Эквивалентные схемы и коэффициенты усиления усилителя

На рис. 7–10 показаны эквивалентные схемы усилителей для переменного тока на различных активных четырехполюсниках. Анализ проводится для средних частот.

ИНУН является основой усилителя на рис. 7.

Рис. 7. Усилитель на ИНУН

Коэффициент усиления

Сквозной коэффициент усиления

,

Развернутый вариант сквозного коэффициента усиления

Необходимо заметить, что все передачи в данных формулах являются безразмерными. Типичным примером ИНУН является операционный усилитель (ОУ). Выпускаемые в виде отдельной микросхемы ОУ широко применяются в качестве активных элементов электрической цепи.

ИТУН является основой усилителя рис. 8.

Рис. 8. Усилитель на ИТУН

Коэффициент усиления

Сквозной коэффициент усиления

где

Развернутый вариант сквозного коэффициента усиления

Передачи S и k₂ имеют размерность 1/Ом и Ом соответственно.

ИНУТ является основой усилителя (рис. 9).

Рис. 9. Усилитель на ИНУТ

Сквозной коэффициент усиления

Учитывая, что

получаем развернутый вариант сквозного коэффициента усиления

Передачи Z и k_1И имеют размерность Ом и 1/Ом соответственно.

ИТУТ является основой усилителя (рис. 10).

Сквозной коэффициент усиления

При

получаем развернутый вариант

Передачи k₁ и k₂ имеют размерность 1/Ом и Ом соответственно.

Рис. 10. Усилитель на ИТУТ

Коэффициенты передачи μ, Ѕ, Z, h₂₁ представляют собой вещественные числа и характеризуют соответствующий активный четырехполюсник.

Сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного на 180º будет учитываться знаком «минус».

Эквивалентную схему усилителя на любом активном четырехполюснике можно представить в виде графа передачи на рис. 11, где коэффициенты передачи зависимых четырехполюсников указаны одним обобщенным знаком А. Рис. 11. Граф передачи

Многокаскадный усилитель

В большинстве случаев для получения необходимого усиления одного УЭ может оказаться недостаточно и тогда в усилителе используют несколько УЭ, соединенных так, что сигнал, усиленный одним УЭ, с помощью пассивных элементов связи подводится к входу следующего УЭ для последующего усиления и т. д. При этом один УЭ и отнесенные к нему ЭС образуют усилительный каскад, а все каскады вместе образуют многокаскадный усилитель.

На рис. 12 в качестве примера приведена структурная схема трехкаскадного усилителя, где каскады – активные четырехполюсники K₁, K₂, K₃, входящие в состав усилителя, соединены между собой каскадно. К входу этого трехкаскадного усилителя подключен источник сигнала (e_1И, R_1И), а к выходу – нагрузка (R_2H).

Рис. 12. Трехкаскадный усилитель

Входной каскад K₁, с одной стороны, является нагрузкой (R_ВХ1) для источника сигнала усилителя e_1И, R_1И, а с другой стороны – зависимым источником сигнала e_ВЫХ1, R_ВЫХ1 для следующего, предвыходного каскада K₂, который, в свою очередь, является нагрузкой (R_ВХ2) для входного каскада K₁, и зависимым источником сигнала e_ВЫХ2, R_ВЫХ2 для выходного каскада K₃, а выходной каскад K₃, являясь нагрузкой (R_ВХ3) для предвыходного каскада, будет зависимым источником сигнала e_ВЫХ3, R_ВЫХ3 для нагрузки усилителя R_2H.

Самым мощным каскадом многокаскадного усилителя является выходной (оконечный) каскад K₃, который обеспечивает в нагрузке требуемые напряжение U_ВЫХ, ток I_ВЫХ и мощность Р_ВЫХ. Он потребляет от собственного источника питания наибольшую мощность Р₀₃.

Ему предшествуют каскады предварительного усиления (входной K₁ и предоконечный K₂), предназначенные для предварительного усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы выходного каскада K₃. Предварительные каскады потребляют от собственного источника питания небольшую мощность.

Все каскады – активные четырехполюсники K₁, K₂, K₃ – входят в состав общего активного четырехполюсника K = K₁K₂K₃.

Коэффициенты усиления каскадов определяются выражениями

коэффициент усиления трех каскадов –

сквозной коэффициент первого каскада –

где

В итоге сквозной коэффициент усиления первого каскада

Далее получим те же коэффициенты усиления в децибелах:

Глава 2

ЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Линейные искажения – это отклонения формы сложного гармонического или импульсного сигнала на выходе усилителя от формы сигнала на его входе, вызванные влиянием реактивных элементов усилителя (емкостных, индуктивных), а также влиянием инерционных свойств УЭ усилителя.

Линейные искажения в отличие от нелинейных не сопровождаются появлением в спектре сигнала новых гармонических составляющих. Методы оценки этих искажений в гармонических и импульсных усилителях различаются.

В гармонических усилителях для оценки линейных искажений применяют метод частотных характеристик, при котором рассматриваются зависимости от частоты комплексных коэффициентов передачи усилителя.

В импульсных усилителях для оценки линейных искажений применяют метод переходных характеристик, при котором рассматриваются в зависимости от времени переходные процессы установления токов и напряжений в цепях усилителя, связанные с процессами зарядки-разрядки реактивных элементов схемы.

В гармонических усилителях линейные искажения называются амплитудно-частотными (сокращенно – частотными) и фазочастотными (фазовыми). Зависимости модулей и аргументов коэффициентов усиления от частоты определяет линейные искажения.

Искажения формы сложного гармонического сигнала, вызванные изменениями соотношений амплитуд спектральных составляющих сигнала на выходе усилителя по сравнению со спектром сигнала на его входе вследствие неодинакового значения модулей коэффициентов усиления отдельных гармонических составляющих сигнала, называют частотными искажениями.

Искажения же формы сложного гармонического сигнала, вызванные неодинаковыми сдвигами во времени отдельных его гармонических составляющих из-за вносимых усилителем фазовых сдвигов в процессе усиления, называют фазовыми искажениями.