Лекция № 11. Основные технические показатели усилителей.

 

План лекции.

 

1.     АЧХ;

2.     ФЧХ;

3.     Переходная характиристика.

 

Усилители характеризуются рядом технических показателей. В зависимости от того, какие из показателей считают основными, формируются требования к проектированию усилителей и выбираются способы их технической реализации. К основным показателям относятся: коэффициент усиления, амплитудно-фазово-частотные и переходные характеристики, коэффициент нелинейных искажений, уровень помех, чувствительность, устойчивость, входные и выходные сопротивления. Спроектированное устройство должно удовлетворять определенному сочетанию упомянутых показателей.

В первую очередь усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению:

или по току:

или по мощности:

Коэффициенты усиления определяются в установившемся режиме и определяются либо в безмерных, либо в логарифмических единицах децибелах.

 

К_U= 20lgk_U; К_i= 20lgk_i; K_Р= 20lgk_Р

 

Для характеристики усилительных свойств чаще используются коэффициенты усиления по напряжению, обозначаемой в комплексной форме . Поскольку в нагрузке усилителя имеются реактивные элементы, коэффициент усиления зависит от частоты.

Коэффициент в области частот, в пределах которой он практически постоянен, называют номинальным коэффициентом усиления К₀.В общем случае, если усилитель содержит n каскадов:

где  – коэффициент j-ого каскада или в децибелах:

Частотные свойства усилителя отображаются амплитудно и фазочастотной характеристиками. Первая из них представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты К(f). При анализе усилителей используют нормированную АЧХ: М(f) = K(f)/K₀(рис. 2.2.1).

 

 

рис. 2.2.1. Нормированная амплитудно-частотная характеристика усилителя.

 

Идеальная АЧХ – горизонтальная прямая М(f) = 1. Для каждой конкретной частоты f_iзначения М(f_i) являются мерой частотных искажений. Часто вместо понятия "частотные искажения" вводят понятие "спада частотной характеристики" Е(f) = 1-M(f). Для оценки ширины полосы пропускания значения частотных искажений на граничных частотах принимают равными М_Н= М_В= 0.707 (-3дб). Тогда ширина полосы пропускания:f = f_В– f_Н. Если усилитель выполнен на n каскадах, результирующую АЧХ строят в соответствии с выражением:

где – АЧХ j-ого каскада.

В случае, когда коэффициент усиления выражен в децибелах получаем:

Фазочастотная характеристика представляет собой зависимость от частоты сдвига фаз между входным и выходным сигналами, обусловленного реактивными свойствами отдельных элементов каскада.

ФЧХ "n" каскадного усилителя определяется равенством:

где  – ФЧХ i-ого каскада.

При усилении прямоугольных импульсов качество работы усилителя оценивается его переходной характеристикой.

Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при воздействии на вход усилителя напряжения ступенчатой формы. Из-за наличия реактивных элементов, например, емкости, напряжение на входе устанавливается постепенно. Для оценки переходных искажений используют нормированную переходную характеристику h(t) = U_ВЫХ(t)/K₀при U_ВХ(t) = 1(t).

Искажение формы импульса можно определить, зная время нарастания переднего фронта t_Ф(т.е. время нарастания переходной характеристики от 0.1 до 0.9), выброс вершиныи спад вершиныза время действия импульса длительностью t_И(рис. 2.2.2).

 

 

рис. 2.2.2. Реакция усилителя на импульсный сигнал.

 

АЧХ и переходная характеристика связаны равенствами:

 

f_В = 0.35/t_Ф ; f_Н = /2*t_И

 

Нелинейные искажения представляют собой искажения выходного сигнала, вызванные наличием в усилителе нелинейных элементов.

Особенностью нелинейных искажений по сравнению с линейными (амплитудными и фазовыми) является появление в спектре выходного сигнала новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале.

Мерой нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений

где U₂, U₃… – амплитуды или действующие значения высших гармоник. U₁– амплитуда или действующее значение первой (основной) гармоники.

В выходном напряжении наряду с основной составляющей сигнала всегда присутствует составляющая помехи. Уровень помех на выходе не должен превышать некоторой определенной доли выходного сигнала. Основные помехи, возникающие внутри усилителя, – это фон и шумы.

ФОН – добавочное напряжение на выходе, вызванное питанием усилителя от сети переменного тока или наводками от внешних полей.

Уменьшение фона достигается за счет:

1.     сглаживания пульсацией питающего напряжения;

2.     использованием отрицательной ОС;

3.     рациональной конструкцией и грамотным монтажом устройства.

Одной из причин возникновения помехи является нестабильность нулевого положения выходного уровня сигнала или дрейф нуля, вызванный температурной нестабильностью параметров транзисторов, изменением напряжения источников питания и параметров активных и пассивных элементов схемы. Численно дрейф нуля оценивают его значением, отнесенным к входу усилителя. Снижению уровня дрейфа способствуют стабилизации питающих напряжений и температуры, использование компенсирующих элементов, применение специальных схемных решений, введение цепей ООС по постоянному току.

Одним из важнейших показателей усилителя является чувствительность. Под чувствительностью понимают меру изменения той или иной характеристики усилителя, вызванного изменением одного или нескольких элементов схемы. Например, чувствительность коэффициента усиления к параметру х будет выражаться зависимостью:

Входное сопротивление усилителя представляют в виде параллельного соединения входного сопротивления R_ВХвходной емкости С_ВХ

Выходное сопротивление усилителя рассматривается в качестве внутреннего сопротивления источника сигнала по отношению к внешней нагрузке. Требования к выходному сопротивлению зависят от нагрузки усилителя.

Для улучшения качественных показателей усилителей широко используется ООС. При наличии ООС часть выходного сигнала пере дается на вход с противоположной по отношению к входному сигналу фазой. Поэтому введение ООС вызывает уменьшение коэффициента усиления; но при этом удается снизить уровень нелинейных искажений, повысить стабильность усилителя, улучшить АЧХ и АФХ. В ряде случаев с помощью ООС формируются необходимые функциональные зависимости выходного сигнала от входного и решают задачи, связанные с построением аналоговых и цифро-аналоговых устройств на базе усилите лей.

В усилителях ООС характеризуется глубиной ОС, определяемой как отношение коэффициента усиления при отсутствии ООС к той же величине при ее действии:

F = K_Р/К_з

Глубина ОС выражается как F = 1 + K_ОС*К_Р,поэтому коэффициент усиления усилителя при наличии ООС

следовательно, введение ООС уменьшает коэффициент усиления в F раз, и улучшает стабильность коэффициента усиления в такое же число раз.

При глубокой ООС, Когда K_ОС*К_Р>> 1 из выражения для К_зследует, что коэффициент усиления усилителя с ООС равен 1/ K_ОСи практически не зависит от К_Р, т.е. свойства усилителя определяются только цепями ОС.

Применение ООС позволяет расширить полосу равномерно усиливаемых частот. Вместе с тем наличие реактивных элементов в усилителе приводит к снижению устойчивости усилителей с ООС. Поэтому при расчете многокаскадных усилителей с ООС важное значение приобретают вопросы устойчивости.