Основные характеристики усилителя

Важнейшими характеристиками усилителя являются: коэффициент усиления, полоса пропускания (диапазон рабочих частот усилиеля), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, степень искажения усиленного сигнала и др.

Коэффициент усиления — отношение установившихся значений входного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:

По напряжению K_U=ΔU₂/ΔU₁;

По току K_i= ΔI₂/I₁;

По мощности K_p = ΔP₂/ΔP₂

Где U_1, U_2, I₁ ,I₂ — действующие напряжения и токи.

Так как ΔP = ΔU/I, то коэффициент усиления по мощности K_p = K_UK_i.

При каскадном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т. е.

И общем случае коэффициенты усиления являются комплексными величинами, что отражает наличие фазовых искажений усиливаемого сигнала.

В электронике и автоматике широко используют логарифмические единицы оценки коэффициента усиления, который выражается в децибелах. Тогда коэффициент усиления но мощности

Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно записать соответственно:

Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усилителей. Действительно, общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя при переходе к логарифмическим единицам измерения определяется в отличие от (5.2) суммой коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е. К_общ[дБ] = К₁[дБ] + К₂[дБ] +...+ К_n[дБ].

Рис. 5 4. Амплитудно-частотная (а) и логарифмическая амплитудно-частотная (б) характеристики усилительного устройства

П олоса пропускания усилителя — диапазон рабочих частот Δω в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже значения 1/√2=0,707 от своего максимального значения К_мах зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой АЧХ усилителя. Пример АЧХ показан на рис. 5.4, а. Если восстановить, перпендикуляр из точки на оси абсцисс, соответствующей значению К_Uмах /√2, до пересечения с АЧХ, то не представляет труда графическим путем определить полосу пропускания усилителя. Проекция на ось абсцисс первой точки пересечения соответствует нижней (ω_н), а второй — верхней (ω_в) частотам пропускания усилителя. Тогда полоса пропускания

Если коэффициент усиления измеряется в децибелах, то значениям граничных частот усиления ω_н и ω_в соответствует уменьшение коэффициента усиления на 3 дБ (рис. 5.4,6).

Для удобства взаимного сопоставления АЧХ усилителей с различными значениями К_тах. их обычно нормируют, представляя выходной параметр в видео тносительной величины, т. е.

где К(ω) и К_тах — коэффициент усиления на частоте ω_в и максимальное значение коэффициента усиления.

П рименительно к АЧХ,показанной на рис. 5.4, а, имеем

Рис.5.5 Нормированные Рис. 5.6 Появление нелинейных амплитудно-частотные характе- икажений в усилителе

ристики усилителей постоянного (а)

и переменноного (б) токов

Входное и выходное сопротивления — важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала (датчиком), так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты. Последняя зависимость особенно важна в случае действия на входе усилительного устройства непериодического сигнала.

Входное и выходное сопротивления определяются выражениями

Ч асто на практике интересуются только активными составляю­щими входного и выходного сопротивлений. В этом случае для них справедливы следующие выражения:

где U_2x — напряжение холостого хода на выходе усилителе (R_н, = ∞); I_2к — ток короткого замыкания (R_H = 0).

Выходная мощность усилителя — это та часть мощности, кото рая может быть выделена в нагрузочном устройстве. В случае активной нагрузки она равна

где G_H=1/R_н — проводимость нагрузочного устройства.:

Искажение сигналов в усилителе связано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых элементов, и, во-вторых, с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала. Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (амплитудные и фазовые), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала. Динамические искажения иногда называют линейными искажениями.

Причина возникновения нелинейных искажений поясняется на рис. 5.6. Очевидно, что в данном случае при воздействии на вход усилительного устройства гармонического сигнала, выходной сигнал кроме входной гармоники будет содержать ряд дополнительных гармоник. Появление этих гармоник обусловлено зависимостью коэффициента усиления от величины входного сигнала. Следовательно, появление нелинейных искажений всегда связано c появлением на выходе дополнительных, отсутствующих на входе, гармонических составляющих сигнала. I

Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) К_и в основу расчета которого положена оценка относительной вели чины высших гармоник к основной в выходном сигнале, т. е.

где А₂...А_n — действующие значения высших гармоник выходного сигнала, начиная со второй; А₁—действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала. I

Ч астотные искажения усилительного устройства оцениваются по виду его амплитудно-частотной характеристики АЧХ. Причины возникновения частотных искажений рассмотрим на примере устройства, АЧХ которого приведена на рис. 5.7, а. Предположим, что на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме

Рис. 5 7. Возникновение частотных искажений в усилителе:

а - амплитудно частотная хврактеристика усилителя, б— входные сигналы усилителя, в— выходные сигналы усилителя

двух гармоник одинаковой амплитуды, причем ω₂ = 2ω (рис. 5.7,б). Тогда напряжение на выходе усилителя примет вид, показанный на 5.7, в. Сравнение суммарного входного u_BXΣ и выходного и_выхΣ сигналов показывает, что они существенно различны.

И з приведенных рассуждений видно, что идеальной (с точки зрения отсутствия частотных искажений) является АЧХ, у которой для всех усиливаемых частот выполняется соотношение К_U(ω) = const. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, численно равным отношению коэффициента усиления в области средних частот для АЧХ к коэффициенту усиления на заданной частоте.

Фазовые искажения возникают из-за неравномерности фазо-частотной характеристики (ФЧХ) усилительного устройства (сплошная кривая на рис. 5.8,а). Условием идеальности ФЧХ является условие независимости фазы от частоты усиливаемого шла (штриховая линия на рис. 5.8,а), которая соответственно описывается линейной зависимостью вида φ(ω) =const. Однако условие независимости фазы от частоты на практике можно обеспечить и ФЧХ имеет вид сплошной линии на рис. 5.8, а. Рассмотрим на примере природу возникновения фазовых искажений в усилительном каскаде.

Р ис. 5 8 Возникновение фазовых искажений в усилителе: а — фазо-частотная характеристика усилителя; б — выходные сигналы усилителя

Предположим, как и в случае амплитудных искажений сигнала, что на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник, причем частоты этих сигналов отличаются в 2 раза (см рис. 5.7,а). Предположим также, что фазовый сдвиг, вносимый усилительным устройством между частотами равен л/2. Вид выходного сигнала усилительного устройства при сделанных допущениях показан на рис. 5.8,б. Очевидно, что (как и в предыдущем случае) формы входного и выходного сигналим существенно различны.

Следует заметить, что так как на практике в усилительном устройстве используются только минимально фазовые звенья, м между его АЧХ и ФЧХ существует однозначная взаимосвязь. Пи этому рассмотренные примеры являются идеализированными и в реальном устройстве отделить частотные искажения от фазовые не представляется возможным.

Переходные характеристики представляют собой зависимости, мгновенного значения выходного напряжения или тока от перепали значений соответствующего электрического параметра с нулевой длительностью фронта на входе усилительного устройства. Эти характеристики используются для определения динамических свойств устройства. Типовой вид переходной характеристики усилителя приведен на рис. 5.9. Численно по данной характеристике определяют два параметра: время нарастания выходного напряжения t_наР и перерегулирование выходного напряжения ΔU_выx Оба эти параметра определяются относительно нового установившегося значения выходного напряжения U_{Вых,Уст}.

Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя. Для получения высоких коэффициентов усиления необходимо каскадное включение нескольких усилителей, обеспечивающее последовательное усиление сигнала до требуемого значения