3.4.2 Параметры и характеристики усилителей

Коэффициент усиления (коэффициент передачи) – это отношение выходного значения усиливаемой величины к входной. Различают коэффициент усиления по напряжению: К_n = U_вых/U_вх, коэффициент усиления по току: K_I = I_вых/I_вх и коэффициент усиления по мощности: К_р = р_вых/р_вх. Наряду с относительными единицами, часто используют логарифмические единицы измерения (децибел). При этом коэффициенты усиления определяются следующим образом:

K_u = 20lg(U_вых/U_вх); K_I = 20lg(I_вых/I_вх);

K_р = 10lg(P_вых/P_вх). (3.40)

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) – это такая область частот, в которой коэффициент усиления уменьшается относительно своего значения на средней частоте на заданное значение. Чаще всего полосу пропускания определяют на уровне 3_дБ (в 1.41 раза) (см. рисунок 3.11б).

f = f_в - f_н , (3.41)

где f_в – высшая частота диапазона;

f_н – низшая частота диапазона.

Номинальная выходная мощность – это мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте нелинейных искажений.

Динамический диапазон – это отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему значению:

D = U_вх.max/U_вх.min; D(дБ) = 20lg(U_вх.max/U_вх.min) (3.42)

Под допустимыми значениями напряжений понимают такие, при которых выходной сигнал не искажается.

Коэффициент частотных искажений – это отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на заданной частоте. Обычно коэффициент частотных искажений определяют для f_в и f_н соответственно и называют коэффициенты.

. (3.43)

С помощью коэффициентов М_н и М_в оценивают искажение выходного сигнала за счет неравномерности АЧХ и ФЧХ. Искажения появляются при усилении сигналов сложной формы. В соответствии с разложением в ряд Фурье, сигнал сложной формы представляется как сумма гармонических составляющих соответствующей частоты, амплитуды и фазы. Если при усилении гармонические составляющие сигнала будут усиливаться в разной степени и иметь различные фазовые сдвиги, то, очевидно, что форма выодного сигнала не будет соответствовать входному.

Коэффициент нелинейных искажений оценивает степень искажения входного сигнала за счет нелинейности передаточной характеристики и определяется следующим образом:

(3.44)

В числителе подкоренного выражения – сумма мощностей всех высших гармоний, а в знаменателе – полная мощность сигнала.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение выходной мощности усилителя к полной мощности, потребляемой от источника питания:

 = P_вых/P₀ . (3.45)

Коэффициент шума (F) показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе усилителя хуже, чем это же соотношение для ненагруженного усилителя, и определяется соотношением

, (3.46)

где P_ш.вых – мощность шумов на выходе;

P_ш.вх – мощность шумов на входе усилителя.

Как четырехполюсник, усилитель оценивается входным и выходным сопротивлением, коэффициентом обратной связи по напряжению.

Кроме того, параметрами усилителя являются диапазон рабочих температур, допустимые вибрации и ударные нагрузки, напряжение питания и т.д.

В зависимости от назначения усилителя они могут оцениваться и другими параметрами, например, напряжение смещения, время задержки сигнала и т.п.

Основными характеристиками усилителя являются амплитудная, амплитудно-частотная, фазочастотная и переходная (рисунок 3.11).

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения усилителя от амплитуды гармонического входного напряжения. Для исключения нелинейных искажений характеристика должна быть линейной (рисунок 3.11a кривая 1). Реальные характеристики (кривые 2, 3) отличаются от линейной. В связи с этим, рабочую точку усилителя и допустимые значения входного сигнала выбирают таким образом, чтобы использовать только линейный участок. Этим, собственно, и определяется динамический диапазон усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рисунок 3.11б). На практике чаще всего используют нормированную характеристику, т.е. строят зависимость отношения коэффициента усиления к его значению на средних частотах. Уменьшение коэффициента усиления в области низших и высших частот происходит из-за наличия в усилителе реактивных элементов (емкости, индуктивности) и зависимости свойств активного элемента от частоты. К_у в полосе рабочих частот не должен зависеть от частоты.

Фазочастотная7 характеристика (ФЧХ) – это зависимость сдвига фазы выходного сигнала относительно входного от частоты (рисунок 3.11в). Замечания, приведенные относительно хода АЧХ, относятся и ФЧХ.

Переходная характеристика (ПХ) – это зависимость выходного напряжения от времени при воздействии на вход одиночного импульса (рисунок 3.11г). При подаче на вход прямоугольного импульса его выходное напряжение будет отличаться по форме. искажение формы заключается в следующем: возникает задержка выходного напряжения во времени и происходит уменьшение крутизны фронта; наблюдается неравномерность вершины импульса, выражающаяся в медленном спаде напряжения или возникновении затухающих колебаний; по окончании входного импульса выходное напряжение падает до нуля с некоторой задержкой, при этом крутизна заднего фронта уменьшается. В конечном итоге на форму выходного импульса оказывают влияние переходные процессы в реактивных элементах усилителя. Оцениваются искажения временем установления (t_у), временем восстановления (t_в) и величиной неравномерности вершины. ПХ пользуются при анализе работы импульсных усилителей.

а б в г

а – амплитудная (передаточная); б – амплитудно-частотная; в – фазочастотная; г – переходная.

Рисунок 3.11 – Характеристики усилителя