Глава 8. Усилители электрических сигналов

8.1 Классификация, основные параметры и характеристики усилителей

Частный случай управления энергией, при котором путём затраты небольшого её количества можно управлять энергией во много раз большей, называется усилением. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем. Если управляющая и управляемая энергия являются электрическими, то такой усилитель называют усилителем электрических сигналов. В усилителях электрических сигналов осуществляется управление потоком энергии, идущим от источника питания в нагрузку.

В инженерной практике используется широкий набор усилителей различных типов и назначений. На рис.8.1 приведена обобщённая классификация усилителей по их основным признакам.

Основные показатели усилителей электрических сигналов определяются их конкретным назначением. Рассмотрим некоторые из них, широко применяемые в инженерной практике.

1. Коэффициентом преобразования или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала к входному. В варианте, когда входное и выходное значения сигнала являются однородным, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя по напряжению K_U, по току K_I или по мощности K_Р, определяемые по формулам:

;

;

,

где U_вых, I_вых, P_вых – амплитуды напряжения, тока и мощность сигнала на выходе усилителя соответственно; U_вх, I_вх, P_вх – амплитуды напряжения, тока и мощность сигнала на входе усилителя.

Часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах – децибелах:

.

Если усилитель состоит из нескольких последовательно включённых каскадов, для каждого из которых известен его “частный” коэффициент усиления К₁, К₂,, К_n, то общий коэффициент усиления определяется выражением:

К_О = К₁ К₂К_n.

В логарифмических единицах измерения:

.

Рис.8.1. Обобщённая классификация усилителей электрических сигналов

Учитывая, что в реальных усилителях содержаться реактивные элементы, например ёмкости переходов в полупроводниках, межкаскадные ёмкости и т.д., соответствующие коэффициенты усиления в общем случае являются комплексными величинами, характеризуемыми модулем и фазой. Например, для коэффициента усиления по напряжению имеет место соотношение:

,

где Кu = U_вых /U_вх – модуль коэффициента усиления по напряжению,  - сдвиг фаз между входным и выходным напряжением.

2. Коэффициент полезного действия усилителя определяется выражением:

,

где Р_ИП – мощность, потребляемая усилителем от источника питания. Этот показатель используют, как правило, для оценки усилителей мощности.

3. Входное сопротивление усилителя определяется выражением:

R_вх=U_вх / I_вх.

4. Выходное сопротивление усилителя определяется выражением:

,

где U_вых и I_вых– приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызываемые изменением сопротивления нагрузки.

Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей, которые показывают, как преобразуется входной сигнал в зависимости от их параметров.

1. Амплитудная характеристика определяет зависимость выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока). Типовая амплитудная характеристика усилителя показана на рис. 8.2.

Рис.8.2. Типовая амплитудная характеристика усилителя

На этом рисунке точке 1 соответствует напряжение собственных шумов усилителя при отсутствии входного сигнала (U_ВХ = 0). В точке 2 появляется возможность наблюдения усиливаемого сигнала U_ВХ на фоне собственных шумов усилителя. Участок 2 – 3 называется рабочим участком, где достаточно точно выполняется соотношение U_ВЫХ = К_UU_ВХ. После точки 3 из-за нелинейности выходной характеристики усилителя (активные элементы приближаются к зонам насыщения) наблюдаются нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений, определяемым по формуле:

,

где U_1m, U_2m, … U_nm – амплитуды первой (основной), 2-ой, n-ой гармоник выходного напряжения.

Динамический диапазон усиления определяется соотношением

D = U_{ВХ max} / U_{ВХ min}.

2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧX) определяет зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала.

Типовая АЧX усилителя представлена на рис. 8.3.

Рис.8.3. Типовая АЧX усилителя

Частицы f_H и f_В определяющие коэффициенты усиления К_H и К_В на уровне называются верхней и нижней граничными частотами. Здесь– модуль коэффициента усиления на средней частоте. Разностьf_В – f_H называется полосой пропускания усилителя. У усилителей постоянного тока отсутствует “завал” АЧХ на низких частотах.

При усилении сложных входных сигналов, содержащих различные гармоники в силу нелинейности АЧХ различные частотные составляющие будут усиливаться по разному, что приведет к искажению усиливаемого сигнала. Такие искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений М = К₀ / К_f, где К_f – модуль коэффициента усиления на заданной частоте.

Часто АЧХ строят в логарифмическом масштабе, такая частотная характеристика называется логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ). Коэффициент усиления для построения ЛАЧX выражается в децибелах К^Л(f) =20 lgК(f). Частота по оси абсцисс откладывается через декаду (интервал частот f до 10f). В качестве точек отсчета выбирают частоты соответствующие 10ⁿ, где n – номер декады. Типовая ЛАЧХ приводится на рис. 8.4. Наклон частотных характеристик в этом варианте построения АЧХ выражают в децибелах.

Рис.8.4. Типовая ЛАЧХ усилителя

3. Фазочастотная характеристика ФЧХ определяет зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты. Этот сдвиг обусловлен наличием реактивных элементов в усилительных схемах. Типовая фазочастотная характеристика приведена на рис. 8.5.

Рис.8.5. Типовая ФЧХ усилителя

В ряде случаев для наглядности строят две ФЧХ, отдельно для низких и высоких частот.

В некоторых случаях объединяют амплитудную и фазочастотные характеристики и исследуют амплитудно-фазочастотные характеристики (АФЧХ) усилителей. В теории автоматического регулирования, показывается как можно путем исследования АЧХ и ФЧХ сделать работу усилителей устойчивой.

4. Переходная характеристика усилителя определяет зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии.

На рис. 8.6 показана типовая переходная характеристика усилителя.

Рис.8.6. Типовая переходная характеристика усилителя

На этом рисунке параметр  определяет выброс фронта импульса на выходе усилителя в ответ на скачёк входного напряжения U_ВХ, а параметр  характеризует спад плоской вершины из-за наличия реактивных элементов.