Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

Рис.	1.16. Динамические		Iiz
характеристики		усилите­
	ля:
а -	своэная, б -	прямой
	передачи

предстзвляет собой отрезок прямой, ПРОХОДЯlllИЙ через начало координат под определенным наклоном к оси абс­

цисс. Однако у реального усилителя линейный участок

сквозной ДХ ограничен точками А и В (рис. 1.16, а). Это

связано с тем, что ВАХ УЭ, являясь нелинейными, при

сигнале, превышающем епредеJtениый уровень, H~ обес­ печивают линейную зависимость между выходным на­ пряжени~м и эде, отчего и происходит «завал» сквоз­

ной ДХ.

Если BXOДHO~ СОПРО'rивление ус.ишпеля, например ОУ

или усилительного каскада на полевых транзисторах,

превышает на два порядка и более сопротивление источ­ ника сигнала, то используют дх прямой nередачu, кото­

рая представляет собой заsисимость выходного tншряже­

пия усилителя от вхоДlIОГО U2=j(Ul) (рис. 1.16, б). По­

скольку входные каскады ОУ и УПТ выполняются по

балансным схемам в виде дифференциальных каскадов (ДК), то далеко не всегда ДХ прямой передачи ДК

и устройств на их основе проходит через начало коорди­ нат. На практике дх J1РЯМОЙ передачи чаще всего сме­

щена вправо или влево, как показано на рисунке штри­

ховой линией. В результате для балансировки дк или

ОУ приходится подавать эде смещения Е::" или Е;м,

чтобы JlX прямой передачи проходила через Н8чало KO~

ординат.

1.5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

УСИЛИТЕЛЯ

1.5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При усилении сигнала всегда происходит geKOTOpoe

искажение его формы lf потребляется энергия от источ­

иика питания. (Искажением сигнала называется всякое

отклонение формы усиленного сигнала на выходе от фор· мы сигнала, подаваемого на вход.) Поэтому данные, ха·

рактеризующие свойства усилителя, должны включать

количественую оценку самого эффекта усиления, меру искажений усиливаемого сигнала, а также его энергети'

ческие показатели. Все эти сведения и являются основ­ ными параметрами усилителя. К ним относятся: коэффи­

циент усиления мощности, напряжения и тока, его ста­

бильность, полоса пропускания частот, динамический

диапазон, линейные и нелинеЙ,ные искажения, входные и' выходные параметры, внутренние помехи, КПД, на­ дежность и др. Важнейшим параметром любого усили­ теля является коэффициент усиления.

1.5.2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Поскольку основным качеством любого усилителя яв­

ляется усиление мощности, то его количественной харак­ теристикой, казалось бы, должен быть коэффициент уси­

ления мощности. Однако на практике коэффициент уси­

ления мощности рационально использовать только при

анализе усилителей мощности, так как в общем случае

он зависит от параметров не только усилителя, но и внеш­

ней нагрузки. Например, коэффициент усиления мощно­

сти усилителя напряжения

Кр = ~ =	( и2 )2	2RBX .	(1.22)
P1	и!	Rи

Коэффициент усиления мощности зависит от сопротивле­

ния внешней нагрузки Rи и потому не может использо­

ваться как параметр усилителя напряжения. Вместе с тем

для усилителя мощности ОН является однозначным

и удобным показателем, поскольку определяется пара­

метрами самого усилителя:

Кр = К2 RBX .	(1.23)
4RB hIx

Усилитель напряжения характеризуется /i,оэффuцu­

ен,то,М усuлен,uя н,аnряжен.uя, который равен отношению

напряжений на выходе и входе усилителя:
К = U2IU1 ,	(1.24)
С/i,ВОЗНbtAt коэффuцuеНТОАL усuлен,uя
КЕ = UiEr	(1.25)

32

и коэффициентом усиления 7'окд, который равен отноше­ tJ:ию выходного тока к входному:

К[ = 1/11'

(1.26)

В случае безреактивного характера входного сопро­

тивления усилителя и сопротивления нагрузки входная

И выходная мощности усилителя будут активными и ко­

эффициент усиления мощности запишется как произведе­

ние коэффициентов усиления напряжения и тока:

(1.27)

Выражения для коэффициентов усиления мощности, на­ пряжения и тока справедливы для области средних

частот, когда реактивные элементы, имеющиеся в усили­

теле, практически не оказывают заметного влияния на

коэффициент усиления. В общем случае [см. формулу

:<1.17)] коэффициент усиления является комплексной ве­

личиной и характеризуется модулем и аргументом.

Коэффициент усиления напряжения усилителя можно

представить в виде произведения коэффициентов усиле­

ния его каскадов:

При анализе часто используется выражение коэффициен­

та усиления в логарифмических единйцах-децибелах.

Связь линейных и логарифмических единиц очень проста

и удобна

КРдБ =	10 Ig Кр,	(1.29)
КдЕ = 20 Ig 1(.		(1.30)
Например, увеличение К в два		раза соответствует возрас­
танию КдЕ	на 6 дБ, в десять	раз - на 20 дБ и т. д. Та­

ким образом, общее усиление усилителя находится как алгебраическая сумма коэффициентов усиления его кас­

кадов

(1.31)

При анализе и синтезе усилителей удобно ИСПОльзо­

ватьЛАХ.

83

1.5.3. ПОЛОСА ПРОПУСJ(АНИЯ

Полоса пропускания усилителя М представляет собой"

разность граничных частот fa-fн, в пределах которой

коэффициент усиления усилителя изменяется по опреде­

ленному закону с заданной точностью. Например, для У3Ч сквозной коэффицнент усиления должен быть по­ стоянным во всей полосе частот от 16 Гц до 20 кГц (иде­

альная АЧХ), а для усилителей воспроизведения магнит­

ной записи или многоканальных систем коэффициенты

усиления непостоянные в полосе пропускания и изменя­

ются по сложному закону (см. рис. 1.11).

Полоса пропускания частот усилителя должна быть

больше или в крайнем случае равна ширине спектра уси­

ливаемых частот (M~Mc). в зависимости от класса

и качества аппаратуры выбирается и полоса пропускания усилителей, причем с заданной степенью точности коэф­

фициента усиления в полосе пропускания.

Усилители разного назначения имеют разные полосы пропускания. Например, полоса пропускаиия усилителя широкополосного осциллографа находится в пределах от

О (иногда от 20 Гц) дО БО МГц. Полоса пропускания уси­

лителей магистральной связи зависит от числа телефон­

ных и телевизионных каналов. Для системы КI0800, ко­

торая рассчитана на несколько телевизионНых каналов

или 10800 телефонных каналов (полоса частот телефон­

ного канала от 0,3 до 3,4 кГц), усилитеJ1И должны иметь

полосу частот от 4 до 60 МГц. Полосу пропускания уси­

лителя можно определить с помощью его АЧХ, используя

заданные в:оэффициенты частотных искажений К(f) [22].

1.5.4. ДИНАМИЧЕСКИй ДИАПАЗОН

Различают динамический диапазон -усилителя и дина­ мический диапазон сигнала. Динамическим диапазоном

усилителя называется отношение максимального уровня

сигнала к минимальному на его ,Выходе при определен­

ных критериях качества;

(1.32)

Динамический диапазон усилителя можно оценить с по­

мощью его АХ (см. рис. 1.7).

Для ПО,1Jучения заданного качества усиленного сигна­

ла необходимо знать как минимально ДОПУСТilмое отно,

34

шение сигнал-помеха, ограничивающее снижение уровня

усиливаемых сигналов, так и максимально допустимую

нелинейность усилителя, определяющую верхний уровень усиливаемых сигналов, по которым находят верхний

и нижний пределы выходного напряжения усилителя. Та­ ким образом, верхний предел выходного напряжения

ограничивается заданным коэффициентом гармоник,

а нижний - уровнем внутренних помех, создаваемых уси­

,nителем. Динамический диапазон усилителя может за­

даваться в децибелах как 'сответствующие отношения на­ пряжений, токов или мощностей

D = 20 19 Имаис = 20 Jg	IMa"c = 10]g	Рмаис •	(l.3З)
ИМИН	lмин	Рмин

Естественно, что динамический диапазон усилителя дол­

жен быть больше !iЛИ в крайнем случае равен динамиче­

скому диапазону сигнала (D~Dc).

Дuна.мически,н диапазоно),! сигнала называется пре­

вышение его максимального уровня над минимальным,

выраженное в децибелах:

(1.34)

где Рмакс И рмин - соответственно максимальное и мини­ мальное. значения звукового давления, при которых ве­

роятность выхода за пределы допустимого не превышает

2 %. Динамический диапазон различных звуковых сигна­

лов колеблется от 25 до 65 дБ.

Если динамический диапаЗОll сигнала больше динамического диа­ пазона усилителя, то некоторые сигиалы могут быть не слышны вов­ се или слышны неотчетливо. Современные высококачественцые усили­ тели и микрофоны способны пропускать снгнал с динамическим диа­ пазоном до 70 дБ. Однако далеко не все звуковоспроизводящие 11 звукопреобразующие приборы обладают таким большим динами­

ческим диапазоном.

Чтобы уменьшить неразборчивость при усилении сигнала, его ди­ намический диапазон стараются сжать путем регулирования коэф­ фицнента усилеиия как вручную, так и автоматически. При сжатии

динамического диапазона сигнала ухудшается качество звукового

воспроизведения. Однако при перегрузке усилителя или при заглуше­ нии помехами слабых сигналов качество звукового воспроизведения может быть куда хуже.

1.5.5. ЛИНЕйНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Усиление сигнала - это повышение его уровня по

мощности при сохранении формы. Однако усилить сигнал

и в точности сохранить его форму практически невозмож-

з5

но, поэтому усиливаемый сигнал принято характери·

зовать как уровнем усиления, так и уровнем иска·

жений.

Искажением усиливаемого сигнала называется его из­

менение, вызванное несовпадением реальных и идеаль­

ных характеристик усилителя. В связи с тем, что некото­ рые элементы усилителей нелинейные, искажения сигна­ ла могут быть линейными и нелинеЙным,и. Линейные искажения в усилителях обусловлены влиянием таких ре­

активных элементов, как конденсаторы и катушки индук­

тивности, применяющиеся в качестве ЭС, а также неко­ торых реактивных паразитных элементов в УЭ. Сущест­

вуют линейные искажения трех видов: частотные,

фазовые и nереходные.

Частотные искажения. В усилителе частотные иска­

жения возникают в том случае, когда коэффициент уси­

ления на разных частотах в полосе пропускания по ка­

ким-либо причинам отличается от идеального. В основ­

ном это связано с тем, что сопротивления емкостных

и индуктивных элементов усилителя изменяются с изме­

нением частоты и оказывают влияние на коэффиu.иент усиления. Другими словами, частотные искажения в уси­ лителе связаны с несовпадением реальной и идеальной АЧХ в заданноIi полосе частот (см. рис. 1.8). 3а меру

частотных искажений принимается норм,ированный ко-

л

эффициент усиления К(f) в полосе пропускания усили-

теля (см. рис. 1.9).

В случае усиления сигналов звуковой частоты частот­

ные искажения ощущаются органами слуха человека как

изменение тембра, если нормированные коэффициенты

лл

усиления Кн и Кв В полосе пропускания усилителя не пре-

вышают К в два раза. В связи с этим к У3Ч предъявля­

ются сравнительно высокие требования к равномерности их АЧХ. Например, для У3Ч высшего класса уровень час­ тотных искажений должен быть меньше 1 дБ. Снижение

четкости изображения в телевизионном усилителе наблю­

дается при завале его АЧХ в области верхних частот, а неравномерность АЧХ измерительного усилителя при­ водит к частотным ошибкам. В то же время оптимальные АЧХ усилителей воспроизведения магнитной записи

и магистральных систем связи (см. рис. 1.11) в полосе пропускания значительно отличаются от идеальной АЧХ

УЗЧ (см. рис. 1.8). В связи с этим хотелось бы подчерк-

36

нуть, что необходимо оценивать частотные искажения

всего тракта передачи, а не одного усилителя.

Частотные искажения усилителя (каскада) зависят от частотных параметров его элементов. При определении

уровня частотных искажений каскада в области нижних

частот необходимо знать частоту

'НУ2 = 1/2л't'н,

(1.35)

где 't'п - постоянная времени эквивалентной схемы кас­

када для области нижних частот.

В области верхних частот уровень частотных искаже­

ний определяется с помощью частоты 'ВУ2' равной час­

тоте полюса:
fBY2 = 1/2Л't'в,	(1.36)
где 't'B - постоянная времени эквивалентной	схемы кас­
када для области верхних частот.

Зная эти частоты, находят нормированные коэффи­

циенты усиления и оценивают уровень частотных иска­

жений.	Подъем	АЧХ характеризуется	искажениями
л	1, а спад -	л	л
K(f»		искажениями кт < 1.	При кт = 1

частотные искажения в усилителе отсутствуют.

Фазовые искажения. В усилителе фазовые искажения возникают в том случае, когда реальная ФЧХ не совпа­ дает с идеальной в полосе пропускания. Нетрудно убе­ диться в том, что идеальная ФЧХ - прямая, выходящая из начала координат (см. рис. 1.12), не создает фазовых искажений.

Пусть усиливаемый сигнал состоит из суммы n сину­

соидальных напряжений

n
иl (t) = ~ U km siп k2лft.	(1.37)

k=1

Тогда, при условии отсутствия частотных искажений

в диапазоне от f до kf, амплитуды всех составляющих

сигнала на выходе усилителя возрастают в К раз и за­

держиваются на некоторое время. Выходной сигнал за­

писывается следующим образом:

n
и2 (t) = К ~ Ukm sin 2лf (t - а/2л),	(1.38)

k=1

31

где aj2n - групповое время эадержlCU tзд; а - коэффи­

циент.

Гармонические составляющие усиливаемого сигнала

независимо от их частоты смещаются на групповое время

задержки tзд• Таким образом, фазовые искажения сигна­ ла не наблюдаются при отсутствии относительного сдвига по фазе гармоник:

а2лfn = nа2лfl'

(I.39)

Следовательно, взаимное расположение синусоид различ­ ных частот будет оставаться постоянным и форма кривой

сигнала не изменится.

Другое дело, когда ФЧХ нелинейна. Гармонические

составляющие спектра сигнала смещаются во времени

неодинаково (по причине нелинейности ФЧХ), и сумми­

рование составляющих сигнала на выходе усилителя да­

ет совершенно иной сигнал, отличающийся по форме от

входного. В усилителе снелинейной ФЧХ наблюдаются

фазовые искажения.

При оценке фазовых искажений интерес представляет

не сам фазовый сдвиг, а его изменение в зависимости

от частоты В реЗУЛ:hтате фазовые искажения оценивают­

ся как отклонения фазового сдвига и группового времени

задержки, которые можно определить путем проведения

касательной к реальной ФЧХ. Например. групповое вре­ ~!Я задержки удобно оценивать по мгновенному запазды­ ванию каждой компоненты усиливаемого сигнала

tвд = dffJ (f)/df.

(1.40)

атакже по разности между максимальным и минималь­

ным значениями этой производной в заданном диапазоне

частот.

Если в интервале частот от {мив до {макс коэффициен­

ты k и а постоянные, линейные искажения усиливаемого сигнала отсутствуют. Однако при усилении импульса пря­

моугольной формы малой длительности fMaKc должна

быть бесконечно велика. В действительности же удовле­

творить условиям идеальности АЧХ и ФЧХ удается толь­ ко до некоторой частоты {в. Следовательно, при усилении

импульсных сигналов избавиться от линейных искажений

практически невозможно.

Поскольку органы слуха человека не реагируют на изменение фазовых соотношений между отдельными со­

(тавляющими сигнала, то в У3Ч фазовые искажения не

38

		IJ(t)
	1
	49
f		0,1
Q	t2 t О'---4-:---+---,-+---,\-------t{'
	о)

Рис. 1.17. Линейные искажения прямоугольноtо импульса:

а - входно!t импульс: 6 - ВЫХОДНО!! импульс

нормируются. Более того, в телевизионных приемниках и Qсциллографах непросто нормировать допустимые фа­

зовые искажения из-за комплексного характера ФЧХ. Переходные искажения. В случае усиления синусо­

идальных сигналов на выходе усилителя обычно проте­

кает установившийся (стационарный) процесс. При уси­

лении импульсных сигналов на выходе усилителя наблю­

дается переходный процесс, так как сам импульс состоит

из чередующихся участков с разными значениями произ­

водных (скоростей изменения). Иными словами, импульс­

ные сигналы характеризуются быстрыми переходамн от одного уровня к другому, что вызывает переходный про­

цесс. Линейные искажения импульсных сигналов ТРУДНО оценить по характ.еру изменения их формы. Вместе с тем имеется определенная связь между ПХ усилителя и из­

менением формы усиливаемого сигнала.

Изменение формы импульса при усилении, обуслов­ ленное действием реактивных элементов, на практике

оценивается с помощью нормированной ПХ (рис. 1.17).

Это реакция усилителя на входной сигнал ступенчатой

формы. При отсутствии реактивных элементов (идеаль­ ный случай) напряжение на выходе усилителя повторило бы форму входного. Отсюда следует, что количественная

оценка переХОДRЫХ искажений может основываться на

сравнении реальной ПХ с идеальной, равной

h(t)=K1(t).

(1.41)

Переходные искажения характеризуются тремя па­

раметрами: временем нарастания tиар, в течение к'ОТОРО-

39

го нормированная переходная функция h(t) изменяеТСJl от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения, относи­

тельным значением наибольшего выброса б, возникающе­

го при колебательном характере переходного процесса.

и неравномерностью вершины прямоугольного импульса

.1, образуемой за время tи.

Втом случае, когда tHap«tll' для изображения фронта

иплоской вершины переходной функции приходится поль­

зоваться разными масштабами.

Время нарастания для усилителя (каскада) опреде­

ляется при переходе от изображения выходного напря­

жения к его оригиналу

и2 (р) = к (р) и1 (р).

(1.42)

Выражение Ul(t)=U 11(t) для области верхних частот

простой эквивалентной схемы каскада в операторной

форме имеет вид и1 (р)=и1/р. По таблицам «Оригина­ лы и изображения по Лапласу» [24] определяется выход­

ное напряжение каскада

и2 (р) = ки1/р (1 + fYtB)'

(1.43)

С помощью (1.43) находится нормированная перехоДная

функция простейшего каскада

л	l_e-i/'tв •	(1.44)
h(t) = u2 (t)/KU1 =
Если переходную	функцию	приравнять к 0,1 и 0,9
и найти значения t/1:8	(0,1053 и 2,306), то разность между
ними составит 2,2. Тогда можно записать
		(1.45)
Между временем нарастания		и граничной частотой f81 j

устанавливается простая связь при совместном решении

( 1.13) и	(1.45):
'вУ2 =	O,35ItHap '	(1 46)

Выражение (1.46) справедливо для простейшей эквива­ лентной схемы каскада. Однако со степенью точности до

5 % его можно распространить на более сложные каска­

ды усилителей и при некоторых условиях рассматривать

как универсальное соотношение. Это выражение показы­ вает, что усиление коротких импульсов обеспечивается при малом значении tиар, что требует большой полосы

пропускания усилителя.

Суммарное время нарастания при погрешностях уси-

40