Общие сведения об усилителях Определение усилителя и усилительного каскада

Усилитель – это устройство, предназначенное для увеличения (повышения) мощности входного сигнала за счёт потребления энергии от внешнего источника питания.

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

В то же время, термин «усилитель» не вполне корректно, но традиционно употребляется для устройств управления мощными электрическими нагрузками, например, «релейный усилитель» и «магнитный усилитель».

Электронный усилитель – усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках.

Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры – радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Электронный усилитель можно рассматривать какчетырёхполюсник, который имеет пару входных зажимов, к которым подключается источник входного сигнала , и пару выходных зажимов для подключения нагрузки(рис. 1).

Обязательным узлом усилителя является источник питания ИП (аккумулятор, выпрямитель и др.). С информационной точки зрения усилитель с помощью активных элементов (транзисторов, электронных ламп, …) преобразует входной сигнал в выходной: форма выходного сигнала обычно не должна сильно отличаться от формы входного сигнала. Усилители относятся к аналоговым устройствам. С энергетической точки зрения усилитель преобразует мощность, потребляемую от источника питания, в мощность выходного сигнала, а источник входного сигнала управляет процессом преобразования.

Грубой ошибкой является утверждение о том, что мощность на выходе усилителя берётся с его входа.

Электронные усилители обычно состоят из двух или трех каскадов, соединяемых так, что выход одного каскада соединяется со входом следующего каскада.

Каскад – это элементарная ячейка усилителя, обладающая усилительными свойствами, дальнейшее расчленение которой на более простые части приводит к потере усилительных свойств этими частями. Таким образом, усилительные каскады являются наиболее простыми усилителями.

Основные параметры и характеристики усилителя

Параметры – это числовые значения

Характеристики – это графики зависимостей одних величин от других

Основными параметрами усилителей являются:

1) входные и выходные данные:

входные

номинальные входное напряжение U_вх

входной ток I_вх

входная мощность P_вх = U_вхI_вх

входное сопротивление R_вх

выходные

номинальные выходное напряжение U_вых

выходной ток I_вых

выходная мощность P_вых = U_выхI_вых

выходное сопротивление R_вых

2) коэффициенты усиления:

по напряжению

по току

по мощности ;

3) коэффициент полезного действия

, (1)

где – мощность, потребляемая от источника питания;

4) динамический диапазон

, (2)

где – максимально допустимое входное напряжение, превышение которого вызывает недопустимые нелинейные искажения сигнала;

–минимальное входное напряжение, ниже которого выходной сигнал невозможно различить на фоне собственных помех усилителя.

Для оценки прохождения через усилитель синусоидального сигнала используется комплексный коэффициент усиления. Например, комплексный коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение комплексных амплитуд (и) или действующих значений (и) выходного и входного напряжений:

, (3)

где – угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями,

 – круговая частота входного сигнала.

Иногда модуль комплексного коэффициента усиления обозначается черезK_U().

Аналогично (3) определяется комплексный коэффициент усиления по току.

При замене в выражении (3) j на комплексную переменную p получается передаточная функция усилителя. Например, передаточная функция по напряжению может быть записана как

.

Основными характеристиками усилителя являются:

1) амплитудная характеристика U_вых = f (U_вх), называемая также характеристикой вход-выход (рис. 2).

Для усилителей такая зависимость передаточной характеристикой НЕ называется.

Амплитудная характеристика снимается в установившемся режиме работы чаще всего при подаче на вход синусоидального, а иногда – медленно изменяющегося сигнала. Рабочим участком характеристики является её практически линейный участок при U_вх  U_{вх.макс} ;

2) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость модуля коэффициента усиления от частотыf или  = 2f (рис. 3);

3) фазочастотная характеристика (ФЧХ), иногда называемая просто фазовой характеристикой, представляет собой зависимость угла сдвига по фазе выходного сигнала относительно входного  от частоты  (рис. 3);

АЧХ и ФЧХ называютсячастотными характеристиками усилителя, обычно при их построении частота откладывается в логарифмическом масштабе, т.е. по оси частот  в равномерном масштабе откладывается lg . При этом низкочастотная область характеристик растягивается по оси частот, а высокочастотная область сжимается. Коэффициент усиления также часто выражают в логарифмических единицах – децибеллах (дБ):

K_U(дБ) = 20 lgK_U . (4)

Аналогично в децибеллах выражается коэффициент усиления по току:

K_I(дБ) = 20 lgK_I ,

а коэффициент усиления по мощности:

K_P(дБ) = 10 lgK_P  = 10 lg(K_UK_I) = 10 lgK_U + 10 lgK_I . (5)

Если эквивалентная схема усилителя представляет собой минимально-фазовую цепь, т.е. его передаточная функция не имеет нулей в правой полуплоскости, то существует однозначная связь между АЧХ и ФЧХ усилителя.

Из кривых на рис. 3 следует, что существует диапазон частот, в котором модуль коэффициента усиления мало зависит от частоты, называемый областью средних частот, или полосой пропускания усилителя. В этом диапазоне частот фаза  приблизительно линейно зависит от частоты . Вне области средних частот коэффициент усиления отклоняется от значения K_U0 в сторону уменьшения. Для количественной оценки протяженности области средних частот вводят граничные частоты (низшую _н и высшую _в), на которых модуль коэффициента усиления K_U уменьшается по сравнению со значением на средних частотных K_U0 соответственно в М_н и М_в раз. Часто принимают М_н = М_в =. ЧислаМ_н и М_в называются коэффициентами частотных искажений. Коэффициент частотных искажений на произвольной частоте  определяется как M() = K_U0/K_U().

В настоящее время широко применяются усилители постоянного тока, у которых АЧХ не имеет спада вплоть до нулевой частоты (рис. 4) и низшая граничная частота _н = 0.

Пример. Задано выражение для комплексного коэффициента усиления

,

где T₁ и T₂ – постоянные времени. Требуется найти выражения для АЧХ, ФЧХ и высшей граничной частоты _в при М_в = .

Решение. Модуль коэффициента усиления, т.е. АЧХ, при K₀ > 0 определяется формулой

.

Подставляя  = _в , , получаем уравнение относительно частоты_в :

,

откуда имеем биквадратное уравнение

.

Его решение:

,

где знак минус перед квадратным корнем отбрасываем, поскольку .

Часто бывает, что одна из постоянных времени T₁, T₂, по крайней мере, в несколько раз превышает другую. Пусть T₁ > T₂, . Тогда

.

Представляя квадратный корень двумя первыми членами разложения в степенной ряд , получаем:

,

т.е. верхняя граничная частота определяется большей постоянной времени.

Для нахождения ФЧХ воспользуемся тем, что аргумент дроби равен разности аргументов числителя и знаменателя:

4) переходная характеристика – зависимость мгновенного значения выходного напряжения при подаче на вход усилителя скачка напряжения; этой характеристикой пользуются для оценки усилителей импульсных сигналов.

Форма входного сигнала и возможный видпереходной характеристики усилителя представлены на рис. 5. Если выходной сигнал u_вых(t) разделить на амплитуду входного сигнала U_вх , то получается так называемая переходная функция усилителя h(t).

На переходной характеристике можно выделить быстроизменяющуюся часть – фронт – длительностью t_ф и медленно изменяющуюся часть – вершину. Оказывается, что длительность фронта t_ф примерно обратно пропорциональна высшей граничной частоте _в , т. е. частота _в определяет быстродействие усилителя.

Низшая граничная частота _н связана со спадом вершины выходного импульса: чем больше частота _н , тем больше спад вершины. Поэтому в усилителе постоянного тока нет спада вершины.