3.2.2. Характеристики підсилювачів

До найважливіших технічних показників підсилювача відносять: коефіцієнти підсилення (за напругою, струмом і потужністю), вхідний і вихідний опір, вихідну потужність, коефіцієнт корисної дії, номінальну вхідну напругу, чутливість, діапазон підсилюємих частот, динамічний діапазон амплітуд і рівень власних завад, а також показники, що характеризують нелінійні, частотні і фазові викривлення підсилюємого сигналу.

Коефіцієнт підсилення – один із важливіших показників підсилювача. Він показує у скільки разів корисний ефект в навантажені на виході підсилювача більше ефекту, що створюється джерелом сигналів на його вході. Корисний ефект на виході може визначатись напругою, струмом або потужністю. Відповідно і підсилювач характеризують його коефіцієнтом підсилення напруги К_u, струму К_i або потужності К_p. Вони визначаються в сталому режимі при синусоїдальному вхідному сигналі. Отже, коефіцієнт підсилення – це відношення величини відповідного параметра сигналу на виході до величини цього параметра сигналу на вході підсилювача:

К_u = U_вих / U_вх; К_i = І_вих / І_вх; К_p = Р_вих / Р_вх;

Якщо підсилювач складається з кількох (n) каскадів, то К = К₁К₂ …К_n.

Вихідний сигнал може бути відмінним від вхідного не тільки за величиною, але і за фазою. Тому в загальному випадку коефіцієнти підсилення за напругою і за струмом є величинами комплексними, а от про коефіцієнт підсилення за потужністю може йти мова лише при активному характері навантаження. Тому коефіцієнт підсилення за потужністю – величина дійсна.

Часто коефіцієнт підсилення відображають не у відносних, а в логарифмічних одиницях, тобто використовують не К, а його логарифм. Доцільність цього зумовлена тим, що органи відчуття людини сприймають підвищення сили зовнішнього подразнення не пропорційно, а значно повільніше: де

S – суб’єктивне сприйняття підсиленого сигналу;

S₀ – суб’єктивне сприйняття вхідного сигналу;

U – фактична амплітуда підсиленого сигналу;

U₀ – фактична амплітуда вхідного сигналу;

A – коефіцієнт пропорційності.

Так, якщо сила звуку підвищиться в 100 разів, то суб’єктивно це підвищення сприйметься як збільшення приблизно в 2 рази (lg 100 = 2).

Одиниця фізичної величини, що визначається як десятковий логарифм безрозмірного відношення деякої фізичної величини до однойменної фізичної величини, яка приймається за висхідну, має найменування бел [Б, В_(англ)] (1 Б = lg(Р₂ / Р₁) при Р₂ = 10 Р₁, де Р₂ і Р₁ – однойменні енергетичні одиниці; 1 Б = 2 lg(F₂ / F₁) при F₂ = F₁, де F₂ і F₁ – однойменні силові одиниці) ¹.

В електроніці використовується зазначена одиниця з префіксом “деци” – децибел [дБ, dB_(англ)] (1 дБ = 0,1 Б).

Співвідношення:

К_u[Дб] = 20lgK_u =20lg(U_вих / U_вх);

К_i[Дб] = 20lgK_i =20lg(I_вих / I_вх);

К = 10^0,05К[Дб] (для напруги і струму).

К_p[Дб] = 10lgK_p = 10lg(Р_вих / Р_вх);

К_p = 10^0,1Кp[Дб].

Для переходу до децибелів при логарифмі відношень потужностей ставиться множник 10, а при логарифмі відношень напруг або струмів – 20. Це пояснюється тим, що потужність пропорційна квадрату напруг або квадрату струму (P = U² / R = I²R).

Для багатокаскадних підсилювачів коефіцієнт підсилювання, виражений в децибелах, уявляє собою суму коефіцієнтів підсилення окремих каскадів підсилювача, виражених в тих же одиницях

К_[Дб] = K_1[Дб] + K_2[Дб] + … + K_n[Дб] = 20(lgK₁ + lgK₂ + … + lgK_n).

Вхідний опір підсилювача R_вх в порівнянні з опором джерела сигналу R_дж зумовлює тип підсилювача за призначенням. Так у підсилювачів напруги R_вх >> R_дж; у підсилювачів струму R_вх << R_дж; у підсилювачів потужності R_вх = R_дж.

П ідсилювач можна розглядати як активний чотирьохполюсник, до вхідних клем якого підключено джерело підсилюємого сигналу, а до вихідних – опір навантаження. Така еквівалентна схема підсилювача наведена на рис. 3.17. Джерело вхідного сигналу показано у вигляді генератора напруги з ЕРС Е_дж, що має внутрішній опір R_дж. Отже підсилювач є навантаженням джерела вхідного сигналу і його зовнішнім колом з опором R_вх = U_вх / I_вх. В залежності від співвідношення внутрішнього опору джерела R_дж і вхідного опору підсилювача R_вх джерело сигналу може працювати в режимі холостого ходу (R_вх >> R_дж), короткого замикання (R_вх << R_дж) і в узгодженому режимі (R_вх = R_дж)¹. Відповідно з цим розрізняють для вхідного кола підсилювача режими підсилення напруги, струму і потужності.

Аналогічно, з боку вихідного кола підсилювач можна розглядати як генератор напруги з ЕРС Е_вих і внутрішнім опором R_вих до якого підключено навантаження R_н. Таким навантаженням підсилювача може бути не тільки кінцевий пристрій (споживач), але і вхід наступного каскаду підсилювача.

Вихідний опір R_вих визначається між вихідними клемами підсилювача при відключеному опорі навантаження. В залежності від співвідношення вихідного опору підсилювача R_вих і опору навантаження R_н вихідне коло підсилювача також може працювати в режимі холостого ходу (R_н >> R_вих), короткого замикання (R_н << R_вих) і в узгодженому режимі (R_н = R_вих). Відповідно з цим розрізняють і для вихідного кола підсилювача режими підсилення напруги, струму і потужності.

І вхідний і вихідний опір можуть бути чисто активними або мати реактивну складову (індуктивну або ємнісну). Зокрема, вхідна ємність С_вх суттєво впливає на таку характеристику підсилювача як ширину робочого діапазону частот. Отже, вхідний і вихідний опір підсилювача, оскільки і опір навантаження, в загальному випадку мають комплексний характер, але вхідні і вихідні струми і напруги звичайно визначають в умовах, при яких ці опори можна вважати активними.

Вихідна потужність – це корисна потужність, що розвиває підсилювач в опорі навантаження. При активному характері опору навантаження вихідна потужність навантаження дорівнює Р_вих = U_вих²/R_н, де U_вих – діюче значення вихідної напруги.

Збільшення вихідної потужності підсилювача обмежене викривленнями, які виникають за рахунок нелінійності характеристик підсилюємих елементів при великих амплітудах сигналів. Тому частіше підсилювач характеризують номінальною потужністю (Р_ном) – найбільшою потужністю на навантаженні, при якій нелінійні викривлення не перевищують допустимі значення.

Коефіцієнт корисної дії важливо враховувати для підсилювачів середньої і великої потужності, оскільки він дозволяє оцінити їх економічність. Чисельно він дорівнює η = Р_ном / Р_жив·100%, де Р_жив – потужність, що споживається підсилювачем від всіх джерел живлення.

Чутливість підсилювача (номінальна вхідна напруга) – напруга на вході підсилювача, при якій на виході розвивається номінальна потужність. Чим менша вхідна напруга, що забезпечує номінальну вихідну потужність, тим вища чутливість підсилювача. Подача на вхід підсилювача напруги, що перевищує номінальну, призводить до значних викривлень сигналу і називається перенавантаженням з боку входу.

Якщо підсилювач призначений для роботи від кількох джерел сигналу, то його вхід розраховується звичайно на найменшу напругу, яку дає одне з джерел, а інші джерела сигналу включаються через відповідні дільники напруг.

Робочий діапазон частот – це смуга частот, в межах якої коефіцієнт підсилення змінюється не більше, ніж це допустимо за технічними умовами і частотні викривлення не перевищують певне (визначене) допустиме значення.

Для вибіркових підсилювачів замість терміна робочий діапазон частот вживають термін смуга пропуску.

Динамічний діапазон амплітуд виражений в децибелах – це відношення максимальної амплітуди вхідної напруги, при якій сигнал ще не викривляється, до мінімальної амплітуди вхідної напруги, при якій сигнал ще достатньо перевищує заваду (помеху _рус). Динамічний діапазон звичайно визначають у логарифмічних одиницях – децибелах: D = 20∙lg (U_{вх max}/U_{вх min}) [Дб].

Власні завади у вигляді незначної напруги на виході при нульовому вхідному сигналі притаманні кожному підсилювачу. Причина її появи є наведення, фон від джерел живлення, шуми та ін.

Наведенням називають напругу, утворену сторонніми джерелами, зокрема електричними машинами, статичними електромагнітними пристроями, робота яких ґрунтується на принципі електромагнітної взаємодії¹. Напруга наведення може виникати внаслідок утворення паразитних кіл зв’язку електричного і магнітного видів між джерелом завад і підсилювачем. Наведення з боку зовнішніх електричних і магнітних полів усуваються застосуванням розв’язуючих фільтрів в джерелах завад і екрануванням підсилювача або його окремих кіл (головним чином вхідних кіл).

Фоном називають напругу, що має частоту мережі живлення або частоту кратну частоті цієї мережі. Виникнення фону є результатом недостатнього згладжування пульсацій випрямленої напруги джерел живлення².

Шум виникає внаслідок хаотичного руху носіїв зарядів в провідниках і напівпровідниках. В кожний момент часу кількість носіїв, що рухаються в одному напрямку, перевищує кількість носіїв, що рухаються в інших напрямках. Переважний рух носіїв в будь-якому напрямку є електричним струмом і, отже, при цьому утворюється напруга. Шумова напруга, внаслідок своєї випадковості, має різні частоти і фази і тому практично охоплює всю смугу частот підсилювача. Всі кола підсилювача створюють напругу шумів, однак істотне значення мають власні шуми перших каскадів, оскільки ці шуми в подальшому підсилюються всіма наступними каскадами. Вперше з такою напругою зіштовхнулись при створенні радіомовних приймачів, в яких вона після підсилення попадала на гучномовець і створювала відповідний шум. Це і зумовило назву такої завади.

Величина загальних завад на виході підсилювача повинна бути значно меншою напруги підсиленого сигналу, інакше із хаотично змінюваної напруги завад неможливо буде виокремити корисний сигнал. Звичайно вважають, що корисний сигнал повинен перевищувати рівень завад не менш ніж у 2–3 рази (на 6–10 Дб).

При підсиленні електричних сигналів можуть виникнути частотні, фазові і нелінійні викривлення.

Викривлення, що виникають у підсилювачі внаслідок неоднакового підсилення сигналів різної частоти називають частотними викривленнями. Вони виникають за рахунок реактивних елементів схеми, які можуть бути і неявними (наприклад, міжелектродні ємності). Залежність коефіцієнта підсилення від частоти вхідного сигналу відображають графічно. Цей графік має назву частотна характеристика підсилювача.

Існує поняття коефіцієнта частотних викривлень – це відношення коефіцієнта підсилення К₀ на середній частоті діапазону до коефіцієнта підсилення К на даній частоті – М = К₀/К. Для звукового підсилювача викривлення не відчуваються, якщо М знаходиться в межах 0,7  1,4.

Ф азові викривлення зумовлені присутністю частотно-залежних елементів. Сигнали різної частоти після підсилення мають неоднакові зсуви в часі, що призводить до викривлення форми складного вхідного сигналу в результуючому сигналі (для звукових підсилювачів ці викривлення несуттєві, а для відео-, телесигналу ці викривлення призводять до подвоєння та розмивання контуру).

Нелінійні викривлення виникають за рахунок нелінійних елементів (транзисторів, дроселів, трансформаторів та ін.). Для звукового сигналу ці викривлення призводять до зміни тембру звуку. Ілюстрація появи викривлень синусоїдального сигналу через нелінійність характеристики транзистора показана на рис. 3.18.