Основные параметры и характеристики усилителей

К важнейшим параметрам усилителей относятся коэффициент усиления, полоса пропускания, входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент нелинейных искажений, КПД.

Коэффициент усиления по напряжению – отношение амплитуды переменного выходного напряжения к амплитуде переменного входного напряжения усиливаемого сигнала: К_U = ΔU_вых / ΔU_вх. Аналогично определяют коэффициенты усиления по току и мощности. Если усилитель многокаскадный, то его общий коэффициент усиления есть произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Коэффициент усиления может выражаться в децибелах.

Вообще в децибелах выражается отношение т.н. энергетических величин (энергия, мощность).

Бел – это десятичный логарифм отношения. Поэтому

К _Р(дБ) = 10lg(P₂/P₁).

Если в децибелах выразить отношение напряжений или токов, то, учитывая, что мощность (энергия) пропорциональна квадрату напряжения или тока, получаем:

КU(дБ) = 20lg(U2/U1).

ДБ можно применять и для измерения абсолютных значений, если относить сигнал к общепринятому опорному уровню. Так, в связи за опорный уровень принята мощность 1 мВт на сопротивлении 600 Ом, что соответствует напряжению 0,775 В. В акустике опорное звуковое давление 20 мкПа соответствует порогу слышимости.

Переход от дБ к "разам" и обратно (для напряжений):

20 дБ ~ 10 раз; 40 дБ ~ 100 раз и т.д.

Некоторые часто встречающиеся соотношения: при оценке зависимости К_U от частоты часто фиксируют, когда коэффициент передачи падает в Ö2 раз, что ~ 3 дБ; соотв. в 2 раза ~ 6 дБ.

Выражать отношение в дБ удобно, когда величина меняется в очень широком диапазоне, а также потому что складывать дБ проще, чем умножать разы, а также потому что многие реакции живых организмов пропорциональны логарифму воздействия (уровень громкости, равномерная музыкальная шкала).

Полоса пропускания. С повышением частоты усиливаемого сигнала коэффициент усиления рано или поздно снижается. У многих усилителей такой спад наблюдается и при низких частотах (показать примерный вид АЧХ). Полоса пропускания усилителя – это такой диапазон усиливаемых частот, в котором коэффициент усиления падает менее чем в 0,707 раз от наибольшего значения (~ спаду 3 дБ).

Входное сопротивление. Для нормальной работы усилителя оно должно быть много выше выходного сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление усилителя должно быть много меньше, чем сопротивление нагрузки (пояснить, почему). Если это не выполняется, то усилитель необходимо согласовать. Согласование – это осуществление операций, направленных на обеспечение возможности передачи наибольшей энергии от её источника к потребителю с минимумом потерь и искажений. Типовой приём согласования входа транзисторного усилителя с низким сопротивлением и выхода источника сигнала с высоким сопротивлением состоит в установке между ними транзисторного каскада на биполярном или полевом транзисторах, которые включены по схемам с общим коллектором или общим стоком. Известно, что такие каскады обладают высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Номинальная выходная мощность усилителя – это наибольшая мощность, которую он может отдать с нагрузку без превышения заданного значения коэффициента нелинейных искажений и без перегрева усилительного прибора (транзистора). Выходную мощность обычно находят согласно выражению: Р = U_вых / R_н, .

Нелинейные искажения – это искажения, в результате которых на выходе возникают новые гармоники, которые отсутствовали в исходном сигнале. Степень искажений, вносимых усилителем, принято оценивать с помощью коэффициента гармоник

где U_i – действующее значение i-й гармоники выходного напряжения при условии, что входное напряжение синусоидально.

Иногда используется показатель коэффициент нелинейных искажений:

где U – действующее значение выходного напряжения.

Эти два показателя связаны между собой соотношением

и при малых искажениях практически совпадают.

КПД усилителя (обычно выражается в процентах):

η = (Р_вых / Р_п) · 100, %,

где Р_вых - выходная мощность усилителя, Вт; Р_п - мощность, которую потребляет усилитель от источника пита­ния, Вт.

К основным характеристикам усилителей относятся амплитудная, амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная характеристики (ФЧХ).

Амплитудной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного переменного напряжения от амплитуды входного напряжения (называют также передаточной характеристикой или характеристикой вход-выход). Вместо амплитудных можно оперировать среднеквадратическими напряжениями. Амплитудная характеристика усилителя показана на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Амплитудная характеристика

Зная амплитудную характеристику, можно найти динамический диапазон усилителя. Он равен отношению максимального входного напряжения к минимальному входному напряжению, при условии, что эти напряжения соответствуют линейному участку амплитудной характеристики. Принято выражать в дБ: D = 20 lg(U_{вх.макс} /U_вх.мин), дБ.

АЧХ – это зависимость выходного напряжения от частоты сигнала при фиксированном входном напряжении (рис.). Можно сказать, что АЧХ – это зависимость К_U(f). Зная АЧХ, можно установить полосу пропускания усилителя. Бывает, что удобно использо­вать зависимость коэффициента усиления устройства от частоты сигнала, получаемую при неизменном входном напряжении. Часто для удобства график АЧХ строят в логарифмическом масштабе.

ФЧХ – зависимость от частоты фазового сдвига между входным и выходным сигналами. По фазовой характеристике можно судить об устойчивости усилителя и об искажениях сигнала.

Рис. 10.2. АЧХ и ФЧХ