2.1.2 Основні характеристики підсилювачів.

Властивості підсилювачів характеризують кількісні та якісні показники, які називають вторинними (вихідними) параметрами або функціями схеми.

Коефіцієнт підсилення. Цей параметр підсилювача визначається відношенням напруги або струму (потужності) на виході підсилювача до напруги або струму (потужності) на його вході і показує як змінився вихідний сигнал порівняно із вхідним. Якщо напругу або струм на вході підсилювача у загальному вигляді подати такими виразами

(2.3)

то

(2.4)

де — модуль коефіцієнта підсилення; =_ВИХ—_ВХ — фазовий зсув між вхідною та вихідною напругою або між вхідним та вихідним струмом.

Згідно з призначенням підсилювача розрізнюють коефіцієнти підсилення за напругою , за струмом і за потужністю , які, відповідно, визначаються залежностями:

(2.5)

Якщо підсилювач має n каскадів, то, відповідно:

. (2.6)

Тут — коефіцієнт підсилення, виміряний, за умови дії попереднього та наступного каскадів багатокаскадного підсилювача.

При великому числі каскадів коефіцієнт підсилення є громіздким і незручним у використанні числом. Зручніша для цього логарифмічна шкала для К_П, одиницею якої є децибел — десята частина десяткового логарифма відношення потужностей на вході і виході підсилювача (дБ). Коефіцієнт підсилення, у цьому випадку, визначається формулою:

.

Враховуючи, що потужність Р пропорційна U² або I², для коефіцієнтів підсилення за напругою виходять такі залежності:

;

;

при цьому коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача визначиться формулою

. (2.7)

Розглянемо амплітудно-частотну та фазочастотну характеристики підсилювачів і лінійні спотворення, що виникають у них. Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти називається частотною характеристикою підсилювача, графічне зображення якої для підсилювачів змінної напруги показане на рис. 2.2. Оскільки модуль коефіцієнта підсилення на різних частотах має різні значення, гармонічні складові вхідного сигналу підсилюються неоднаково, і форма вихідного сигналу відмінна від форми вхідного сигналу. Це явище називають частотним спотворенням. Виникає воно через вплив реактивних елементів підсилювача, опір яких залежить від частоти. Крім того, від частоти залежать і фізичні параметри напівпровідникових приладів — активних елементів схеми підсилювача.

Ч астотні спотворення, які вносить підсилювач на частоті f, враховує коефіцієнт частотних спотворень М, що дорівнює відношенню модулів коефіцієнтів підсилення на середній і даній робочій частоті:

.

Для багатокаскадного підсилювача

. (2.8)

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять на граничних частотах f_{н. гр.} та f_{в. гр.} умовної смуги пропускання робочих частот підсилювача, яка являє собою діапазон частот f= f_{в. гр.}— f_{н. гр.} у межах якого зміна модуля коефіцієнта підсилення не перевищує заданої величини М_н=К_п0/К_п.н і М_в=К_п0/К_п.в. В ідеальному випадку, коли підсилювач не вносить частотних спотворень (М=1), то частотна характеристика повинна бути прямою (рис.2.2), паралельною осі частот.

Фазочастотна характеристика відображає залежність кута зсуву фази між вхідною та вихідною напругами або залежність аргументу К від частоти (рис. 2.3). Позитивне значення кута  відповідає випередженню, а від'ємне — відставанню вихідної напруги відносно вхідної. При цьому під фазовим зсувом розуміють зсув, зумовлений реактивними елементами підсилювача, а той зсув, що вноситься активними елементами на 180 град., не беруть до уваги.

За фазочастотною характеристикою оцінюють фазові спотворення, які вносять підсилювачі, порушуючи фазові співвідношення між окремими гармонічними складовими складного сигналу і змінюючи його форму на виході. Якщо фазовий кут  пропорційний частоті, то це означає, що будь-яка гармоніка складного сигналу має той самий часовий зсув  і фазова характеристика  = — 2/, зображена на рис. 2.3 штриховою лінією, є ідеальною. Сигнал при проходженні через підсилювач зсувається у часі, однак його форма залишається незмінною. Нелінійний характер фазочастотної характеристики вказує на різні часові зсуви для окремих гармонік сигналу складної форми. Тому фазові спотворення, які оцінюються так, як і частотні спотворення на нижній f_н.гр.. і верхній f_в.гр.. граничних частотах смуги пропускання, визначаються не абсолютним значенням кута , а різницею ординат Ф фазочастотної характеристики і дотичних до неї (штрихпунктирні лінії на рис. 2.3). Очевидно, що Ф_н=_н і Ф_в  _в.

Порівнюючи амплітудно-частотну та фазочастотну характеристики можна зробити висновок, що фазові спотворення свідчать про існування ще й частотних спотворень. Усі ці спотворення зумовлені лінійними елементами схеми, тому їх ще називають лінійними спотвореннями.

Розглянемо такі поняття, як амплітудна характеристика, динамічний діапазон та нелінійні спотворення. Амплітудна характеристика — це залежність U_вих=f(U_вх) на деякій сталій частоті (рис. 2.4). В робочому діапазоні амплітуд вхідного сигналу U_{вх min} ... U_{вх max} амплітудна характеристика лінійна (відрізок аб), а кут її нахилу визначається коефіцієнтом підсилення на даній частоті.

Якщо вхідна напруга не перевищує значення U_{вх min} , то напруга на виході підсилювача U_{вих min} визначається напругою його власних шумів, які глушать корисний вхідний сигнал. Шуми підсилювача залежать, в основному, від шумів його активних та пасивних елементів. Їх спричиняють пульсації напруги джерела живлення, теплові процеси в приладах, а також неоднорідність структури матеріалу елементів і нестабільність електричних процесів у часі.

При великих вхідних напругах (U_вх  U_{вх min}) пропорційність між U_вих та U_вх порушується, оскільки немає пропорційної залежності між вхідним та вихідним струмами активного елемента підсилювання — транзистора. Це ілюструє рис. 2.5, на якому зображені вхідна характеристика транзистора за схемою вмикання зі спільним (загальним) емітером та вхідна напруга синусоїдальної форми U_вх=U_Вm sin t, що подана на базу транзистора (вхід підсилювача). З графіка видно, що вхідний (отже і вихідний) струми відрізняються від синусоїди, оскільки нижня півхвиля сплющена через нелінійність вхідної характеристики. Якщо на вхід подається сигнал складної форми, то також змінюється його спектральний склад. Отже, вихідний сигнал підсилювача містить гармонічні складові, які відсутні у вхідному сигналі. Інакше кажучи, в підсилювальний сигнал вносяться нелінійні спотворення. Таким чином можливість підсилювання максимальної та мінімальної напруги за умови, що кожному миттєвому значенню вхідної напруги відповідає пропорційне значення вихідної напруги (відрізок аб на рис. 2.1.4), відображає один із найважливіших показників підсилювача, який називають динамічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оціню ється відношенням

, (2.9)

де U_{вх max} та U_{вх min} вхідні напруги, при яких спотворення підсинюваного сигналу і його розрізнення на фоні шумів лежать у допустимих межах.

При наявності нелінійних спотворень підсилений сигнал несе струм (напругу) першої гармоніки і струми (напруги) вищих гармонік, починаючи з другої. Рівень нелінійних спотворень чисельно оцінюється коефіцієнтом гармонік К_г, що пропорційний потужності, яка розвивається вищими гармоніками. Оскільки потужність, у свою чергу, пропорційна квадрату струму або напруги, то:

, (2.10)

де Р, I₁, U₁ — потужність, струм та напруга першої гармоніки; n — номер гармоніки.

Для підсилювача з m каскадів

. (2.11)

Коефіцієнт корисної дії, що є важливим показником для підсилювачів середньої та особливо великої потужності, визначають із співвідношення

, (2.12)

де Р_вих — корисна вихідна потужність, яка віддається підсилювачем у навантаження: Р_сп — потужність, яку споживає підсилювач від джерела живлення.