Основные параметры и характеристики усилителей

Глава 8. Электронные усилители.

Основные определения

Электронным усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входных сигналов с сохранением их формы и частоты за счет использования энергии внешнего источника питания.

Рис.8.1

Структурная схема усилительного каскада (рис.8.1) содержит усилительный элемент, к входным зажимам которого подключен источник входного сигнала Е_г с внутренним сопротивлением R_г, а к выходным – нагрузка (как правило, активная) R_н. Источником входного сигнала может быть предыдущий каскад, а нагрузкой – последующий каскад.

Усиление происходит за счет того, что схема усилителя содержит источник энергии, обычно называемый источником питания, а активный усилительный элемент, например, транзистор, с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний. Входное колебание является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.

Классификация усилителей.

Усилители принято классифицировать по назначению, используемым усилительным (активным) элементам и режимам их работы, формы усиливаемых сигналов и полосе пропускания.

Все практически усилительные схемы усиливают мощность входного сигнала, однако в ряде случаев основным показателем усилителя являются величины выходных напряжения U_вых/U_н или тока I_вых/ I_н. Поэтом по назначению различают усилители мощности, напряжения и тока.

В усилителях в основном используются биполярные и полевые транзисторы, а новейшая усилительная техника базируется на линейных интегральных микросхемах. Усилительные элементы смогут работать в линейном и нелинейном режимах. Если усилительный элемент работает в линейном режиме, то усилитель относится к классу линейных, считают активным четырехполюсником и на него распространяются все свойства линейных цепей. Если же усилительный элемент работает в нелинейном режиме, то усилитель является нелинейным устройством, хотя по форме выходной и входной сигналы практически всегда совпадают. Один из нелинейных режимов работы – ключевой.

По форме усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

В зависимости от значения нижней граничной частоты усиливаемых сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока. Современные УПТ способны усиливать и переменные сигналы, верхняя частота спектра которых достигает значения 100МГц.

Усилители переменного тока усиливают лишь гармонические составляющие в определенной полосе частот: от нижней f_н до верхней f_в. Среди усилителей переменного тока различают усилители низких частот (звуковых)(УНЧ), усилители промежуточных частот (УПЧ), усилители высоких частот (УВЧ), усилители сверхвысоких частот (УСВЧ), Узкополосные(избирательные) и широкополосные (импульсные) усилители. УНЧ свойственно усиление в частотном диапазоне от десятков Гц до десятков кГц. УПЧ обычно применяются в диапазоне от сотен кГц до десятков МГц. УВЧ и УСВЧ усиливают сигналы от сотен МГц до десятков ГГц.

Избирательные усилители работают в очень узкой полосе частот: они подразделяются на резонансные и полосовые усилители. На выходе резонансных усилителей, как правило, включены колебательные контуры.

Усилительный каскад, работающий непосредственно на нагрузку, принято называть выходным каскадом (усилителем мощности). Остальные каскады усилителя относят к входным и предварительным.

Основные параметры и характеристики усилителей.

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.

Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигналов, к входной величине. В качестве таких величин могут употребляться напряжение, ток или мощность. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению , по току или по мощности .

Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):

(8.1)

(8.2)

Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов (L,C) коэффициенты усиления по напряжению и току являются комплексными величинами и зависят от частоты усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления по мощности показывает, во сколько раз активная мощность Р_вых, отдаваемая усилителем в нагрузку R_н, больше активной мощности Р_вх, подводимой к входным зажимам:

(8.3)

Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах – децибелах: К_р дБ= 10lgK_p.

В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл рассматривать только коэффициент усиления по напряжению, так как входной ток чрезвычайно мал. В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере. Однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению.

Входное и выходное сопротивления.

Под входным сопротивлением усилителя понимается сопротивление между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе:

. (8.4)

Входное сопротивление усилителя является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от ее величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала.

Выходным сопротивлением усилителя называется сопротивление между выходными клеммами при подключено источнике сигнала на входе:

. (8.5)

Знание и позволяет правильно согласовывать усилитель с источником сигнала и с последующим каскадом.

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики.

Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивления которых зависят от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения оценивают с помощью амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению (току) в общем случае является комплексной величиной, то можно записать

(8.6)

где - модуль коэффициента усиления, - аргумент коэффициента усиления.

Под АЧХ усилителя понимают зависимости модуля коэффициента усиления от частоты сигнала (рис. 5.2а).

а) б)

Рис. 8.2

Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты.

Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями называются искажения сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных элементов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармониками составляющих входного сигнала, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений К_г. Этот коэффициент измеряется на выходе усилителя при подаче гармонического колебания и определяется следующим соотношением:

(8.7)

где Р₂, Р₃,… Р_n, - мощности второй, третьей и т.д. гармоник выходного тока.

При чисто резистивной нагрузке усилителя отношение мощностей можно заменить отношением квадратов амплитуд напряжений или токов, тогда

(8.8)

Амплитудная характеристика, динамический диапазон, КПД усилителя. О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного U_mвых=f(U_mвх) (рис.5.2б). Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейные, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.

Динамический диапазон усилителя оценивается как

(8.9)

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

При оценке мощных выходных усилителей существенную роль играет коэффициент полезного действия η, который определяется как отношение мощности Р_вых полезного сигнала на выходной нагрузке усилителя к мощности Р₀, потребляемой от источника сигнала

(8.10)

Классы усиления

Режимы работы усилителей принято делить на следующие классы: А, В, АВ,С, D. При работе в классе А (рис.8.3а) переменный ток протекает в выходной цепи в течение всего периода, т.е. в процессе работы не происходит запирание транзистора (отсечки выходного тока). От источника питания непрерывно, независимо от уровня сигнала, потребляется приблизительно одна и та же мощность, пропорциональная току в рабочей точке (ток покоя) транзистора. Поскольку КПД при этом невелик, режим А применяется, как правило, в маломощных линейных усилителях.

При работе транзистора в режимах В, АВ, С, D ток покоя мал, усилительный элемент работает с отсечкой тока, т.е. в некоторые промежутки времени транзистор закрыт. Ток протекает в течение части периода, равной 2θ (θ- угол отсечки). В режиме А отсечка отсутствует, что соответствует углу θ=180⁰.

а) б)

Рис.8.3

Режим В (рис8.3б) характерен тем, что ток покоя равен ), угол отсечки θ=90⁰; ток протекает в течение одного полупериода колебания, поданного на вход усилителя (рис.8.3б). При отсутствии сигнала усилитель не потребляет мощность от источника питания. При наличии сигнала на входе потребляемая мощность пропорциональна среднему значению потребляемого тока. Режим В характеризуется боле высоким КПД и применяется в усилителях мощности.

Режиму АВ соответствует угол отсечки 90⁰ < θ < 180⁰. Энергетические показатели режима АВ уступают показателям режима В, но лучше, чем показатели режима А. Режим В и АВ приводят к сильному искажению формы сигнала, поэтому они используются обычно в двухтактных усилителях, в которых уменьшение тока одного транзистора компенсируется увеличением тока другого транзистора.

Апериодический усилитель.

Апериодическими усилителями называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Эти усилители также называются усилителями с RC – связями или резисторными. В качестве активных элементов используются биполярные и полевые транзисторы. Для усиления напряжения чаще всего применяются схемы включения с ОЭ или с ОИ.