1.5. Основные технические показатели усиления.

Технические показатели характеризуют свойства усилителей и позволяют оценить их пригодность для того или иного применения. Технические показатели усилителей зависят от схемотехники усилителей и от свойств используемой в них элементной базы.

К основным техническим показателям усилителей относят:

• коэффициенты усиления и коэффициенты полезного действия;

• входные и выходные показатели;

• амплитудную характеристику и связанный с ней динамический диапазон;

• линейные искажения;

• стабильность показателей.

1.5.1. Линеаризация

Все вычисления, проводимые при проектировании электрических схем, направлены на определение конфигурации схем и расчет значений их компонентов. Как известно, полупроводниковые элементы обладают сильно нелинейными вольт-амперными характеристиками.

На рис.4 показаны небольшие амплитудные изменения ΔU, ΔI в зоне точки покоя. Поскольку амплитуды таких сигналов сильно отличаются от значений постоянных составляющих тока и напряжения, они называются малыми сигналами. В этом случае можно произвести замены нелинейной функции на линейную. Такой подход полезен при анализе схем усилителей полных сигналов.

Рис.4 Линеаризация в точке покоя

Для замены нелинейной функции U=f(I) на линейную необходимо определить наклон исходной функции в точке покоя. Для небольших изменений ΔI тока I в зоне точки покоя справедливо:

Тогда для малого сигнала можно записать соотношение:

или

Сопротивление r называется динамическим сопротивлением для малых сигналов. Полученное выражение означает, что начало отсчета для малых сигналов u=0, i=0 передвинуто в точку покоя Io, Uo.

Далее речь будет идти только о режиме малого сигнала.

1.5.2. Коэффициенты усиления усилителей.

Среди многих показателей, усилительных устройств важнейшими являются коэффициенты усиления. Различают коэффициенты усиления по мощности К_М = Р_ВЫХ/Р_ВХ , по напряжению К = U_ВЫХ/ U_ВХ и по току К_Т = I_ВЫХ/I_ВХ. Особенно широко используется коэффициент усиления сигнала по напряжению (поэтому его обычно приводят без индекса), а также сквозной коэффициент усиления по напряжению К_СКВ. Все они определяются при гармоническом входном сигнале в установившемся режиме усиления.

Коэффициент усиления по напряжению К представляет собой отношение установившегося значения комплексной амплитуды напряжения сигнала на выходе к комплексной амплитуде напряжения сигнала на входе усилителя: ,

где- модуль коэффициента усиления;

φ_к - угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями сигнала, возникающий из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционности УЭ. Сквозной коэффициент усиления по напряжению К_СКВ представляет собой отношение установившегося значения комплексной амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя к амплитуде ЭДС источника сигнала:

,

где - модуль сквозного коэффициента усиления по напряжению;-напряжение источника сигнала; а - угол сдвига фазы между выходным напряжением сигнала усилителя и ЭДС источника сигнала.

Сквозной коэффициент усиления по напряжению позволяет оценить усилительные свойства усилителя в целом с учетом входной цепи, что совершенно необходимо при использовании в усилителе с обратной связью. Его можно представить в виде произведения коэффициента усиления по напряжению и коэффициентапередачи напряжения входной цепи усилителя _1И усилителя:

,

где - комплексный коэффициент передачи напряжения входной цепи усилителя, характеризуемый модулем k_1И = U_вх/e_1И - и углом сдвига фазы φ_вх между входным напряжением сигнала усилителя и ЭДС источника сигнала.

Коэффициент усиления по току К_T представляет собой отношение установившегося значения комплексной амплитуды тока сигнала на выходе к комплексной амплитуде тока сигнала на входе усилителя:

^,

где - модуль коэффициента усиления по току; φ_Кт – угол сдвига фазы между выходным и входным токами усилителя.

Чаще всего представляют интерес коэффициенты усиления и коэффициент пе­редачи входной цепи в области средних частот, где влияние реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и инерционных свойств УЭ пренебрежимо мало и углы сдвига фаз равны нулю φ_К=0, φ_вх=0, φ_Кт=0, а модули коэффициентов усиления и коэффициента передачи входной цепи не зависят от частоты, являясь действительными величинами:

; ;;

Здесь индекс ноль обозначает средние частоты.

Следует отметить, что на практике проще всего измерять коэффициент усиления по напряжению, он удобен для сравнительной оценки усилительных свойств усилителей на различных УЭ. Измерительных приборов типа вольтметра или осциллографа в лабораториях значительно больше других.

И, наконец, коэффициент усиления по мощности К_м представляет собой отношение мощности сигнала Р_вых, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности сигнала Р_вх, подводимой ко входу усилителя от источника сигнала: К_м = Р_вых/Р_вх

Следует отметить, что иногда применяют так называемый коэффициент усиления номинальной мощности источника сигнала

К_{м ном} = Р_вых/Р_{вх ном}, где Р_вх.ном = Е²_ист/4R_вх – номинальная мощность, отдаваемая источником сигнала на согласованный с ним вход усилителя, т.е. при R _ист = R_вх, когда К_1u = 0,5 и U_вх= 0,5e_1u .

Коэффициенты усиления выражаются как в относитель­ных значениях (в разах), так и в логариф­мических единицах – децибелах:

К_м (дБ) = 10 lg К_м ; К_т (дБ) = 20 lg К_т;.

К (дБ) = 20 lg К; К_скв (дБ) = 20 lg К_скв;