Тема 9. Общие сведения об усилителях и их классификация. Основные параметры и характеристики усилителей

Основная проблема, решаемая с помощью усилительных устройств, – согласование уровней электрических сигналов с диапазоном восприятия человеческих рецепторов. Усилитель обеспечивает усиление сигнала за счёт трансформации энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Усилители можно разделить на две основных категории: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы. Линейные усилители могут применяться для усиления сигналов произвольной формы, нелинейные используют, в основном, для усиления импульсных (двухуровневых) сигналов.

Основные технические характеристики усилителей

Один из основных показателей усилителя – КПД, зависит от потребления энергии в отсутствие и при наличии сигнала номинального уровня. Существует ряд технических характеристик, ставящих в соответствие зависимость выходного сигнала от входного. Этими характеристиками задаётся понятие "качество усиления".

Коэффициент усиления по мощности (должен быть больше единицы):

.

Коэффициенты усиления по току и напряжению:

.

Коэффициенты усиления по току и напряжению, в общем случае, являются комплексными величинами, которые зависят от частоты входного сигнала и характеризуются не только изменением амплитуды выходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени (изменением фазы). Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных элементов и инерционности активных.

.

В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):

.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты: . По виду АЧХ (рис. 44) и диапазону усиливаемых частот усилители подразделяются на:

1) усилители низкой частоты (УНЧ) (10 Гц – 100 кГц);

2) усилители высокой частоты (УВЧ) (100 кГц –100 МГц);

3) усилители постоянного тока (УПТ) (0 Гц – 100 кГц);

4) широкополосные (ШПУ) импульсные и видеоусилители (1 кГц – 100 кГц);

5) резонансные (узкополосные или избирательные) усилители (УПУ) – усилители, работающие в узком диапазоне частот;

6) заграждающие (режекторные) усилители.

Рис. 44. АЧХ усилителей: УПТ (а); усилитель звуковой частоты (б); УВЧ (в); ШПУ (г); УПУ (д); заграждающий усилитель (е)

Частотные свойства усилителя характеризуется следующими параметрами (рис. 44, 45):

а) частота половинного усиления – частота, на которой коэффициент усиления по мощности снижается в 2 раза (коэффициенты усиления по току и напряжению, соответственно, в раз);

б) нижняя граничная частота усиления ;

в) верхняя граничная частота усиления ;

г) полоса частот (полоса пропускания) ;

д) центральная частота усиления .

Например, для ШПУ .

Любой усилитель имеет входное и выходное сопротивления, входную и выходную ёмкость (рис. 46).

Рис. 46. Структура усилителя

Входное и выходное сопротивления, входная и выходная ёмкость формируют спад АЧХ на верхних частотах (рис. 45). Нижний спад АЧХ формируется за счёт внешней разделительной ёмкости , которая вместе с входным сопротивлением образует дифференцирующую цепочку.

Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения . Типичный вид амплитудной характеристики показан на рис. 47.

Амплитудная характеристика не проходит через начало координат из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных шумов. При прохождении сигнала через усилитель происходит его искажение (если спектральный состав не меняется, искажения сигнала называют линейными). Основная причина линейных искажений – зависимость коэффициента усиления от частоты. Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности ВАХ активных элементов (например, транзисторов).

Верность воспроизведения (степень подобия выходного и входного сигнала) характеризуется двумя параметрами: коэффициентом нелинейных искажений и коэффициентом интермодуляционных искажений. Коэффициент нелинейных искажений:

,

где – напряжение 1-й гармоники.

КНИ характеризует среднюю часть амплитудной характеристики (рис. 47). Коэффициент интермодуляционных искажений характеризует реакцию усилителя на две одновременно поданных частоты. Верхний загиб амплитудной характеристики вызван ограничениями по мощности источника питания.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты. По ФЧХ оценивают вносимые усилителем фазовые искажения. Анализ ФЧХ обязательно проводится при разработке усилительных схем с обратными связями. На рис. 48 показана ФЧХ усилителя, которая соответствует простейшему случаю. Если реактивных элементов больше, то ФЧХ усложняется.

Рис. 48. ФЧХ усилителя