1.2. Классификация усилителей

Осуществляется по следующим признакам:

- полоса пропускания и абсолютные значения усиливаемых частот;

- вид входного сигнала (гармонический или импульсный);

- назначение усилителя;

-вид используемых активных радиокомпонентов.

1. По полосе пропусканияусилители подразделяются на следующие подгруппы.

Усилители постоянного тока(УПТ), которые предназначены для усиления медленно изменяющихся сигналов.

Такие усилители усиливают не только переменную составляющую входного сигнала, но и его постоянную составляющую. Для неискажённого воспроизведения и передачи сигнала полоса пропускания таких усилителей характеризуется нижней частотой f_н=0, и верхней частотойf_в≈100 кГц. График АЧХ для УПТ приведен на рис. 1.3.

Усилители переменного тока(УНЧ), которые подразделяются на две подгруппы:

а) апериодические, или широкополосные, для которыхf_н>0,f_в≈10 кГц…100 МГц, имеющие АЧХ, изображённую на рис. 1.4,а. Для широкополосных усилителей характерно большое отношение (f_в/f_н)≈10²…10⁵.

б) частотно-избирательные (узкополосные). Для узкополосных усилителей характерны следующие параметры: (f_в/f_н)≈1,1…1,5;f_в–f_н<<f₀. Их АЧХ имеет вид, изображённый на рис.1.4,б.

2. По виду входного сигналаусилители подразделяются на две подгруппы:

а) усилители аналоговых (непрерывных сигналов в диапазоне от звуковых до очень высоких частот;

б) усилители импульсных сигналов.

3. По назначениюусилители подразделяются на следующие подгруппы:

а) усилители напряжения;

б) усилители тока;

в) усилители мощности.

4. По виду используемых активных радиокомпонентоввыделяют усилители:

а) на биполярных или полевых транзисторах;

б) интегральные усилители (на ИС);

в) усилители на магнитных элементах;

г) усилители на туннельных диодах и т.д.

1.3. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

К техническим показателям (параметрам) усилителей относят следующие.

1. Коэффициент усиления. В зависимости от назначения усилителя различают следующие разновидности коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления по напряжению .

Коэффициент усиления по току .

Коэффициент усиления по мощности .

Если усилитель содержит nкаскадов, то общий коэффициент усиления определятся из выражения

. (1.5)

Величину коэффициента усиления часто выражают в децибелах:

К, дБ=20lgK. (1.5а)

Для n-каскадного усилителя коэффициент усиления в дБ записывается в виде

К(дБ)=К₁(дБ)+К₂(дБ)+…+К_n(дБ).

Значение комплексного коэффициента усиления каскада аппроксимируется с помощью выражения

, (1.6)

где К₀– коэффициент усиления усилителя в области средних частот, в пределах которых коэффициент усиления не зависит от частоты, и при этом все коэффициенты усиления (по напряжению, по току, по мощности) являются действительными величинами;

- постоянная времени усилителя в области нижней частоты усиления ω_н;

- постоянная времени усилителя в области верхней частоты усиления ω_в.

Постоянные времени τ_ни τ_вхарактеризуют времена задержки передаваемого сигнала.

Появление задержки сигнала связано с наличием реактивных элементов (ёмкостей С, индуктивностейL) и активных сопротивленийRв цепях реальных усилителей, а также с наличием инерционности активных элементов усилителя (транзисторов и диодов).

Наличие времён τ_ни τ_вобуславливает искажения величины К₀, приводящее к его уменьшению в области нижних и верхних частот.

В идеальном усилителе в области средних частот выполняется условие

. (1.7)

Из этого выражения можно определить значение частоты ω=ω₀при которойК=К₀, а искажения минимальны:

,

откуда следует, что

. (1.8)

По формуле для алгебраической записи комплексного числа можно определить модуль и фазу коэффициент усиления .

Модуль определяет АЧХ усилителя:

. (1.9)

Модуль ФЧХ определяет фазу усиливаемого сигнала:

. (1.9а)

Из выражения для ФЧХ следует, что в диапазоне средних частот фаза сигнала φ(ω₀)=-arctg0=0.

2. Входное сопротивления усилителя, R_вх.Это сопротивление входной цепи усилителя. Схемы замещения входной цепи можно представить в виде, представленном на рис. 1.5,а,б.

На работу усилителя большое внимание оказывает сопротивление источника сигнала (иначе, – сопротивление генератора) R_г. Здесь можно рассмотреть два крайних случая.

Если R_вх>>R_г, то источник сигнала по отношению ко входу является источником напряженияU_г (рис. 1.5,а).

При этом потери напряжения на внутреннем сопротивлении источника входного сигнала R_гбудут незначительны. В этом случае входное напряжениеU_вх рассчитывается из соотношения

. (1.10)

Говорят, что в данном случае управление идёт от источника напряжения.

В случае, если R_вх<<R_г, то источник сигнала по отношению ко входу является источником токаI_г (рис.1.5,б). В этом случае почти весь ток источника входного сигнала ответвляется во входное сопротивление усилителя, и выполняется условие

. (1.11)

Говорят, что в данном случае управление идёт от источника тока.

3. Выходное сопротивлениеR_вых. Это сопротивление выходной цепи усилителя. По соотношению величинR_выхи сопротивления нагрузкиR_нможно рассмотреть два предельных случая.

R_вых<<R_н– в этом случае усилитель работает в режиме усиления по напряжению, на нагрузке получается максимум усиления по напряжению.

R_вых>>R_н– усилитель работает в режиме усиления по току, на нагрузке получается максимальное усиление по току.

Для получения максимального усиления по мощности, нужно, чтобы R_вх≈R_гиR_вых≈R_н. Обычно значениеR_вхиR_выхсоставляет величины порядка 10 Ом…100 кОм.

4. Коэффициент полезного действия(КПД) усилителя. Различают два вида КПД.

Выходной КПДрассчитывается по формуле

, (1.12)

где Р_н– полезная мощность, отдаваемая в нагрузку усилителя;Р₀– мощность, потребляемая от источника питания.

Полный КПД рассчитывается по формуле

, (1.13)

где Р_Σ–мощность, потребляемая всеми цепями усилителя..

Важными характеристиками электронных усилителей являются их характеристики, определяющие качество работы усилителя. К ним относятся следующие.

5. Фазо-частотная характеристика(ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналами и выражается соотношением

. (1.14)

Фазовый сдвигобусловлен наличием элементов с реактивным сопротивлением в цепи усилителя. К таким элементам относятся различные ёмкости и индуктивности.

График ФЧХ имеет вид, представленный на рис. 1.6. На этом рисунке φ_н – фазовый сдвиг для нижних частот ω_нусиливаемого сигнала; φ_в – фазовый сдвиг для верхних частот ω_в. Положительное значение угла φ_н>0 соответствует опрежению выходного сигнала относительно входного. Отрицательное значение φ_в<0 характеризует отставание выходного сигнала относительно входного.

Частоты ω_{н гр}и ω_{в гр}(рис. 1.6) ограничивают частотный диапазон, в котором коэффициент усиленияК₀=const. В этом диапазоне, как следует из формулы для ФЧХ, фазовый сдвиг φ₀=0.

Идеальная ФЧХ характеризуется линейным фазовым сдвигом φ=ωt, характерным для идеального усилителя. Если фазовый угол φ пропорционален частоте ω, то это означает, что любая гармоника сложного сигнала получает один и тот же временной сдвиг τ. График идеальной фазовой характеристики является прямой линией. Хотя сигнал при прохождении через усилитель сдвигается во времени, однако его форма остаётся неизменной.

По виду ФЧХ оценивают вносимые усилителем фазовые искажения, отражающие изменение формы выходного сигнала. Эти искажения являются линейными.

6. Амплитудная характеристика и динамический диапазонусилителя. Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость выходного сигнала от входного,U_вых=f(U_вх).

Для идеального усилителя коэффициент усиления К₀является постоянной величиной и определяется из выражения

.

График зависимости U_вых=f(U_вх) аппроксимируется прямой линией (рис. 1.7).

В реальном усилителе АХ имеет изгиб при очень малых входных напряжениях ниже точки А (рис. 1.7.). Этот изгиб связан с наличием в усилителе собственных помех с напряжением U_п.

Эти помехи усиливаются и действуют на выходе даже при отсутствии сигнала на входе. Появление таких помех связано, в частности, с собственными шумами усилителя.

Для нормальной работы усилителя необходимо, чтобы U_вх>U_{вх min}. Иными словами, на входе напряжение должно превышать напряжение помехи. Более слабые входные напряжения будут загушаться напряжением собственных шумов усилителя.

При слишком больших входных напряжениях U_вхАХ искривляется из-за перегрузки усилителя и возникают нелинейные искажения.

Количественным параметром, характеризующим АХ служит динамический диапазон, выражаемый соотношением

, (1.15)

где U_вхmax иU_{вх min}– максимальное и минимальное значения входного напряжения, при которых АХ линейна.

Величину динамического диапазона часто выражают в децибелах:

D, дБ=20lgD. (1.15а)

Динамический диапазон электронных усилителей обычно достигает значения 40…50 дБ.

7. Частотные искажения.Появление частотных искажений связано с тем обстоятельством, что модуль коэффициента усиленияК(ω) на разных частотах имеет разные значения, Поэтому гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково. Поэтому форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала

Одной из двух причин появления частотных искажений является наличие реактивных элементов в усилителе (ёмкостей и индуктивностей). Их реактивные сопротивления зависят от частоты.

Другой причиной является частотная зависимость физических парметров полупроводниковых приборов – транзисторов и диодов, входящих в состав схемы усилителя.

Количественно частотные искажения в усилителях характеризуются коэффициентом частотных искажений.

Различают коэффициенты частотных искажений для нижних (М_н) и верхних (М_в) частот передаваемого сигнала.

Коэффициент частотных искажений для нижних частот определяется из выражения

,

где К(ω_н) – коэффициент усиления на нижних частотах.

Для диапазона нижних частот

.

Поэтому значение коэффициента усиления для нижних частот равно

. (1.16)

Следовательно, величина коэффициента частотных искажений для нижних частот может быть рассчитана по формуле

. (1.17)

Коэффициент частотных искажений для верхних частот определяется из выражения

,

где К(ω_в) – коэффициент усиления на верхних частотах.

Для верхних частот

.

Поэтому значение коэффициента усиления для верхних частот равно

. (1.18)

Следовательно, величина коэффициента частотных искажений для верхних частот может быть рассчитана по формуле

. (1.19)

В идеальном случае, при отсутствии искажений, значение М_н=М_в=1.

8. Нелинейные искажения.Другой вид искажений, вносимых усилителем в передаваемый сигнал – это нелинейные искажения. Их появление обусловлено нелинейностью характеристик транзисторов и диодов, являющимися активными элементами, обеспечивающими усиление электрических сигналов. Действительно, прямые ветви ВАХp-nпереходов, образующих структуру транзисторов аппроксимируются экспоненциальным выражением:

, (1.20)

где _т= 26 мВ – тепловой потенциал.

В качестве примера на рис. 1.8 приведён пример графического построения входного тока базы I_б=f(U_бэ) транзистора, включённого по схеме с ОЭ, при периодическом изменении напряженияU_бэ.

Из графического построения на рис.1.8 следует, что ток I_бУЭ отличается от симметричного синусоидального. Значит, в нём содержатся гармоники основной частоты входного сигнала и высшие гармоники. Причем, искажения зависят от амплитуды входного сигнала (чем она меньше, тем меньше искажения).

Величина искажений зависит от выбора рабочей точки А на входной характеристике транзистора – на линейном или нелинейном участке ВАХ она выбрана.

Оценка величины нелинейных искажений производится с помощью коэффициента нелинейных искажений К_н(коэффициента гармоникк_г), который рассчитывается по формуле

≈0,01…0,1, (1.21)

где в числителе – сумма всех гармоник I_im, начиная со второй;I_1m– первая гармоника.

Расчёт коэффициента гармоник проводится двумя методами:

графический метод (метод 5 координат);

аналитический метод с помощью ЭВМ.