3.2.Основные характеристики и параметры усилителей

Коэффициент усиления является основным количественным параметром усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по напряжению K_U, току K_I или мощности K_P:

K_U = U_ВЫХ / U_ВХ , K_I = I_ВЫХ / I_ВХ , K_P = P_ВЫХ / P_ВХ ,

где U_ВХ, I_ВХ – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U_ВЫХ, I_ВЫХ – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

P_ВХ, P_ВЫХ – мощности сигналов соответственно на входе и выходе.

Коэффициенты часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:

K_U=20lgK_U; K_I=20lgK_I; K_P=10lgK_P.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадного усилителя его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных n каскадов:

К = К₁·К₂·…·К_n.

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) +…+·К_n(дБ)

К основным характеристикам усилителя относятся амплитудно-частотная, амплитудная и фазо-частотная характеристики (АЧХ, ФЧХ). АЧХ – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ – зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжением от частоты. Типовая АЧХ и ФЧХ УНЧ приведена на рис. 3.2.1. Спад коэффициента усиления на низких частотах определяется наличием разделительных емкостей в усилителях, спад на высоких частотах – паразитными емкостями в элементах схемы. Вид ФЧХ определяется видом АЧХ.

Рис.3.2.1. АЧХ и ФЧХ ФНЧ

Частоты ƒ_Н и ƒ_В, определяемые при коэффициенте усиления К₀ / , определяют полосу пропускания усилителя

Δƒ=ƒ_В – ƒ_Н.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис.3.2.2). Точка 1 соответствует сигналу шумов, измеряемому при нулевом входном сигнале, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором можно различить сигнал на фоне шумов. Участок 2 – 3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдается ограничение сигнала из-за попадания транзисторов в режим насыщения.

Рис.3.2.2. Амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усиления характеризует диапазон изменения входного сигнала:

D = U_{ВХ макс} / U_ВХмин

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис.3.2.3). Эта характеристика используется для определения динамических свойств устройства. Численно по данной характеристике определяют два параметра: время нарастания выходного напряжения t_НАР и перерегулирование выходного напряжения (выброс фронта импульса) δ.

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области низких частот – переходная характеристика в области больших времен.

Рис.3.2.3. Переходная характеристика усилителя

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:

η = Р_ВЫХ / Р₀,

где Р₀ – мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

КПД является важным параметром, характеризующим экономичность усилителя. Роль этого показателя особенно важна для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

Входное и выходное сопротивление – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилителя как с источником входного сигнала (датчиком), так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты. Последняя зависимость особенно важна в случае действия на входе усилительного устройства непериодического сигнала.

Выходная мощность усилителя – эта та часть мощности, которая может быть выделена в нагрузке длительное время.