Основные показатели усилителей.

1. Общие определения.

Усилителем электрического сигнала или просто усилителем (У) называется устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большой мощности на выходе с минимальными искажениями формы.

У силение осуществляется за счет потребления энергии от дополнительного источника питания. Форма входного и выходного сигнала остается неизменной, но последний получается усиленным по амплитуде. Таким образом, входной сигнал управляет преобразованием энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Классификация усилителей может выполняться по:

1. Характеру усиливаемых сигналов:

• У гармонических сигналов, У импульсных сигналов.

2. Полосе усиливаемых частот:

• У звуковых частот: >>1.1

• У высокой частоты, У промежуточной частоты – усиливают модулированные колебания. <<1.1

• У по току – усиливают сигналы от =0 до некоторой

3. Назначению:

• магнитофонные, телевизионные, радиолокационные, измерительные…

4. Роду используемых усилительных элементов:

- ламповые, транзисторные, на элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

2. Основные механические показатели усилителей

1. Входные параметры:

• Напряжение, ток, мощность во входной цепи, при которой усилитель отдает в нагрузку заданную мощность

• R_ВХ усилителя.

2. Выходные параметры:

• Мощность отдаваемая в нагрузку или напряжение или ток, развиваемые в нагрузке.

• R_ВХ усилителя.

3. Коэффициенты усиления:

;

;

;

при холостом ходе

Сквозной коэффициент усиления по напряжению:

В общем случае коэф. усиления – комплексная величина (обозначается K или K( )).

4. Частотные и фазовые характеристики.

Поскольку , то можно отдельно рассматривать модуль и аргумент комплексного :

-Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты.

- Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – это зависимость аргумента коэффициента усиления от частоты, или другими словами, это зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты.

! АЧХ и ФЧХ измеряются при входном гармоническом сигнале с фиксированной амплитудой и начальной фазой.

- Диапазон рабочих частот У – это диапазон от до в пределах которого абсолютное значение кэффициента усиления находится в пределах заданного допуска ( 3 дБ = 0.707).

- Коэффициент частотных искажений – задается для контрольной частоты, обычно для и :

Для нашего случая:

Таким образом, сигнал, проходя через усилитель, подвергается частотным искажениям. Частотные искажения появляются из-за неравномерности АЧХ и нелинейности ФЧХ, в результате чего сигналы на различных частотах усиливаются не пропорционально друг другу и запаздывают на разное время.

Линейность ФЧХ означает следующее:

Пусть , тогда выходной сигнал

- если не зависит от частоты, то между и - линейная зависимость.

(Типовая ФЧХ резисторного каскада)

Поскольку частотные искажения возникают из-за наличия в схеме реактивных элементов, то частотные искажения еще называют линейными искажениями, поскольку они не сопровождаются появлением новых составляющих.

5. Амплитудная характеристика

Это зависимость выходного напряжения (тока) от входного напряжения (тока).

-определяется собственными шумами;

- определяется допустимой величиной нелинейных искажений;

Верхний перегиб вызывается перегрузкой усилительного элемента.

- Динамический диапазон У:

6. Нелинейные искажения в Усилителе.

Возникают из-за нелинейности характеристик усилительных элементов (транзисторов, ламп). Нелинейные искажения характеризуются появлением новых составляющих в выходном сигнале, частоты которых отсутствовали во входном сигнале.

Если имеет место линейная связь между выходным и входным сигналом, то:

Пусть связь между и квадратичная, сл-но:

Таким образом sin-ый сигнал на выходе устройства будет состоять из постоянной составляющей и гармонического сигнала с удвоенной частотой, т.е. налицо нелинейные искажения – появление новых спектральных составляющих. В общем случае имеет место сложная зависимость между входным и выходным сигналами, в результате чего выходной сигнал состоит из постоянной составляющей и гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного сигнала:

Численно нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник:

-амплитуда напряжений соответствующих гармоник.

Для высококачественных усилителей , а для У среднего качества

Таким образом, величина линейных и нелинейных искажений характеризует точность воспроизведения У формы входного сигнала.

7. Входное и выходное сопротивления Усилителя.

По правилам входное и выходное сопротивления в общем случае комплексные величины. На средней частоте их можно с достаточной степенью точности принять чисто активными:

Выходное сопротивление легко определить, используя следующий метод:

Пусть имеется источник напряжения с неизвестным сопротивлением и ЭДС

Если подключить к нему резистор с переменным сопротивлением и изменять на нем напряжение то при получим:

Другой подход, это использовать закон Ома для полной цепи.

8. Шумы в усилителях.

Электрические флуктуации на выходе усилителя при отсутствии входного сигнала , характеризуют собственные шумы усилителя. Природа шума различна:

- тепловой шум, который обусловлен тепловыми флуктуациями электронов в любом проводнике с сопротивлением . Действующее значение шумовой ЭДС в полосе частот : (число электронов \ в единицу времени const), где -постоянная Больцмана=1.38* Дж\К, Т абсолютная температура;

- дробовый шум, который возникает из-за флуктуаций инжекции и экстракции в эмиттерном и коллекторном переходе;

- рекомбинационные шумы, возникающие из-за флуктуации

процессов рекомбинации и генерации носителей внутри базы;

- избыточный шум(фликкер-эффект),возникает за счет флуктуаций токов утечки в поверхностных слоях полупроводников.

Для оценки шумовых свойств транзисторов служит коэффициент шума , который определяется так же , как и для четырёхполюсников: ; - мощности шумов и сигналов на входе и выходе.

Чем меньше , тем выше шум (при ); чем меньше , тем интенсивнее рекомбинация в базе. (Кремниевые транзисторы «шумят» сильнее, чем германиевые.)

Шумовые диоды: для построения генераторов используется эффект начала электрического пробоя (при ), поскольку он характеризуется неустойчивостью, то возникает, то пропадает(стабилитроны).