f_В — единицы мегагерц. Это усилители телевизион­ных сигналов, усилители многоканальных линий связи (например, радиорелейных) и др.

По типу управляющих элементов (УЭ) различают усилители: транзисторные, на интегральных микросхемах (ИМС) и др.

Существует много других отличительных признаков, по кото­рым классифицируют усилители, например по области применения, функциональному назначению, типу питания, числу каскадов, тех­нологическому исполнению.

5.3 Технические показатели усилителей

Определяя конк­ретную количественную оценку тех или иных свойств усилителя, технические показатели позволяют оценить степень его пригодности для какого-либо при­менения и возможную технико-экономическую эффективность уст­ройств на основе выбранного усилителя.

Технические показатели усилителей обычно определяются в соответствии с международными, государственными или отраслевыми стандартами, а также руководящими техническими материалами и т. п. К та­ким показателям относят: входные и выходные показатели; коэф­фициенты усиления; коэффициенты полезного действия; линейные искажения; нелинейные искажения; собственные помехи: ампли­тудную характеристику и динамический диапазон; стабильность показателей.

5.3.1 Входные и выходные показатели усилителей иллюстрируются структурной схемой усилителя – рис. 5.5.

Рис.5.5 – Эквивалентная схема взаимодействия усилителя с источником и нагрузкой

На схеме источник сигнала представлен в виде активного двухполюсника, усили­тель – в виде активного четырехполюсника и нагрузка – в виде пассивного двухполюсника.

Входные показатели характеризуют особенности входной цепи усилителя. К входным показателям от­носят напряжение , ток или мощность Р_ВХ сигнала, ко­торые обеспечивают необходимые выходные па­раметры усилителя при заданных искажениях сигнала.

Входной параметр – входное сопротивление уси­лителя – комплексное сопротивление между клеммами 1—1. На сопротивлении происходит падение напряже­ние в результате протекания через это сопротивление тока при подклю­чении к усилителю источника сигнала. Если входное сопротивле­ние можно считать линейным, то

= .

В зависимости от назначения усилителя к сопротивлению предъявляют различные требования. Обычно необходимо, чтобы ». Однако часто должны быть выполнены условия согласо­вания источника с усилителем, когда = .

Входную мощность Р_ВХ определяют при таких условиях рабо­ты усилителя, когда его входное сопротивление становится чисто активным =, например, в области средних частот. Тогда = и при воздействии гармонического (синусоидального) сигнала

= 0,5 = I _ВХ  U_ВХ ==/, (5.2)

где и – амплитуды напряжения и тока на входе усилителя

=; = .

К выходным показателям относят: напряжение , ток =либо мощность Р_Н, создаваемые усилителем на заданном со­противлении нагрузки Z_Н при допустимых искажениях сигнала. Сопротивление нагрузки Z_Н в общем случае комплексное. Однако мощность Р_Н определяют при таких условиях работы уси­лителя, когда сопротивление нагрузки можно считать активным Z_Н = R_Н, например в области средних частот. В этих условиях выходную мощность, соответствующую заданным нелинейным ис­кажениям сигнала, называют номинальной. При гармоническом воздействующем сигнале на выходе усилителя

= 0,5=== / , (5.3)

где и – амплитуды тока и напряжения на нагрузке усилителя.

К выходным параметрам усилителя относят и его выходное сопротивление Z_ВЫХ. Исходя из представления об усилителе как об активном линейном четырехполюснике, его выходную цепь между клеммами 2—2 можно представить в виде эквивалентного генера­тора с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением – рис. 5.5. Это сопротивление называют выходным сопротивлением усилителя. Внутреннее сопротивление источника ЭДС можно оп­ределить с помощью опытов холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ) на выходе усилителя

= /_КЗ = / _КЗ, (5.4)

где _КЗ — ток в выходной цепи усилителя при = 0.

В современных усилителях требования к величине могут быть весьма жесткими. При работе усилителя на переменную на­грузку, например трансляционную сеть с независимыми абонен­тами и др., отключение части потребителей энергии сигнала не должно приводить к заметному изменению напряжения на выходе , действующему при номинальной нагрузке. Для этого выход­ное сопротивление усилителя должно быть малым. Для ко­личественной оценки способности усилителя поддерживать посто­янство выходного напряжения используют коэффициент сброса

Н = | / | = |1 + /|.

Для высокого качества воспроизведения сигнала выходное со­противление усилителей звуковых частот должно быть много мень­ше сопротивления нагрузки, чтобы эффективно демпфировать (по­давлять) собственные механические резонансы подвижной систе­мы громкоговорителей. Коэффициент демпфирования К_Д = /. У высококачественных усилителей К_Д = 100 ... 1000.

5.3.2 Параметры усиления. Коэффициенты усиления определя­ют в установившемся режиме при гармоническом входном сигна­ле. Для пояснения смысла коэффициентов усиления воспользуем­ся структурной схемой на рис.5.5. При анализе усилительной техники используют различные коэффициенты усиления. Их отличие определяется тем, относительно какого вход­ного показателя (_Г, , и пр.) оценивается выходной показа­тель усилителя (, или ). Наиболее широко используют коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности.

Коэффициент усиления по напряжению – это отношение установившегося значения комплексной амплитуды на­пряжения сигнала на выходе усилителя (клеммы 2—2 на рис. 5.2) к комплексной амплитуде напряжения сигнала на его входе (клем­мы 1—1):

= / . (5.5)

Коэффициент усиления по току – отношение установив­шегося значения комплексной амплитуды тока сигнала в полез­ной нагрузке к комплексной амплитуде тока сигнала на его входе:

= / . (5.6)

В общем случае и – комплексные величины, за­висящие от частоты сигнала. Это обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных элементов и инерционностью УЭ.

Особый интерес для практики представляют коэффициенты уси­ления в области средних частот, в пределах которых они не за­висят от частоты, являются действительными величинами.

Коэффициент усиления по мощности К_Р показывает, во сколь­ко раз мощность Р_Н, отдаваемая усилителем в заданную нагруз­ку, больше мощности Р_ВХ, подводимой к входу усилителя – клем­мы 1—1 на рис. 5.5.

Использование коэффициента К_СР для оценки усилительных свойств усилителей оказывается более удобным, так как его про­ще измерить и по нему с большим единообразием можно оцени­вать изменение усилительных свойств усилителей на различных УЭ при введении любого вида обратной связи.

Коэффициенты усиления К_СР, K_Iср и К_Р в (5.7) и (5.8) выра­жаются в относительных единицах. Часто эти коэффициенты удобно выражать в децибелах. При малых входных сопротивлениях усилителей, например, вы­полненных на БТ, введенных выше коэффициентов оказывается не­достаточно для оценки усилительных свойств всего усилителя в целом. Эти коэффициенты усиления не отображают степени ис­пользования ЭДС, тока или мощности источника сигнала. Поэто­му в этих случаях применяют так называемые сквозные коэффи­циенты усиления.

Сквозной коэффициент усиления по напряжению =(иног­да называемый коэффициентом усиления по ЭДС) представляет собой отношение установившегося значения комплексной ампли­туды напряжения сигнала на выходе усилителя (клеммы 2—2 на рис. 5.2) к амплитуде ЭДС источника сигнала

= / = , (5.9)

где – комплексная ампли­туда напряжения сигнала на выходе усилителя;

—коэффициент передачи входной цепи но напряжению.

Выразим через сопротивления входной цепи усилителя. Для этого обратимся к схеме на рис. 5.5. Используя очевидные соотношения для входной цепи усилителя получим:

= / = / (+ ). (5.10)

Из (5.10) следует, что чем больше входное сопротивлениепо отношению к , тем ближе  к 1 и коэффициент усиления по ЭДС ближе к коэф­фициенту усиления по напряжению.

В ряде случаев используют и коэффициент усиления номиналь­ной мощности источника сигнала, под которым понимают соотношение

= /,

где Р_ВХНОМ — мощность, отдаваемая источником сигнала на вход усилителя при согласовании на входе. В этом случае  = 0,5 и на входе усилителя действует макси­мальная входная мощность, которую может обеспечить источник сигнала.

5.3.3 Коэффициент полезного действия. При работе усилитель по­требляет от источника питания некоторую мощность Р₀. Для оценки степени использования в усилителе этой мощности вводят коэффициенты полезного действия (КПД). Различают КПД: выходной цепи УЭ; выходной цепи усилителя; полный или промышленный КПД всего усилителя.

КПД выходной цепи УЭ, представляет собой отношение мощно­сти сигнала P_~, создаваемой в выходной цепи УЭ, к мощности Р₀, потребляемой выходной цепью от источника питания. Этот параметр обычно используют для оценки и сравнения эконо­мичности работы различных видов УЭ при различных способах их включения, разных режимах работы.

КПД выходной цепи усилителя, представляет собой отношение мощности сигнала Р_Н, отдаваемой в нагрузку усилителя, к мощ­ности Р₀, потребляемой выходной цепью от источника питания _ВЫХ = Р_Н/Р₀. Он учитывает потери мощности в выходной цепи усилителя, например в схемах защиты усилителя от короткого замыкания.

Полный или промышленный КПД всего усилителя, под кото­рым понимают отношение мощности сигнала Р_Н, отдаваемого в нагрузку, к суммарной мощности Р_, потребляемой всеми цепя­ми усилителя от всех источников питания. Этот КПД используют для оценки экономичности работы мощ­ных усилителей, а также при питании усилителя от батарей или аккумуляторов. Обычно _УС = 0,2 ... 0,7. Коэффициенты полезного действия, как правило, выражают в процентах.

5.3.4 Линейные искажения оценивают по АЧХ – рис. 5.3.

Частотные искажения обусловлены неравномерностью АЧХ в диапазоне рабочих частот усилителя. Нижней f_Н или верхней f_В граничной частотой называют частоту, на которой коэффициент К_U уменьшается до заданного (допустимого) значения относительно коэффициен­та усиления на средних частотах. Область частот от f_Н до f_В называют рабочим диапазоном частот. Область АЧХ, где распо­ложена частота f_Н или f_В, называют соответственно областью ниж­них или верхних частот.

Рис.5.3 – Частотные характеристики

Для сравнения АЧХ усилителей с различными значениями К_СР (кривые 1 и 2 на рис. 5.3, а) или оценки изменений АЧХ усили­теля при изменениях К удобно пользоваться нормированной АЧХ – (1.1).

Нормированные АЧХ усилителей, соответствующие рис. 5.3, a), представлены на рис. 5.3, б). Для оценки частотных искажений ис­пользуют также больше значение М или у отличается от 1, тем больше искажения

Частотные искажения выражают также в логарифмических единицах.

Допустимое значение М на граничных частотах в усилителе звуковой частоты (УЗЧ) составляет обычно 2 ... 3 дБ.

Фазовые искажения оценивают по ФЧХ. В случае, когда ФЧХ не искажает форму сигнала, она представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты.

Идеальная ФЧХ показана на рис. 5.4 штрих-пунктирной линией. Угол наклона этой линии, проходящей через начало ко­ординат, определяет групповое время запаздывания _З сигнала в усилителе. Фазовые искажения в усилителе обуслов­ливаются нелинейностью ФЧХ и определяются отли­чием реальной характеристики от идеальной – прямолинейной.

Рис. 5.4 – ФЧХ

Рис.5.5 – Переходная характеристика

Линейные искажения в усилителях импульсных сигналов на­зывают переходными. Эти искажения оценивают по переходной характеристике (ПХ) усилителя. Переходная характеристика есть реакция h(t) усилителя на воздействие единичной функции 1(t) на его вход и представляет собой зависимость от времени мгно­венного значения выходного напряжения усилителя. Вид единичной функции 1(t) представлен на рис. 5.5, общий вид ти­пичной ПХ изображен сплошной линией, штриховой линией показана идеальная ПХ усилителя, не содержащего реактивных эле­ментов.

Переходные искажения разделяют на два вида: искажения на­чала или фронта импульса и искажения плоской вершины им­пульса. У большинства импульсных усилителей процесс установления фронта импульса происходит за время t_У, много меньшее длитель­ности усиливаемых сигналов. Поэтому для оценки искажений фронта импульса используют ПХ в области малых времен, ти­пичный вид которой приведен на рис. 5.6, а. Искажения фронта импульса в основном характеризуют временем установления фрон­та t_У и выбросом фронта _Ф.

Время установления t_У определено в [1, § 1.3] как t_и.

Выброс фронта _Ф есть относительная разность между макси­мальным значением выходного напряжения Umax и его установив­шимся значением.

В телевизионном тракте, например, _Ф не должен превышать 5%. В импульсных усилите­лях стараются обеспечить критический выброс _Фкр, при котором общий выброс в усилителе не возрастает с увеличением числа кас­кадов. Обычно _Фкр  (1... 4) %.

Рис.5.6 – Переходные характеристики

Для оценки искажений плоской вершины импульсов использу­ют переходные характеристики (ПХ) в области больших времен – рис. 5.6, б). Искажения вершины импульса характеризуются спадом вершины А.

Спад (подъем) вершины  есть относительная величина из­менения выходного напряжения за длительность импульса Т_И. Допустимая величина  обычно составляет 5... 10%.

5.3.5 Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью ВАХ усилительных элементов. При синусоидальном воздействии форма выходного тока УЭ может быть несинусоидальной из-за нелинейности характеристики – рис. 5.7. Если ток УЭ – периодическая функция времени и отличает­ся от синусоидального, в нем содержатся гармоники основной частоты сигнала f. Высшие гармоники — 2f, 3f, 4f и т. д. — новые частоты в спектре выходного сигнала – в спек­тре входного сигнала их нет. В этом принципиальное отличие нелинейных искажений от линейных, при которых в выходном сиг­нале не появляются новые спектральные составляющие.

Рис.5.7 – Нелинейные искажения

Если необходимо оценить степень не­линейности при негармоническом воздействии, то используют ко­эффициенты по отдельным гармоникам.

5.3.6 Собственные помехи в электронных усилителях. При отсутст­вии сигнала на входе усилителя на его выходе действует некото­рое, обычно небольшое напряжение. Это напряжение обусловлено в основном собственными помехами усилителя. Виды собственных помех: фон, наводки, тепловые шумы резисторов и элементов с активными потерями, шумы управляющего элемента (УЭ).

Фон – напряжение на выходе усилителя, обусловленное недостаточной фильтрацией пульсирующего напряжения ВИП, работающего от сети переменного тока. Гармонические со­ставляющие фона кратны частоте питающей сети. Фон можно уменьшить, если увеличить фильтрацию пульсации, применить ООС, питать первые каскады усилителя от источников постоянно­го тока, использовать специальные схемные решения (балансные схемы) и т. п.

Наводки образуются за счет паразитных электрических, магнитных, гальванических или электромагнитных связей цепей уси­лителя с источниками помех. Источниками помех могут быть, на­пример, другие мощные усилители, особенно трансформаторные, сеть переменного тока, двигатели внутреннего сгорания, электро­сварка и т. д. Для борьбы с наводками следует применять элек­трическое и магнитное экранирование, использовать развязывающие фильтры в источниках помех, применять в усилителях ООС, петля которой охватывает место проникновения помехи.

5.3.7 Амплитудная характеристика и динамический диапазон. Зави­симость амплитудного (или действующего) значения выходного напряжения от амплитудного (или действующего) значения вход­ного напряжения при воздействии на вход усилителя гармониче­ского, колебания постоянной частоты называется амплитудной ха­рактеристикой (АХ). Типичный вид АХ усилителя показан на рис. 5.8 сплошной линией.

Рис.5.8 – Амплитудная характеристика

Штриховой линией на рис.5.8 показа­на идеальная АХ. Она представляет собой прямую линию, выхо­дящую из начала координат под углом ', который определяется коэффициентом усиления по напряжению усилителя.

Как видно из рисунка, АХ имеет изгиб при очень малых на­пряжениях на входе (ниже точки А). Этот изгиб связан с наличи­ем в усилителе собственных помех U_П, которые действуют на вы­ходе и при отсутствии сигнала. Очевидно, для нормальной рабо­ты усилителя наименьшее выходное напряжение U_ВЫХmin должно в несколько раз превышать напряжение помех. Этому выходному напряжению соответствует минимально возможное входное на­пряжение U_ВХmin (точка А).

Динамический диапазон (ДД) усилителя определен в [1, § 1.3].

Как правило, ЭДС генератора сигнала меняется от минималь­ной величины Е_Гmin до максимальной величины Е_Гтах . Отношение Е_Гmin / Е_Гтах называют динамическим диапазоном сигнала. Например, ДД звучания симфонического оркестра может превы­шать 80 дБ, художественного чтения — 30 дБ.

Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажения­ми и помехозащищенностью необходимо, чтобы D_У  D_С . Если это условие не выполняется, то можно либо увеличить D_У, либо умень­шить D_С. Для увеличения D_У можно уменьшить уровень собствен­ных помех усилителя; использовать УЭ с более линейными вольт-амперными характеристиками (ВАХ), например более мощные УЭ; применить в усилителе ручную или автоматическую регулировку усиления (АРУ) и др.

5.3.8 Стабильность показателей усилителя. При серийном изготов­лении, а также во время эксплуатации технические показатели усилителей изменяются. Основными причинами их изменения (от экземпляра к экземпляру и во времени) являются: разброс пара­метров компонентов усилителя (в первую очередь УЭ); старение компонентов; изменение параметров окружающей среды; измене­ние напряжения и тока источника питания; замена компонентов.

Типичные примеры изменения параметров — производственный разброс коэффициента передачи тока h_21э транзисторов, сниже­ние крутизны ВАХ УЭ за счет старения. При измене­нии температуры окружающей среды меняются как параметры отдельных компонентов усилителя, так и режимы работы УЭ, что приводит к изменению технических показателей усилителя. Ана­логично влияет изменение напряжения питания.

Обычно для усилителя нормируется допустимая относитель­ная нестабильность какого-либо показателя при результирующем воздействии на усилитель всех дестабилизирующих факторов. Осо­бый интерес представляет относительная нестабильность таких параметров, как К, К*, Z_ВХ, Z_ВЫХ. Относительная нестабильность S —это отношение абсолютного приращения какого-либо показателя к его номинальному значению. Например, относительная нестабильность коэффициента усиления S_К = | К/К |.

При разработке усилителей пользоваться значениями относи­тельной нестабильности показателей усилителя неудобно, так как зависимость S от дестабилизирующих факторов обычно очень сложна. Удобнее использовать чувствительность по­казателей. Под чувствительностью понимается отношение относи­тельной нестабильности показателя усилителя N к относительной нестабильности параметра усилителя х как источника нестабиль­ности: =/ .

Например, чувствительность коэффициента усиления К к из­менению температуры окружающей среды Т.

Частную производную дN/дx называют функцией чувствитель­ности или коэффициентом влияния параметра х на величину N.

Особенно важен анализ чувствительности коэффициентов усиления К и К* к изменениям температуры и напряжения питания.