1. Основные определения

Усиление представляет собой процесс управления источником энергии (источником питания усилителя) в результате воздействия на него усиливаемых сигналов через усилительный элемент (транзистор, электронная лампа). При этом управляемая мощность Р_о (источника питания) заметно превышает управляющую Р₁ (источника усиливаемых сигналов), называемую входной мощностью (рис. 1). Часть мощности Р_о, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), представляет собой выходную мощность Р₂.

Источник сигнала Р₁

Нагрузка

Р₂

Усилитель

Р_о

Источник питания

Рис. 1. Общая схема усилительного устройства.

Способность усилителя увеличивать мощность сигнала оценивается коэффициентом усиления мощности К_P= Р₂/Р₁, который, очевидно, должен быть больше единицы.

Простейший усилитель состоит из одного усилительного каскада, в который кроме транзистора входят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, которые обеспечивают режим работы транзистора по постоянному току и передачу сигнала в его входной и выходной цепях.

Более сложный усилитель образуется из нескольких усилительных каскадов, соединенных последовательно. При этом сигнал, усиленный одним каскадом, поступает на вход следующего.

Первые каскады работают при слабом сигнале, т. е. небольшом входном напряжении, и называются каскадами предварительного усиления; их назначение—повышение уровня напряжения сигнала, чтобы обеспечить достаточное возбуждение выходного каскада. Каскады предварительного усиления используют небольшие участки вольт-амперных характеристик электронных приборов, амплитуды переменных составляющих токов и напряжений оказываются значительно меньше постоянных составляющих.

Выходная мощность Р₂, отдаваемая нагрузке R₂, создается выходным каскадом, получившим название каскада усиления мощности. Выходные каскады работают при наиболее высоком уровне сигнала и используют всю вольт-амперную характеристику (ВАХ) электронного прибора, то есть ток через эти приборы и напряжение, приложенное к ним, изменяются в процессе работы от нуля до максимально допустимых для электронного прибора значений.

2. Основные технические показатели и характеристики усилителей:

• коэффициент усиления по мощности — К_P= Р₂/Р₁; по напряжению — К_U= U₂/U₁; по току — К_I= I₂/I₁; коэффициент усиления многокаскадного усилителя находится путем умножения коэффициентов усиления отдельных каскадов К=К₁К₂К₃...К_N;

• при измерении коэффициента усиления в дБ: N_P=10lgК_P; N_U=20lgК_U; N_I=20lgК_I; N=N₁+N₂+N₃+...+N_N;

• выходная мощность, отвечающая заданной норме нелинейных искажений, называется номинальной выходной мощностью; P₂=U₂²/R₂=R₂I₂²=U₂I₂, где U₂ - номинальное выходное напряжение, R₂ - сопротивление нагрузки, I₂ — номинальной выходной ток;

• номинальное входное напряжение U₁, при котором значение мощности (или напряжения) на выходе равно номинальному;

• входное сопротивление усилителя - R₁=U₁/I₁;

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость коэффициента усиления К или усиления N=20lgК от частоты; при изображении АЧХ усилителей частоту откладывают в логарифмическом масштабе, при котором абсцисса х точки, отвечающей частоте f, пропорциональна логарифму x=x₁₀lg(f/f_нач), где f_нач—частота в начале координат (х=0); x₁₀—длина одной декады, т. е. длина, соответствующая десятикратному изменению частоты (при логарифмическом масштабе длины всех декад, а также октав одинаковы); геометрической середине рабочего диапазона частот отвечает средняя частота f_о = f_нf_в, вблизи которой коэффициент усиления сохраняет постоянное значение N_o (К_о); левее расположена область нижних частот (0f₀), а правее - верхних частот (f₀);

• 

  Рис. 2.1. Нормированная амплитудно-частотная характеристика

  влияние реактивных параметров - емкостей и индуктивностей вызывает частотные искажения; то есть неравномерное усиление в рабочем диапазоне частот. В этом случае синусоидальный сигнал не изменяет своей формы, а сложный сигнал будет искажаться из-за различного усиления составляющих его спектра, а также из-за дополнительных фазовых сдвигов, возникающих между этими составляющими. Оценивают частотные искажения, сравнивая реальную АЧХ с идеальной зависимостью N=(f), за которую обычно принимают горизонтальную прямую N=N₀; отклонение Y=N—N₀ и является мерой частотных искажений;

• при заданной величине частотных искажений определяют рабочий диапазон частот усилителя (на рис. 2.1 при заданной неравномерности АЧХ Y=2 дБ рабочий диапазон частот усилителя 31,258000 Гц, f_н=31,25 Гц, f_в=8000 Гц);

• при большом сигнале коэффициент усиления будет зависеть от величины входного сигнала, в этом случае даже синусоидальный сигнал перестает быть синусоидальным (искажается). Эти искажения называют нелинейными, так как они обусловлены нелинейностью ВАХ электронного прибора. Нелинейные искажения оцениваются по коэффициенту гармоник, который находят как квадратичную сумму амплитуд (или действующих значений) высших гармоник выходного напряжения (тока), отнесенную к амплитуде (действующему значению) первой гармоники выходного напряжения (тока);

• отношение сигнал/шум, равный 20lg(U₂/U_2п), где U₂—выходное напряжение сигнала при номинальной выходной мощности, U_2п— напряжение интегральной помехи на выходе при отсутствии сигнала.