3 Электронные усилители

3.1 Классификация и основные параметры усилителей

Усилители электрических сигналов - это электронные устройства, предназначенные для усиления или повышения мощности входных сигналов за счет энергии источника питания.

Если рассматривать источник сигнала, который управляет передачей энергии источника питания в нагрузкуR_H, как идеальный генератор напряжения Е_Г с внутренним сопротивлением R_Г, а усилитель как эквивалентный четырехполюсник с параметрами, указанными на рис. 3.1.1, то в зависимости от соотношения входного сопротивления усилителя R_вх и R_Г различают:

- усилитель напряжения, если R_вх >> R_Г ;

- усилитель тока, если R_вх << R_Г ;

- усилитель мощности, если R_вх  R_Г.

В зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя R_вых и R_Н:

- усилитель напряжения, если , R_вых << R_Н ;

- усилитель тока, если R_вых >>R_Н;

- усилитель мощности, если R_вых R_Н.

Нагрузкой усилителя может быть другой усилитель, в этом случае он рассматривается как каскад, обеспечивающий одну ступень усиления, а все усилительное устройство - как многокаскадный усилитель. В многокаскадные усилители входят: входной или предусилительный, промежуточный, предвыходной или предоконечный и выходной или оконечный каскады.

По характеру связи между каскадами усилителей последние делят на усилители с емкостной (или RC), трансформаторной, резонансно-трансформаторной, непосредственной или гальванической связями.

По характеру изменения сигнала во времени усилители бывают постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот, начиная с нулевой частоты. Усилители переменного тока подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

- избирательные усилители, усиливающие сигналы фиксированной частоты или электрические сигналы в узком спектре частот, у которых отношение верхней граничной частоты пропускания к нижней f_в/f_н<1;

- широкополосные усилители с большим диапазоном частот усиливаемого сигнала, для которых отношение f_в/f_н>>1.

Усилители постоянного тока и импульсные усилители -широкополосные. Под условной полосой пропускания понимают частотный диапазон, в пределах которого уровень выходного сигнала не ниже 0,707 максимальной амплитуды сигнала, частоты f_н и f_в называются граничными частотами полосы пропускания f = f_н - f_в.

К основным параметрам, которые характеризуют качественные и количественные характеристики усилителя, относятся коэффициент усиления, точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала, коэффициент полезного действия.

Коэффициент усиления. Показывает, во сколько раз приращение выходной величины напряжения, тока или мощности больше соответствующего изменения на входе.

Коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности, соответственно, равны:

Для многокаскадного усилителя суммарный коэффициент усиления

,

где N число каскадов.

Коэффициент усиления принято выражать в логарифмических единицах (дБ) в связи с тем, что слуховой аппарат человека воспринимает изменение громкости звука по логарифмическому закону:

Точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В реальном усилителе сигнал на выходе, кроме временной задержки t, которая не вносит изменений в форму входного сигнала, содержит нелинейные и линейные искажения.

Основными факторами, обусловливающими нелинейные искажения, является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителей.

Рассмотрим нелинейную входную характеристику I_Б = f(U_бэ) усилителя на транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.1.2). При подаче на базу напряжения синусоидальной формы U_вх (t) = U_БЭmaxsint входной ток I_Б(t), а следовательно, и выходной отличны от синусоиды. Из рисунка видно, что в точках а, б и с наклон входной характеристики различен. Следовательно, и коэффициент усиления транзистора (который пропорционален тангенсу угла наклона касательной в этих точках) будет отличаться. Чем ближе точка к началу координат, тем меньше коэффициент усиления, и, наоборот, чем ближе точка к участку, соответствующему режиму насыщения транзистора, тем коэффициент усиления больше. Потому приращение базового тока от воздействия положительной полуволны входного сигнала I_б^/ будет больше, чем аналогичное приращение от отрицательной полуволны I_б^//. Это приводит к появлению в составе входного сигнала ряда высших гармоник. Уровень нелинейных искажений будет тем больше, чем больше размах входного сигнала относительно рабочей точки (а) и описывается коэффициентом  нелинейных искажений по формуле:

.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов

_ = _x + ₂ + ₃ + ... + V_N,

где N - число каскадов.

В многокаскадных усилителях нелинейные искажения, в основном, появляются в предоконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Линейные искажения в усилителях, в основном, объясняются зависимостью коэффициента передачи тока базы и реактивных сопротивлений элементов схемы от частоты. Принято оценивать характер линейных искажений по амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристикам усилителя. Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально гармоники входного сигнала усиливаются усилителем не одинаково, так как реактивные сопротивления элементов схемы по-разному зависят от частоты и в сумме дают искажение формы и амплитуды входного сигнала. Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений

где K₀ - модуль коэффициента усиления на средней частоте; K_i - модуль коэффициента усиления на заданной частоте. В многокаскадных усилителях суммарный коэффициент частотных искажений усиления равен произведению коэффициентов частотных искажений каскадов.

Для граничных частот условной полосы пропускания усилителя коэффициенты частотных искажений, соответственно, равны

и

Фазовые искажения не вносят изменений в спектральный состав и соотношение гармоник сигнала. Поскольку спектральные составляющие входного сигнала приобретают в усилителе различный фазовый сдвиг, то, суммируясь на выходе, они вызывают искажение формы сигнала. Фазовые искажения отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения и наоборот.

Коэффициент полезного действия усилителя относится к важным количественным показателям усилителей мощности. Различают электрический и полный к. п. д.

Электрический к. п. д. определяется как

где Р₀ - мощность, потребляемая коллекторной цепью от источника питания; Р - полезная мощность, выделяемая в нагрузке. Полный к. п. д.

,

где Р_0бщ - мощность, потребляемая всеми цепями усилителя от источников питания.

Кроме перечисленных параметров к основным относятся входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя.