4.2. Осhоbhі характеристики підсилювачів

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

Коефіцієнт підсилення. Цей найважливіший 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 та виході підсилювача подати в загальному вигляді відповідно як

та ,

то

(4.3)

де – модуль коефіцієнта підсилення; φ = φ_вих - φ_вх­ – фазовий зсув між вхідною та вихідною напругою або між вхідним і вихідним струмом.

3гідно з призначенням підсилювача розрізняють коефіцієнти підсилення за напругою , за струмом і за потужністю :

(4.4)

Якщо підсилювач має п каскадів, то:

(4.5)

Тут – коефіцієнт підсилення, виміряний за умови дії попе­реднього та наступного каскадів багатоканального 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):

Враховуючи, що потужність Р пропорційна U₂ або I₂, для коефіцієнтів пiдсилення за напругою та струмом одержимо:

при цьому коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача

(4.6)

Амплітудно–частотна та фазо–частотна характеристики. Лінійні спотворення. Залежність модуля коефіцієнта підсилення від час­тоти називається частотною характеристикою підсилювача, графічне зображення якої для підсилювачів змінної напруги показа­не на рис. 4.2, 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 елементами підсилювача, опір яких залежить від частоти. Крім того, від частоти залежать і фізичні параметри напівпровідникових приладів – активних елементів схеми підсилювача.

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:

М = К_п0 /К_{п ƒ}

Для багатокаскадного підсилювача

(4.7)

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять на гранич­них частотах ƒ_н.гр та 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. 4.2, а), паралельною осі частот.

Рис. 4.2

Фазочастотна характеристика відображає залежність кута зсу­ву фази між вхідною та вихідною напругами, або аргументу коефіцієнта підсилення К від частоти (рис. 4,2, 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. рис. 4.2, б штриховою лінією, є ідеальною. Сигнал при проходженні через підсилювач зсувається в часі, однак його форма залишається незмінною. Нелінійний характер реальної фазо– частотної 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 (штрихпунктирні лінії на рис. 4.2, 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 ще називають лінійними спотвореннями.

Амплітудна характеристика. Динамічний діапазон. Нелінійні спотворення. Амплітудна характеристика – це залежність U_вих = f(U_вх) на деякій сталій частоті (рис. 4.3). В робочому діапазоні ам­плітуд вхідного сигналу U_{вх mіn} – U_{вх mах} амплітудна характеристика прямолінійна (відрізок аб), а кут її нахилу задається коефіцієнтом підсилення на даній частоті.

Рис. 4.3 Рис. 4.4.

Якщо вхідна напруга не перевищує значення U_{вх mіn} то напруга на виході підсилювача U_{вих mіn} визначається напругою його власних шумів, які глушать корисний вхідний сигнал. Шуми підсилювача залежать, в основному, від шумів його активних та пасивних елементів, їх при­чиною є пульсації напруги джерела живлення, теплові процесії, 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, оскільки немає пропорційної залежності між вхідним та вихідним струмами активного елемента підсилюван­ня – транзистора. Це ілюструє рис. 4.4, на якому зображені вхідна ха­рактеристика транзистора за схемою вмикання ЗЕ 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 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 підсилювати максимальну та мінімальну напруги за умови, що ко­жному миттєвому значенню вхідної напруги відповідає пропорційне зна­чення вихідної напруги (відрізок аб на рис. 4.3), відображає один з най­важливіших показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оцінюється як

(4.8)

де U_{вх mах} і U_{вх mіn} – вхідні напруги, при яких спотворення підсилюваного сигналу і його розрізнення на фоні шумів лежать в 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, в свою чергу, пропорційна квадрату струму або напруги, то:

(4.9)

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

Для підсилювача з m каскадів

(4.10)

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

(4.11)

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