Лекция 3. Показатели и характеристики аналоговых электронных устройств.

Рассматриваемые вопросы:

1. Основные технические параметры усилительных устройств: коэффициен­ты усиления, полоса пропускания, динамический диапазон, линейные и нели­нейные искажения, входные и выходные параметры, согласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой.

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

К основным техническим показателям усилителей относятся: вы-ходные и входные показатели (данные); коэффициенты усиления и коэффициенты полезного действия; стабильность показателей; надежность.

К выходным показателям относятся требуемые напряжение U_вых, ток I_вых и мощность Р_вых (или P_н), развиваемые усилителем на заданном сопротивлении нагрузки Z_н при допустимых искажениях сигнала, а также выходное сопротивление усилителя Zв_ых.При гармоническом сигнале будут справедливы следующие соотношения на выходе усилителя:

; (3.3.1)

Здесь U_вых и I_вых – эффективные значения напряжения и тока. В случае использования для расчетов амплитудных значений напряжения и тока и эти соотношения будут иметь вид:

;(3.3.2)

Выходная мощность Р_вых и выходное напряжение U_вых, развиваемые усилителем при гармоническом воздействующем сигнале на заданном резистивном сопротивлении нагрузки R_н при допустимых нелинейных искажениях сигнала, называются номинальными.

Ко входным показателям усилителей относятся входное напря-жение U_вх, входной ток I_вх и входная мощность Р_вх, при которых на выходе усилителя (на нагрузке усилителя) получаются заданные U_вых, I_вых, Р_вых при допустимых искажениях сигнала, а также входное сопро-тивление усилителя Z_вх, к которому от источника сигнала подводятся U_вх, I_вх и Р_вх. Нередко к входным показателям относят ЭДС источника сигнала Е_ист и внутреннее сопротивление источника сигнала Z_ист.

При гармоническом сигнале будут справедливы следующие соотношения для входной цепи:

;;;. (3.3.3)

Здесь: Е_ист, U_вх, I_вх – эффективные значения ЭДС, напряжения и тока. При использовании амплитудных значений ЭДС, напряжения и тока ;; эти соотношения будут иметь вид :

; ;;

(3.3.4)

Следует отметить, что входное напряжение сигнала, при котором на выходе усилителя получаются номинальные значения напряжения и мощности сигнала тоже называется номинальным.

Усилительные свойства усилителей оценивают различными коэффициентами усиления. Особенно широко используются коэффи-циенты усиления сигнала по напряжению, току и мощности, а также сквозной коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент усиле-ния по напряжению К представляет собой отношение установившегося значения комплексной амплитуды напряжения сигнала на выходе к комплексной амплитуде напряжения сигнала на входе усилителя:

(3.3.5)

где - модуль коэффициента усиления, а j_k - 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*=К_E представляет собой отношение установившегося значения комплексной амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя к амплитуде ЭДС источника сигнала:

(3.3.6)

где К* - модуль сквозного коэффициента усиления по напряжению, а j_k* – угол сдвига фазы между выходным напряжением сигнала усилителя и ЭДС источника сигнала. Сквозной коэффициент усиления по напряже-нию позволяет оценить усилительные свойства усилителя в целом, с учетом входной цепи, что совершенно необходимо при использовании в усилителе обратной связи. Его можно представить в виде произведения коэффициента усиления по напряжению К и коэффициента передачи напряжения входной цепи усилителя К_вх.ц усилителя :

(3.3.7)

где – комплексный коэффициент передачи напряжения входной цепи усилителя, характеризуемый модулем и углом сдвига фазы j_вх.ц между входным напряжением сигнала усилителя и ЭДС источника сигнала.

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

(3.3.8)

где - модуль коэффициента усиления по току, а_КТ – угол сдвига фазы между выходным и входным токами усилителя.

Коэффициент усиления по мощности К_М представляет собой отно-шение мощности сигнала Р_вых, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности сигнала Р_вх, подводимой ко входу усилителя от источника сигнала:

(3.3.9)

Обычно коэффициенты усиления выражаются в относительных значениях (в разах), но нередко их выражают и в логарифмических единицах – децибелах:

K(дБ) =20lgK ; K*(дБ) =20lgK*; K_Т(дБ) =20lgK_Т; K_М(дБ) =10lgK_М

Для перехода от децибел к относительным значениям пользуются обратными соотношениями:

; ;;(3.3.10)

Следует отметить, что коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности многокаскадного усилителя могут быть выра-жены через соответствующие коэффициенты усиления отдельных его каскадов. При этом, если их выражают в относительных значениях, то общие соответствующие коэффициенты усиления многокаскадного усилителя находятся как произведения соответствующих коэффициен-тов усиления отдельных каскадов, а если их выражают в децибелах, то как их сумма:

; ;

;(3.3.11)

Как отмечалось, усилитель при работе потребляет от собственного источника питания определенную мощность Р₀, часть которой преобразуется в мощность усиленного сигнала Р_вых, подводимой к нагрузке, а часть безвозвратно теряется в УЭ и пассивных элементах усилителя, вызывая нежелательный нагрев этих элементов.

Для оценки степени использования в усилителе потребляемой им мощности Р₀ вводят полный (промышленный) коэффициент полезного действия (КПД), который представляет собой отношение номинальной мощности сигнала Р_вых = Р_н, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности Р₀, потребляемой всеми цепями усилителя от всех используемых в усилителе источников питания (в общем случае их может быть несколько):

(3.3.12)

КПД выходной цепи усилителя представляет собой отношение мощности сигнала Р_вых = Р_н, отдаваемой в нагрузку усилителя, к мощности Р_0вых.ц, потребляемой от источника питания только выходной цепью усилителя:

(3.3.13)

Чтобы усиливать сигнал без искажений, усилитель должен, во-первых, обладать способностью усиливать сигналы разной величины (иметь динамический диапазон, соответствующий динамическому диапазону сигнала), и, во-вторых, иметь соответствующую полосу пропускания частот (f_в–f_н), не меньшую ширины спектра сигнала (f_макс–f_мин), то есть (f_в–f_н)³( f_макс–f_мин), где f_в и f_н – соответственно нижняя и верхняя рабочие частоты (граничные частоты) усилителя, которые должны удовлетворять условиям f_в³ f_макс и f_н £ f_мин. При этом за среднюю частоту полосы пропускания усилителя принимают частоту.

Отношение U_{вх.макс} /U_вх.мин (практически равное U_{вых.макс} /U_{вых.мин}) называется динамическим диапазоном усилителя:

(3.3.14)

Динамический диапазон усилителя часто выражают в децибелах:

(3.3.15)

Следует отметить, что иногда динамический диапазон усилителя в децибелах вычисляют через отношение мощностей:

.

Отношение E_{m.ист.макс}/E_{m.ист.мин} = E_{ист.макс}/E_{ист.мин} называется динамическим диапазоном сигнала:

; Д_С(дБ)= 20lg Д_С; Дс = (3.3.16)

Динамический диапазон сигнала зависит от типа источника сигнала. Так, например, динамический диапазон высококачественного студийного микрофона при передаче музыки симфонического оркестра составляет 70 дБ.

Коэффициент шума транзистора показывает, во сколько раз мощность шумов на выходе реального транзистора превышает мощность шумов на выходе такого же, с такими же параметрами, но не шумящего (идеального) транзистора:

. (3.3.17)

За меру, характеризующую влияние нелинейности гармонических усилителей, принимают коэффициент гармоник К_Г, который представляет собой отношение амплитудных значений напряжения (или тока) всех появившихся в выходном сигнале высших гармоник к амплитудному значению напряжения (или тока) гармонической составляющей основной частоты (первой гармоники, отображающей сам сигнал) при воздействии на вход усилителя синусоидальной ЭДС (и частотно- независимом сопротивлении нагрузки усилителя):

(3.3.18)

На практике иногда возникает необходимость в оценке нелинейности по отдельным гармоникам:

;;; (3.3.19)

Тогда полный коэффициент гармоник будет определяться выражением:

(3.3.20)

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах: К_Г%=К_Г.100.Коэффициент гармоник широко используется для оценки нелинейности усилителей гармонических сигналов, в том числе усилителей звуковых частот, предназначенных для усиления сигналов речи и музыки.

Для оценки частотных искажений усилителя наряду с относительным коэффициентом усиления Y применяют также коэффициент частотных искажений:

(3.3.21)

(3.3.22)

(3.3.23)

Y и M часто выражают в децибелах:

Y(дБ)=20lgY; M(дБ)=20lgM. (3.3.24)

Очевидно, что Y(дБ)=20lgY=–20lgM=–M дБ. Для перевода Y(дБ) и М(дБ) из децибел в относительные значения пользуются соотношениями:

; (3.3.25)

На частотах, где Y=M=1 (или в децибелах Y(дБ) = M(дБ) = 0), частотных искажений нет. Чем больше Y или M в относительных значениях отличаются от единицы (или чем больше Y(дБ) и М(дБ) отличаются от нуля), тем больше вносимые усилителем частотные искажения.