8.2. Основні характеристики та параметри еп

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

Коефіцієнт підсилення 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.

Підсилювачі будуються з використанням активних та реактивних компонентів, а тому коефіцієнт передачі таких подільників напруги стає комплексною величиною. 3гідно з призначенням підсилювача розрізняють коефіцієнти підсилення за напругою , за струмом і за потужністю :

(8.1)

Якщо підсилювач має п каскадів, то:

(8.2)

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

При великому числі каскадів коефіцієнт підсилення – число громіздке для практичного використання. Зручніша для цього ло­гарифмічна шкала К_п одиницею якої є децибел – десята частина десяткового логарифма відношення потужностей на виході і вході підсилювача (дБ) (таблиця1.1):

_{( 8.3 )}

Враховуючи, що потужність Р пропорційна квадрату напруги або струму, для коефіцієнтів пiдсилення за напругою та струмом одержимо:

_{( 8.4.)}

при цьому коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача

(8.5)

Характеристики підсилювача. Для оцінки спроможності ЕП передавати та перетворювати ЕІС з допустимими спотвореннями використовують амплітудно–частотні , фазо–частотні, амплітудні та перехідні характеристики (АЧХ, ФЧХ, АХ, ПХ). При аналізі диференціюючих та інтегруючих схем (розд 1.4.) ми давали визначення АЧХ. Нагадаємо, це залежність модуля коефіцієнта передачі пристрою ( підсилювача) від час­тоти. Для найбільш поширеного класу підсилювачів – RC-підсилювачів, які можна моделювати послідовним включенням диференціюючої та інтегруючої схем, графічне зображення АЧХ показане на рис. 8.1, а. 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 називається частотним спотворенням і спричинене реактивними (лінійними) елементами підсилювача, опір яких залежить від частоти. Крім того, від частоти залежать і фізичні параметри напівпровідникових приладів – активних елементів схеми ЕП. На частотні спотворення впливають також ємність та індуктивність навантаження і непередбачені паразитні реактивні компоненти.

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

₍ 8.6 )

Для багато каскадного підсилювача

(8.7)

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять на гранич­них частотах нижній (ƒ_н.гр) ) та верхній ( ƒ_в.гр ) умовної смуги пропускання підсилюва­ча, яка являє собою діапазон частот Δƒ = ƒ_в.гр. – ƒ_н.гр, в 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), частотна характеристика повинна бути прямою (рис.8.1.а) ), паралельною осі частот.

Рис.8.1. АЧХ (а) та ФЧХ (б)RC-підсилювача

Максимальний коефіцієнт підсилення досягається в області середніх частот. В області нижніх та верхніх частот він спадає. Граничні частоти ƒ_н.гр та ƒ_в.гр , в межах яких коефіцієнт частотних спотворень не перевищує допустимих значень, зазвичай, визначають частотами зменшення коефіцієнта підсилення за потужністю в два рази. Це відповідає зменшенню коефіцієнтів підсилення за напругою та струмом до рівня 0.707 від максимального значення, або на -3 дБл. Звертаю увагу на наступне. При досліджені пасивних схем ( диференціюючих та інтегруючих схем) максимальний коефіцієнт передачі К = 1, а тому граничні частоти визначаються на частотах, де він зменшується до -3дБл. При проведені досліджень таких схем в EWB за допомогою візірної лінії Bode Plotter визначають граничні частоти на вказаному рівні послаблення передачі сигнала. При дослідженні ЕП одержують підсилення ( наприклад + 50 дБл), а тому межові частоти необхідно визначати на рівнях 50дБл – 3 дБл = 47 дБл.

Фазочастотна характеристика відображає залежність кута зсу­ву фази між вхідною та вихідною напругами, або аргументу коефіцієнта підсилення К від частоти (рис. 8.1.б). Позитивне значення кута φ відповідає випередженню, а від’ємне – відставанню вихідної напруги відносно вхідної. Відзначимо, що під фазовим розуміють зсув, зумовлений реактивними елементами підсилювача, а той, що вноситься активними елементами на 180 ел. град., не беруть до уваги.

За фазочастотною характеристикою оцінюють фазові спотворення, які вносить підсилювач, порушуючи фазові співвідношення між окремими гармонічними складовими складного сигналу і змінюючи його форму на виході. Якщо фазовий кут φ пропорційний частоті, то це означає, що будь яка гармоніка складного сигналу має той самий часовий зсув τ і фазова характеристика φ=– 2πƒτ , зобра­жена на рис.8.1.б штриховою лінією, є ідеальною. Сигнал при проходженні через ідеальний підсилювач зсувається в часі, однак його форма залишається незмінною. Нелінійний характер реальної 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 ƒ_н.гр і верхній ƒ_в.гр. граничних частотах сму­ги пропускання, визначаються не абсолютним значенням кута φ, а різницею ординат Ф фазочастотної характеристики і дотичних до неї (штрих пунктирні лінії на рис. 8.1.б). Очевидно, Ф_н = φ_н і Ф_в < φ_в.

З порівняння амплітудно–частотної і фазочастотної характеристик видно, що фазові спотворення свідчать про існування й частотних спо­творень, всі вони зумовлені лінійними елементами схеми, тому їх і називають лінійними спотвореннями. Розглянуті характеристики використовуються при аналізі пристроїв та систем в частотній області.

Амплітудна характеристика (АХ). Амплітудна характеристика – це залежність U_вих = f(U_вх) на деякій сталій частоті (рис. 8.2.). В робочому діапазоні ам­плітуд вхідного сигналу від U_{вх mіn} до U_{вх mах} амплітудна характеристика майже прямолінійна (відрізок аб), а кут її нахилу задається коефіцієнтом підсилення на даній частоті.

Якщо вхідний ЕІС відсутній, на вході діє напруга, яка формується в результаті впливу внутрішніх шумів та зовнішніх завад U_{вх mіn,.}. Рівень цієї небажаної напруги визначає мінімальне значення ЕІС, яке може сприйматись підсилювачем, а відтак інформаційною системою в цілому. Таким чином значення U_{вх mіn} визначає чутливість ЕП. Корисний ЕІС меншої амплітуди глушиться шумами. Шуми підсилювача залежать, в основному, від шумів його активних та пасивних компонентів, їх при­чиною є пульсації напруги джерела живлення, теплові процеси, а та­кож неоднорідність структури матеріалу елементів і нестабільність електричних процесів у часі.

При великих вхідних напругах (U_вх > U_{вх mах}) пропорційність між U_вих та U_вх порушується. Слід уяснити: максимальна амплітуда ЕІС на виході ЕП завжди обмежується напругою джерела живлення, а тому подальше збільшення амплітуди вхідного сигналу не викликає пропорційного збільшення вихідного, починається обмеження.

Динамічний діапазон. Мож­ливість підсилювати максимальну та мінімальну напруги ЕІС за умови, що ко­жному миттєвому значенню вхідної напруги відповідає пропорційне зна­чення вихідної напруги (відрізок аб на рис. 4.2), оцінюють за допомогою одного з най­важливіших показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оцінюється як

(8.8)

де U_{вх mах} і U_{вх mіn} – вхідні напруги, при яких спотворення сигналу і його розрізнення на фоні шумів лежать в допустимих межах. Зазвичай цей параметр оцінюють в децибелах.

Перехідна характеристика. Це реакція ЕП ( вихідний сигнал ) при подачі на вхід східчастого сигналу. Вона дозволяє оцінити тривалість перемикання схеми, тривалість перехідних процесів. Східчасті сигнали та ПХ використовуються як тестові при аналізі в часовій області імпульсних та цифрових пристроїв.

Нелінійні спотворення. Активні компоненти відрізняються нелінійністю характеристик ( розд. ). В результаті при обробці чисто гармонічного сигналу на виході формується складний сигнал. 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, в свою чергу, пропорційна квадрату струму або напруги, то:

(8.9)

де Р, І₁, U₁ – потужність, струм та напруга першої гармоніки; п – номер гармоніки.

Для підсилювача з m каскадів

(8.10)

Це ілюструє рис.8.3., на якому зображені вхідна ха­рактеристика транзистора за схемою вмикання СЕ та вхідна напруга синусоїдальної форми U_вх = U_Вm sin ωt, що подана на базу транзистора (вхід підсилювача). З графіка видно, що вхідний (отже, і вихідний) струм відрізняється від синусоїди, оскільки нижня напівхвиля сплю­щена через нелінійність вхідної характеристики. Якщо на вхід подається сигнал складної форми, то через наявність нелінійних спотворень його спектральний склад на виході також змінюється. Отже, вихідний сигнал підсилювача містить гармонічні складові, які відсутні у вхідному сигналі. Інакше кажучи, в підсилю­вальний сигнал вносяться нелінійні спотворення.

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

(8.11)

де Р_вих – корисна вихідна потужність, яка віддається підсилювачем в наван­таження; Р_сп – потужність, яку споживає підсилювач від джерела живлен­ня.

Такий коефіцієнт зазвичай використовують при аналізі вихідних ( потужних) ЕП.