6. Усилители

Усилителемназывается устройство, предназначенное для увеличения параметров пере­да­ва­емого электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель имеет входную цепь для подключения источника вход­ного сигнала и выходную цепь, с которой выход­ной сигнал снимается и подается в нагрузку. для цепи нагрузки.

1. Основные технические показатели усилителя

Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току, мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

1. Коэффициенты усиления

• по напряжению ; (6.1)

• по току ; (6.2)

• по мощности . (6.3)

Для усилителя возможны различные значения коэффициентов K_U, K_I, K_P,но принципиально то, что коэффициент усиления по мощностиK_P обычно существенно больше единицы. Из этого следует, что больше единицы будет хотя бы один из двух коэффициентовK_U, K_I.

При построении многокаскадных усилителей результирующий коэффициент усиления определяется произведением коэффициентов усиления его отдельных каскадов.

K_U общ =K_U1K_U2…K_Un (6.4)

K_I общ =K_I1K_I2…K_In (6.5)

K_P общ =K_P1K_P2…K_Pn (6.6)

В электронике получил распространение способ выражения коэффициента усиления усилителя в логарифмических величинах — децибелах [дБ].

K_P[дБ] = 10lg(6.7)

В многокаскадных усилителях суммарный логарифмический коэффициент усиления может быть опреде­лен как сумма логарифмических коэффициентов усилителя отдельных каскадов.

2. Входное и выходное сопротивления усилителя

Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным — сопротивление нагрузки. Усилитель одно­временно является нагрузкой для цепи источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки. Под входным сопротивлением усилителя понимаем отношение входного напряжения к входному току:

R_ВХ=. (6.8)

Выходное сопротивление усилителя определяется между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки:

R_ВЫХ= –приU_ВХ=const. (6.9)

Знак «минус» показывает, что положительному характеру выходного сопротивления соответствует уменьшение выходного напряжения при возрастании выходного тока.

В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления источника R_ГиR_ВХисточник сигнала может работать в режимах:

• холостого хода (при R_ВХ >> R_Г);

• короткого замыкания (при R_ВХ <<R_Г);

• согласования (при R_ВХR_Г);

Аналогичные режимы возможны и для выходной цепи:

• холостого хода (при R_ВЫХ >> R_Н);

• короткого замыкания (при R_ВЫХ <<R_Н);

• согласования (при R_ВЫХR_Н);

3. Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя характеризует мощность, передаваемую усилителем в нагрузку. При активном характере сопротивления нагрузки

P_ВЫХ==, (6.10)

где U_ВЫХ — действующее значение выходногонапряжения;

U_m ВЫХ— амплитудное значение выходногонапряжения.

Возрастание выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счет нелинейности характеристик усилительных элементов при больших значениях амплитудных сигналов. Поэтому чаще всего усилитель характериуют максимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, что искажения не превышают заданной (допустимой) величины. Эта мощность называется номинальнойвыходной мощностью усилителя.

4. Номинальное входное напряжение усилителя (чувствительность)

Под номинальным входным напряжением понимается входное напряжение, при котором усилитель развивает номинальную выходную мощность в согласованной нагрузке. Чем меньше величина номинального входного напряжения, тем выше чувствительность усилителя. Подача на вход усилителя U_ВХбольше номинального значенияU_НОМприводит к значительным искажениям сигнала и называетсяперегрузкойсо стороны входа.

5. Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя

Под коэффициентом полезного действия усилителя понимается отношение номинальной выходной мощности усилителя к суммарной мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания.

=100 % (6.11)

6. Диапазон усиливаемых частот

Диапазоном усиливаемых частот или полосой пропускания усилителя называется область частотного диапазона входного сигнала, в которой модуль его коэффициента усиления изменяется не более, чем это допустимо по техническим условиям. В частности, для усилителей низкой частоты допустимые изменения коэффициента усиления составляют 3 дБ.

7. Уровень собственных помех усилителя. Динамический диапазон амплитуд

Даже при отсутствии сигнала на входе на выходе усилителя существует напряжение, отличное от 0. Причинами возникновения паразитного выходного сигнала являются:

1. тепловые шумы пассивных компонентов схемы (увеличиваются с повышением температуры);

2. шумы активных усилительных элементов;

3. помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электрических и магнитных полей.

Шумовые напряжения, в силу своей случайности, имеют самые различные частоты и фазы, и поэтому практически охватывают всю полосу частот усилителя. С увеличением полосы пропускания усилителя уровень шума возрастает. Шум тем больше, чем выше температура, которая создает напряжение тепловых шумов.

U_Т.Ш.0,13приt⁰ = 20–25⁰ C, (6.12)

где U_Т.Ш. — напряжение теплового шума,[мкВ];

_Ви_Н— верхняя и нижняя частота рассматриваемого диапазона,[кГц];

R — эквивалентное активное сопротивление цепи в полосе частот от_Ндо_В,[кОм].

Особенно большое влияние оказывают собственные шумы первых усилительных каскадов.

Уровень шумов транзисторов обычно оценивают коэффициентом шума, выраженным в децибелах, который показывает, на сколько децибел включенный в цепь транзистор повышает уровень шумов по сравнению с тепловыми шумами цепи.

Большое влияние на общий уровень помех усилителя оказывают пульсации напряжения источников питания и наводки со стороны внешних электрических и магнитных полей.

Уменьшение шумовых помех может быть достигнуто применением дополнительных сглаживающих фильтров на выходе источников питания и тщательной экранировкой наиболее ответственных цепей усилителя (главным образом, входных, так как их собственные шумы и пульсации усиливаются последующими каскадами).

При проектировании усилителей входные каскады геометрически стремятся расположить вдали от источников электромагнитных помех (трансформаторов, дросселей, выходных зажимов).

Зависимость модуля выходного напряжения усилителя от модуля входного напряжения усилителя на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристикиусилителя.

При нулевом значении входного напряжения выходное значение напряженияU_ВЫХ minопреде­ляется уровнем собственных шумов усилителя и помехами. При больших значениях (U_ВХ> U_ВХ max) реальная амплитудная характеристика расходится с идеальной из-за перегрузки усилительных элемен­тов со стороны входа.

Таким образом, реальный усилитель может усиливать без заметных искажений напряжения от U_ВХ min доU_ВХ max. Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называютдинамическим диапазоном. Динамический диапазон обычно выражают в децибелах:

D[дБ] =20lg(6.13)