8.2 Основні характеристики та параметри еп

Для оцінки ЕП як функціонального вузла використовують кількісні та якісні по­казники, які називають вторинними (вихідними) параметрами або функціями схеми. До них належать:коефіцієнт підсилення; коефіцієнт частотних спотворень; динамічний діапазон; коефіцієнт гармонік; коефіцієнт корисної дії (ККД); амплітудна характеристика; амплітудно-частотна, фазочастотна та перехідна характеристики.

Коефіцієнт підсилення визначається відношенням амплітудного значення напруги ( струму, потужності) на виході підсилювача до амплітудного значення напруги (струму потужності) на його вході і показує, як змінилися амплітудні значення вихідного сигналу порівняно із вхідним.

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

Якщо підсилювач має п каскадів, то:

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):

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

при цьому коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача

Характеристики підсилювача. Для оцінки спроможності ЕП передавати та перетворювати ЕІС з допустимими спотвореннями використовують амплітудно–частотні , фазочастотні, 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. Як тестовий для отримання АЧХ та ФЧХ використовують гармонічний сигнал, частота якого змінюється в частотному діапазоні. Так виконуються дослідження в частотній області. 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 називають частотним спотворенням. Воно спричинене: - наявністю в схемі реактивних (лінійних) елементів (конденсаторів, індуктивностей) запланованих (передбачених) та паразитних ( небажаних); - частотними параметрами активних компонентів; - ємність та індуктивність навантаження. Так як частотні спотворення обумовлені наявністю конденсаторів та індуктивностей -. лінійних елементів, то ці спотворення називають лінійними.

Частотні спотворення, які вносить підсилювач на частоті ƒ, враховують коефіцієнтом частотних спотворень М, який визначається відношенням модулів коефіцієнтів підсилення на середній К_п0 і заданій (досліджуваній) частоті К_{п ƒ}:

М = К_п0 /К_{п ƒ}

Д ля багатокаскадного підсилюва:

При проектуванні ЕП фіксуються граничні частоти нижня (ƒ_н.гр) та верхня (ƒ_в.гр), які визначають смугу пропускання підсилювача Δƒ = ƒ_в.гр. – ƒ_н.гр, в межах якої лінійні спотворення М_н = К_п0 /К_п.н і М_в = К_п0 /К_п.в не перевищують величин, зафіксованих в технічному завдані. В ідеальному випадку, коли підсилювач не вносить частотних спотворень (М = 1), частотна характеристика повинна бути прямою (рис.8.1.а) ), паралельною осі частот. Наприклад, підсилювачі постійного струму не вносять частотних спотворень в області низьких частот.

Для оцінки можливості використання ЕП в конкретній апаратурі, зазвичай, як параметри служать ƒ_в.гр. та ƒ_н.гр, на яких модуль коефіцієнт передачі за потужністю зменшується в 2 рази, що відповідає зменшенню модулів коефіцієнтів передачі за напругою чи струмом в 0.707 від максимального значення, або на -3 дБл.

Максимальний коефіцієнт підсилення RCпідсилювача досягається в області середніх частот. В області нижніх та верхніх частот він спадає. Звертаю увагу на наступне. При досліджені пасивних схем ( диференціюючих та інтегруючих) максимальний коефіцієнт передачі К = 1, а тому граничні частоти визначаються на частотах, де він зменшується до -3дБл. При проведені досліджень таких схем в MS за допомогою візірної лінії Bode Plotter визначають граничні частоти на вказаному рівні послаблення передачі сигналу. 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, що обумовлює зміну його форми на виході. Для виключення фазових спотворень необхідно щоб ЕП забезпечував на виході фазовий кут φ пропорційний частоті. При цьому будь яка гармоніка складного сигналу має той самий часовий зсув τ, а фазова характеристика φ = – 2πƒτ буде ідеальною( зображена на рис.8.1.б штриховою лінією). 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 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. Розглянуті характеристики використовуються при аналізі пристроїв та систем в частотній області.

Амплітудна характеристика (АХ). 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 залежить від коефіцієнта підсилення на даній частоті.

Я кщо 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.

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. 8.2), оцінюють за допомогою одного з найважливіших показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оцінюється як

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. Як і в простих схемах, розглянутих в першому розділі (1.6.5; 1.6.6.). така характеристика відображає реакцію ЕП ( вихідний сигнал ) при подачі на вхід східчастого (тестового) сигналу. Вона дозволяє оцінити тривалість перемикання схеми, тривалість перехідних процесів. Такі тестові сигнали та ПХ використовуються при аналізі імпульсних та цифрових пристроїв в часовій області. Перехідні характеристики конкретних типів ЕП розглядаються нижче.

Нелінійні спотворення. Активні компоненти відрізняються нелінійністю характеристик ( розд.3 та 4 ). В результаті при обробці чисто гармонічного сигналу на виході формується складний сигнал. При наявності нелінійних спотворень вихідний підсилений сигнал несе струм (напругу) не лише першої гармоніки (вхідного сигналу) і струми (напруги) вищих гармонік, починаючи з другої, які відсутні у вхідному сигналі. 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:

де Р₁, І₁, U₁ – потужність, струм та напруга першої гармоніки; п – номер гармоніки.

Д ля підсилювача з m аскадів

Це ілюструє рис.8.3., на якому зображені вхідна характеристика транзистора за схемою 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 (ККД), що є важливим показником для підсилювачів середньої та особливо великої потужності, визначають із співвідношення

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

Такий параметр, зазвичай, використовують при аналізі вихідних (потужних) ЕП графоаналітичним методом ( розд.4.6).