Лекция 4 Усилители электрических сигналов
Усилителем называется устройство, мощность на выходе которого во много раз больше мощности на входе за счет использования энергии источника питания. Такое определение предполагает (рисунок 4.1) наличие источника питания ИП, источника сигнала ИС, нагрузки Н.
Рисунок 4.1 - К определению понятия «усилитель»
Мощность, потребляемая
от источника питания
,
в основном передается в нагрузку
,
однако, незначительную часть потребляет
сам усилитель – это мощность потерь
,
которая расходуется на нагрев элементов
схемы (кпд усилителя
).
Для описания свойств усилителей существует целая система количественных и качественных показателей, а также ряд характеристик. К основным показателям следует отнести коэффициенты усиления, входное и выходное сопротивления, полосу пропускания. Графически свойства усилителя отображаются амплитудной, амплитудно-частотной и фазовой характеристиками.
4.1 Коэффициенты усиления
Коэффициент усиления есть отношение приращения выходной величины к приращению входной величины.
Различают коэффициент усиления
по напряжению
;
(4.1)
по току
;
(4.2)
по мощности
.
(4.3)
Обычно выходной величиной усилителя считают напряжение, поэтому чаще всего под коэффициентом усиления подразумевают коэффициент усиления по напряжению.
Достаточно часто коэффициенты усиления выражают в логарифмическом масштабе – в децибелах
,
,
.
(4.4)
4.2 Входное и выходное сопротивления
Входное и выходное сопротивления относятся к основным параметрам усилителя. Знание входного сопротивления позволяет учесть влияние усилителя на источник сигнала, известное выходное сопротивление позволяет учесть влияние нагрузки на усилитель.
Для анализа влияния
этих сопротивлений представим усилитель
в виде активного четырехполюсника
(рисунок 4.2) Усилительные свойства в
эквивалентной схеме отображает
коэффициент усиления по напряжению в
режиме холостого хода
,
т.е. при отключенной нагрузке.
Рисунок 4.2 - Эквивалентная схема усилителя напряжения
Из эквивалентной
схемы следует, что коэффициент усиления
по напряжению
с учетом сопротивления источника сигнала
и сопротивления нагрузки
определяется из следующих выражений:
;
(4.5)
;
(4.6)
;
(4.7)
.
(4.8)
Желая получить
наибольший коэффициент усиления по
напряжению
,
необходимо обеспечить выполнение двух
неравенств:
- первое
- усилитель
имеет потенциальный вход,
т.е. не нагружает источник сигнала;
- второе
- усилитель
имеет потенциальный выход,
т.е. усилитель является источником
напряжения.
Когда выполняются оба неравенства, такой усилитель называют усилителем напряжения, т.к. он обеспечивает наибольший коэффициент усиления по напряжению.
Рассмотрим влияние
сопротивлений на коэффициент усиления
по току, используя эквивалентную схему
(рисунок 4.3), где усилительные свойства
отображает коэффициент усиления по
току в режиме короткого замыкания
.
.
Рисунок 4.3 -
Эквивалентная
схема усилителя тока
Из эквивалентной
схемы следует, что коэффициент усиления
по току
с учетом сопротивления источника сигнала
и сопротивления нагрузки
определяется из следующих выражений:
;
(4.9)
;
(4.10)
;
(4.11)
.
(4.12)
Желая получить
наибольший коэффициент усиления по
току
,
необходимо обеспечить выполнение двух
неравенств:
- первое
- усилитель
имеет токовый вход,
т.е. весь ток
протекает через вход усилителя;
- второе
- усилитель
имеет токовый выход,
т.е. усилитель
является источником тока.
Когда выполняются оба неравенства, такой усилитель называют усилителем тока, т.к. он обеспечивает наибольший коэффициент усиления по току.
Коэффициент
усиления по мощности
также зависит от соотношений между
сопротивлениями
и
,
и
.
(4.13)
Исследуя один из дробных сомножителей на поиск максимального значения, можно убедиться, что коэффициент усиления по мощности принимает максимальное значение при выполнении двух равенств:
- первое
- усилитель имеет мощностной вход, т.е.
в этом случае мощность, отдаваемая
источником сигнала в усилитель, имеет
максимальное значение;
- второе
-
усилитель имеет мощностной выход, т.е.
в этом случае мощность, отдаваемая
усилителем в нагрузку, имеет максимальное
значение.
Когда выполняются оба условия, усилитель называют усилителем мощности, т.к. коэффициент усиления по мощности принимает максимальное значение
.
(4.14)