Коэффициент усиления

Рассматривают коэффициент усиления по напряжению, k_u = U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току k_i = I_вых/I_вх, коэффициент усиления по мощности к_р = Р_вых/Р_вх = К_u·К_i. Здесь U и I – действующие значения синусоидального напряжения и тока. Коэффициент усиления по мощности к_р > 1. В зависимости от усиливаемого параметра, усилители подразделяются на усилители напряжения, тока, мощности. В ряде случаев усилитель делают многокаскадным, что позволяет увеличить коэффициент усиления. Структурная схема многокаскадного усилителя показана на рисунке:

При выполнении условий U_вых1= U_вх2, U_вых2= U_вх3, ..., U_выхn-1= U_вхn коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов: K_u = U_выхn/U_вх1= K₁K₂…K_n.

Наверх

Выходная мощность

Это мощность на выходе усилителя в заданном режиме работы: P_вых = 0,5·U_н.m·I_н.m, где U_н.m – амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке, I_н.m – амплитуда синусоидально тока нагрузки.

Наверх

Коэффициент полезного действия

Этот коэффициент равен отношению мощности на выходе усилителя к мощности, отдаваемой источником энергии с напряжением E: η = P_вых/P_o, где P_o = E·I₀ (I₀ постоянная составляющая тока).

Наверх

Амплитудно-частотная характеристика

Это зависимость от частоты модуля коэффициента усиления. В зависимости от вида АЧХ усилителя подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители звуковой частоты (УЗЧ), избирательные усилители.

Вид АЧХ этих усилителей показан на рисунке:

 – коэффициент частотных искажений (где K_f коэффициент усиления на заданной частоте).

Δf – полоса пропускания усилителя. Для УПТ (а) она начинается с частоты сигнала f = 0. УПТ усиливает как постоянный, так и переменный сигнал.

В УЗЧ (б) постоянный сигнал не усиливается. Сигналы низкой частоты усиливаются, начиная с нижней границы частоты f_H до верхней границы частоты f_B.

Характеристикой вида (в) обладают резонансные и частотно-избирательные усилители.

Наверх

Амплитудная характеристика

Это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока). Амплитудная характеристика показана на рисунке:

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вх=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

, где U_1m, U_2m, U_3m, U_nm - амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина D = U_вх.max/U_вх.min характеризует динамический диапазон усилителя.

Наверх

Переходная характеристика

Это зависимость выходного напряжения от времени U_вых(t), когда на вход подается ступенчатый сигнал U_вх(t) = E·1(t). Переходная характеристика показана на рисунке:

На ней показано ступенчатое напряжение U_вх и функция K(t) = U_вых(t)/E.

Переходная характеристика K(t) характеризуется выбросом δ, временем нарастания t_н, временем импульса t_имп, относительным спадом плоской вершины ΔK/K₀.

Наверх

Входное сопротивление

Это сопротивление усилителя со стороны входа для переменной составляющей заданной частоты.

R_вх = U_вх/I_вх, где U_вх и I_вх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя.

Наверх

Выходное сопротивление

Характеризует сопротивление усилителя со стороны выхода для переменной составляющей сигнала заданной частоты.

Где ΔU_вых и ΔI_вых приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Наверх

Обратная связь в усилителях

Усилитель, у которого часть энергии выходного сигнала подается на вход, называется усилителем с обратной связью. Структурная схема усилителя с обратной связью показана на рисунке:

На вход усилителя с коэффициентом усиления К подается сигнал y. Он равен сумме входного сигнала x_вх и сигнала z, поступающего по цепи обратной связи z = Β · x_вых. Здесь Β - коэффициент обратной связи. Сигнал на выходе усилителя x_вых будет равен y · K, или: x_вых = (x_вх + Β · x_вых) · К. Связь между входным и выходным сигналами в таком усилителе равна

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен

В рассмотренном случае y = х_вх + z, т.е. на входе сигналы суммируются. Такая обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь в усилителях не используется.

В усилителях используется отрицательная обратная связь (ООС), при которой y = х_вх - z.

Коэффициент усиления усилителя с ООС равен

где К – коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления без обратной связи, Β – коэффициент передачи цепи обратной связи, 1 + Β·k – глубина обратной связи, Β·k – петлевое усиление.

При Β·k >> 1, K_oc ≈ 1/Β, т.е. при глубоком ООС зависит только от свойств цепи обратной связи.

В общем случае K и Β имеют комплексный характер  . Для упрощения удобно   считать частотно независимыми, т.е. действительными величинами K и Β.

Наверх