Основные параметры усилительных каскадов

Свойства усилителя характеризуются его показателями, основными из которых являются: выходные и входные данные, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, амплитудная характеристика, нелинейные искажения.

К выходным данным относятся: номинальное (заданное техническими требованиями) выходное напряжение U_вых или выходная мощность P₂, отдаваемые усилителем при работе на заданную нагрузку, а также выходное сопротивление усилителя Z_вых, характеризующее изменение напряжения сигнала на выходе при изменении сопротивления нагрузки.

К входным данным относятся: номинальное входное напряжение U_BX или входной ток I_Вх, при которых усилитель отдает заданное техническими требованиями выходное напряжение или мощность в нагрузку, и входное сопротивление усилителя Z_вх.

Номинальная выходная мощность Р_ном – это мощность, выделяемая на нагрузке усилителя, при которой нели­нейные искажения усилителя соответствуют значениям, указанным в описании. При увеличении выходной мощности (за счет увеличения входного сигнала) эти искажения зна­чительно увеличиваются.

Коэффициентом усиления напряжения или просто коэффициент том усиления усилителя К называют отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе усилителя U_вых к напряжению сигнала на его входе U_вх

Чувствительность УНЧ – это напряжение низкочастот­ного сигнала, которое необходимо подать на вход усили­теля, чтобы получить на его нагрузке номинальную выходную мощность. Обычно она находится в пределах от 1—2 до 100—200 мВ.

Чувствительность усилителя можно определить с по­мощью амплитудной характеристики усилителя, выражающей зависимость выходного напряжения U_вых от вход­ного U_вх при постоянной (обычно 1000 Гц) частоте вход­ного напряжения. При малых значениях входного напряжения (примерно до 100 мВ) используется в основном ли­нейный участок входной ВАХ транзистора. Следовательно, выходное напряжение усилителя увеличивается пропорционально входному — амплитудная характеристика на этом участке линейна. При больших входных напряжениях указанная пропорциональ­ность нарушается — этому соответствует нелинейная часть амплитудной характеристики. За предельное значение входного сигнала считают то, при котором в амплитудной характеристике начинается переход от линейной части к нелинейной. На рис. 1.1 приведена амплитудная характе­ристика усилителя, у которой с точки а начинается нелинейная часть; следовательно, во избежание появления не­линейных искажений входной сигнал усилителя не может превышать 100 мВ. Если подключить к выходу усилителя электронный осциллограф, то эти искажения заметны на глаз, так как форма выходного напряжения отличается от синусоидальной: она ограничивается сверху и снизу. При­мер такого ограничения дан на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Амплитудная харак­теристика усилителя

Рис. 1.2. Осциллограмма выходного напряже­ния усилителя при

больших входных сигналах

Необходимо отметить, что по амплитудной характери­стике (в линейной части) можно определить коэффициент усиления усилителя по напряжению.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей собой зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Частотную характеристику строят в прямоугольных координатах, откладывая по вертикальной оси в линейном масштабе коэффициент усиления в относительных или логарифмических единицах, а по горизонтальной оси — частоту в герцах в логарифмическом масштабе (рис. 1.4, а). В экспериментально снятых частотных характеристиках по вертикальной оси вместо коэффициента усиления нередко откладывают выходное напряжение U_вых, имеющее место при подаче на вход постоянного по величине входного напряжения U_Вх =const различных частот.

Допустимая величина частотных искажений зависит от назначе­ния усилителя и изменяется в широких пределах. Например, для усилителей сигналов речи и музыки в рабочей полосе частот допускают частотные искажения от 1 до 6 дб в зависимости от качества усилителя и его назначения. Для усилителей измерительных приборов допустимые искажения определяются требуемой точностью измерения и могут составлять десятые и даже сотые доли децибела.

Рис. 1.4. Частотные характеристики усилителя,

а — обычная; б — нормированная.

Собственные шумы усилителя имеют несколько основных со­ставляющих: наводки и фон, шумы усилительных элементов, шумы от микрофонного эффекта.

Наводками называют посторонние напряжения, наводимые на цепи усилителя соседними электрическими приборами, усилителями, электродвигателями и т. д. Устранение наводок достигается экрани­рованием усилителя и его цепей и применением развязывающих фильтров в цепях питания.

Фоном называют периодическое напряжение в выходной цепи с частотами, кратными частоте сети переменного тока, питающей усилитель.

Шумы от микрофонного эффекта обусловлены тем, что некото­рые детали усилителя (например, электронные лампы) дают на вы­ходе постороннее напряжение при воздействии на них толчков, ударов и вибраций.

Нелинейными искажениями называют искажения формы выход­ного сигнала, обусловленные нелинейностью элементов схемы уси­лителя. Основная причина появления нелинейных искажений в уси­лителе — нелинейность входных и выходных характеристик транзис­торов и электронных ламп. Значительные нелинейные искажения могут вносить и трансформаторы усилителя вследствие нелинейности характеристики намагничивания материала их сердечников.

Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусоидальный сигнал, поданный на вход, и тем больше отно­сительная амплитуда высших гармоник в выходном сигнале. Поэто­му нелинейные искажения в усилителях гармонических сигналов удобно оценивать величиной коэффициента гармоник k_Г пред­ставляющего собой отношение действующего значения появившихся в выходном сигнале высших гармоник тока или напряжения к току или напряжению первой гармоники при активном сопротивлении нагрузки усилителя и подаче на его вход напряжения от генератора синусоидальной э. д. с:

; , (1-2)

где I₁, I₂, I₃ и т. д. — действующие или амплитудные значения пер­вой, второй, третьей и т. д. гармоник тока на выходе, a U₁, U₂, U₃ и т. д. — действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т. д. гармоник напряжения на выходе.

Допустимая величина коэффициента гармоник определяется на­значением усилителя. В усилителях для высококачественного вос­произведения речи и музыки допускают k_г порядка 1—2%, а в таких же усилителях среднего качества порядка 5—7%. В усилителях мно­гоканальной связи для устранения перекрестных искажений между каналами значение k_г нередко приходится снижать до 0,1% и ниже.

В рабочих условиях на вход усилителя гармонических сигналов приходит сложный сигнал, состоящий из ряда гармонических состав­ляющих. При этом нелинейность усилителя вызывает появление на выходе, кроме высших гармоник, еще и так называемых комбина­ционных частот, равных различным комбинациям суммы и разности пришедших на вход частот. Комбинационные частоты могут быть не кратны частотам, содержащимся во входном сигнале, и ухудшают качество звуковой передачи значительно сильнее, чем высшие гар­моники. Поэтому оценку нелинейности звуковых усилителей иногда производят по амплитуде комбинационной (суммарной или разност­ной) частоты, появляющейся на выходе усилителя при подаче на его вход гармонического колебания, состоящего из двух не кратных между собой частот.