Основные параметры и характеристики

Глава вторая

УСИЛИТЕЛИ

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал лишь управляет передачей энергии от источника питания в нагрузку.

Принцип действия усилителя удобно пояснить с помощью схемы, приведенной на рис. 2.1. Основой усилителя являются два элемента: сопротивление и управляемый активный элемент АЭ (например, полевой транзистор), сопротивление которого изменяется под действием входного сигнала . За счет изменения сопротивления АЭ изменяется ток, протекающий от источника питания с напряжением в цепь, состоящую из R и АЭ. В результате будет меняться падение напряжения на элементах схемы, а, следовательно, и выходное напряжение . В правильно спроектированном усилителе напряжения нетрудно получить .

Основные параметры и характеристики

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада, приведенную на рис. 2.2. Здесь усилитель представлен как активный четырехполюсник с общей шиной для входа и выхода. Входной сигнал от генератора напряжения , имеющего внутреннее сопротивление , подается на вход усилителя, а на выходе усилителя подключено сопротивление нагрузки .

Генератор и нагрузка не являются частями усилительного каскада, но часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2.2 представляется своими входным и выходным сопротивлениями.

По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения, тока и мощности. Все усилители усиливают мощность, но усилитель напряжения главным образом усиливает напряжение, а в усилителе тока в большей степени усиливается ток.

Удобно подразделять усилительные каскады по соотношениям величин и . Если в усилителе , то он имеет потенциальный вход и является усилителем напряжения. В усилителе тока , т.е. имеет место токовый вход и усилители мощности, которые работают на согласованную нагрузку ( ).

Как правило, усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис. 2.3). Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа. Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада, а источником входного сигнала для второго каскада является выход первого каскада и т. д. Первый каскад называется входным, а последний - выходным или оконечным. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому для усилителя напряжения требуется иметь в нем большое входное сопротивление. Кроме того, желательно, чтобы входной каскад имел минимальный коэффициент шума.

Выходной каскад многокаскадного усилителя чаще всего является усилителем мощности и призван работать на низкоомную нагрузку. Выходной каскад должен обеспечивать большую допустимую мощность, малое выходное сопротивление, высокий коэффициент полезного действия и малый коэффициент гармоник. Отметим, что остальные (промежуточные) каскады необходимы для обеспечения заданного коэффициента усиления.

Соединение каскадов между собой в многокаскадном усилителе может быть осуществлено различными способами. Один из широко распространенных способов связи для усилителей переменного тока или напряжения реализуется с помощью разделительных емкостей. Такой усилитель называется усилителем с емкостной (или RC) связью. Для усилителей постоянного тока используется непосредственная (гальваническая) связь. Отметим, что непосредственная связь между каскадами широко представлена в интегральных микросхемах (ИМС). В усилителях также могут быть использованы трансформаторные, оптические и другие связи между каскадами или для подключения источника входного сигнала и нагрузки.

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления, который различают по напряжению , по току и по мощности . Для усилителей возможны различные значения коэффициентов усиления, но принципиально то, что всегда. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен

.

Аналогично можно представить и , а для справедлива следующая запись:

.

Выражение коэффициентов усиления в связано с тем, что человеческое ухо реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическим законом слухового восприятия. Ниже приведены сравнительные значения , выраженные в и относительных единицах. Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в , то общее усиление многокаскадного усилителя равно сумме коэффициентов усиления каскадов.

,
		1,12	1,26	1,41	3,16		102	103	104

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т. е. в идеальном случае точно повторял все изменения напряжения (или тока). При этом допускается некоторый сдвиг сигнала по времени. Отклонение форм выходного и входного сигналов принято называть искажениями. Они бывают двух видов: нелинейные и линейные. Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель; Так, при подаче на вход сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не будет чисто синусоидальным, а будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто получается с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

где - мощность n – й гармонической составляющей выходного сигнала; - амплитуды напряжений и токов n – й гармонической составляющей выходного сигнала.

В многокаскадных усилителях общий коэффициент можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения обычно вносятся выходным каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.4), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитудного значения входного сигнала неизменной частоты. При небольших напряжениях амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменения угла наклона при больших указывает на появление искажений формы сигнала.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частоте заданного диапазона работы усилителя в виде:

, (2.1,а)

. (2.1,б)

Обычно допустимые величины коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что называют полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот и ; в широкополосных усилителях может достигать десятков МГц; в частотно-избирательных усилителях и для высокочастотных вариантов может достигать сотен МГц; в усилителях постоянного тока , а может составлять несколько десятков МГц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазо-частотной (фазовой) характеристикой (ФЧХ). Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др.

Одним из основных параметров выходного каскада усилителя является коэффициент полезного действия:

, (2.2)

где - мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; - мощность, потребляемая усилителем от источника питания. Величина всего усилителя определяется главным образом выходного каскада.

Параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.