Усилители и их параметры

АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Усилитель – устройство, предназначенное для увеличения значений параметров электрического сигнала (напряжения, тока и мощности). УГО усилителя в функциональной схеме показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – УГО усилителя

Усилитель характеризуется большим числом параметров. Осовные из них приведены ниже [1].

А) Коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению: K_u = u_ВЫХ/u_ВХ . Коэффициент усиления по напряжению используется наиболее часто. По току:K_I = I_ВЫХ/I_ВХ. По мощности: .

Величины К_u, К_I и К_Р могут быть различны, но значениеК_Рвсегда больше единицы. Если К_u < 1 и К_I < 1, то такой функциональный узел не может называться усилителем. Для последовательно включённых усилителей (многокаскадного усилителя) общий коэффициент усиления определяется: К = К₁К₂К₃…К_n = , или К_[дБ] = = К_1[дБ] + К_2[дБ] + … + К_n[дБ] = .

Усилители могут иметь коэффициент усиления, лежащий в диапазоне от нескольких единиц до сотен тысяч и миллионов. Поэтому в ряде случаев коэффициент усиления выражают в децибеллах (дБ):

К_u[дБ] = 20lgK_u­ ; К_I[дБ] = 20lgK_uI ; К_P[дБ] = 10lgK_P­ . (1.1)

Б) Входное и выходное сопротивления усилителя определяется из формулы для закона Ома относительно входных зажимов усилителя, а выходное – между его выходными зажимами. При определении выходного сопротивления усилителя полагают равенство нулю сопротивления внешней нагрузки, то есть оценка происходит при режиме короткого замыкания по выходу.

В) Частотная характеристика и частотные искажения.Если на вход усилителя подавать сигнал постоянной величины, но меняющийся в некотором диапазоне частот от нижней частоты f_Ндо верхней f_В, то на выходе реального усилителя будет сигнал разный по величине, в зависимости от частоты входного сигнала. То есть на выходе усилителя наблюдается искажение отношения величин сигналов различных частот по сравнению с отношением, имеющимся на входе усилителя. Это означает, что усилитель вносит частотные искажения в усиливаемый сигнал – происходит не одинаковое усиление сигналов различных частот, рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 – Частотные искажения, вносимые усилителем

Оценку частотных искажений проводят по частотной характеристике (АЧХ), то есть зависимости К = j(¦).Типовая частотная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Типовая АЧХ усилителя

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) – это область частот от ¦_н до ¦_в, где изменение К не превышает требуемого значения. Отсчёт от величиныК_ср по уровню 0,707 = . Частоту по этому уровню называют частотой среза. Существуют параметры: коэффициент частотных искажений в области нижних частот: ; коэффициент частотных искажений в области верхних частот: . Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений определяется следующим образом: , или

(1.2)

Для построения АЧХ часто применяется логарифмический масштаб по оси частот (на декаде, то есть в интервале от 1 до 10, умноженном на 10ⁿ Гц, берут lg¦).

Д) Нелинейные искажения. Это искажение уровня сигнала при усилении из-за нелинейной зависимости между выходным и входным сигналами, то есть если на вход нелинейного усилителя поступает гармонический сигнал с частотой f, то на выходе будет негармоническое колебание, которое состоит из сигналов с частотами ¦ и 2¦, 3¦, … (гармоник). Мера таких искажений – коэффициент нелинейных искажений(K_г): (1.3)

Е) Номинальная выходная мощность. Это наибольшее значение мощности, отдаваемое в нагрузку при допустимых нелинейных искажениях.

Ж) Динамический диапазон. Этот диапазон нормируется или по мощности, или по напряжению, или току, и представляет собой интервал между максимальным и минимальными значениями параметра на входе или на выходе, в пределах которого электрические свойства усилителя соответствуют заданным условиям. Выражается обычно в децибеллах.

Все усилители можно разделить на две большие категории – усилители с резко нелинейным режимом работы и линейные. У нелинейных усилителей отсутствует пропорциональность в передаче на выход мгновенных значений входного сигнала. По достижении входным сигналом некоторой величины на выходе усилителя уровень сигнала не изменяется (ограничивается) – это усилители-ограничители. Они используются для нелинейных импульсных усилителей, когда важно передать на выход именно процесс переключения входного сигнала, например, из низкого уровня в высокий уровень. Нелинейные усилители – это функциональная основа дискретных (цифровых) интегральных схем.

У линейных усилителей выходной сигнал близок по форме к входному: мгновенные значения входного сигнала передаются на выход пропорционально. Классификацию линейных усилителей часто проводят по их амплитудно-частотной характеристике, определяемой при достаточно малом по величине гармоническом входном сигнале. Основные типы линейных усилителей приведены ниже.

А) Усилители постоянного тока (УПТ). Это усилители постоянного или медленно меняющегося сигнала.Но ряд задач требует иметь у таких усилителей полосу частот (частота f_В) до единиц мегагерц, рисунок 1.4.

Рисунок 1.4 – АЧХ УПТ

Б) Усилители звуковых частот(УЗЧ) (усилители низких часот). У этих усилителей полоса усиливаемых частот ориетировочно [20 Гц; 20 кГц] соответствует диапазону звуковых частот, слышимых человеком. Современные УЗЧ высокого качества могут иметь полосу частот от 10 Гц (f_Н) до 40-100 кГц, рисунок 1.5.

В)Усилители высокой частоты(УВЧ). Обычно это усилители, усиливающие некоторую полосу частот в диапазоне от 3 МГц до 30 МГц. А исторически сложившаяся практика относит к таким усилителям и узлы, работающие в диапазоне примерно от 100 кГц до 100–150 МГц.

Д) Широкополосные усилители(ШПУ) (видеоусилители). Они характерны полосой усиливаемых частот от десятков герц до десятков и сотен мегагерц. На их основе строятся линейные импульсные усилители, пропорционально увеличивающие значения каждой гармоники входного импульсного сигнала.

Рисунок 1.5 – АЧХ УЗЧ

В целом, в зависимости от решаемых задач, полоса частот ШПУ может находиться в любом месте на частотной оси, рисунок 1.6.

Рисунок 1.6 – АЧХ ШПУ

Е) Узкополосные усилители (УПУ). Полоса усиливаемых частот может лежать в любом месте на частотной оси, а её ширина составляет 0,001–1 % от значения центральной частоты АЧХ. Обычно это усилители с резонансной нагрузкой или вид их АЧХ формируется специальными фильтрами.