2. Основные характеристики и показатели усилителей.

Свойства любого технического устройства определяются его характеристиками и качественными показатели.

Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления или коэффициент передачи. Он отражает главное назначение усилителя – усиливать электрические колебания. В зависимости от функционального (целевого) назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению K_u, по току K_i и по мощности K_p:

; , (1.3)

где U_mВЫХ, I_mВЫХ - амплитуды выходного напряжения и тока;

U_mВХ , I_mВХ - амплитуды напряжения и тока на входе усилителя;

Р_ВЫХ , Р_ВХ - мощности сигналов соответственно на выходе и входе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:

K_u(дБ)=20lgK_u K_i(дБ)=20lgK_i K_p(дБ)=10 lgK_p (1.4)

Для многокаскадных усилителей коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов

(1.5)

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов.

. (1.6)

В общем случае виду наличия реактивных элементов в усилителе (в том числе и внутренних реактивностей усилительных элементов) коэффициент усиления является комплексной величиной , зависящей от частоты :

, (1.7)

где - модуль коэффициента усиления (1.3);

- сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями.

Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Различные усилители имеют различный вид АЧХ. Они изображены на рис.1.2: для усилителя низкой частоты и широкополосного усилителя – рис. 1.2.а, для усилителя высокой частоты рис. 1.2.б, для резонансного усилителя - рис.1.2 в, для усилителя постоянного тока – рис.1.2.г. Амплитудно-частотные характеристики для усилителей низкой частоты, широкополосных усилителей, усилителей высокой частоты качественно имеют одинаковый вид, но количественно они различаются значениями частот и .

Рис.1.2.

Частоты и (или соответственно f_Н и f_В) называются нижней и верхней граничной частотой усилителя. Они определяют полосу пропускания частот – диапазон частот, в пределах которого коэффициент передачи уменьшается не более чем в раз по сравнению с максимальным значением:

(1.8)

где К₀ - максимальное значение коэффициента передачи (рис.1.2).

Другими словами на границах полосы пропускания f_Н и f_В (рис.1.2) коэффициент усиления на 3дБ меньше, по сравнению с его значением на средних частотах. Как уже было видно ранее при рассмотрении классификации усилителей, полоса пропускания является одним из важнейших параметров усилителя и во многом определяет его свойства. С полосой пропускания связана избирательность усилителя – способность усиливать сигналы одной полосы частот и не пропускать на выход колебания других частот.

Рис. 1.3.

Для неискаженной передачи сложного сигнала АЧХ в пределах полосы пропускания должна быть постоянна (рис.1.3,а).

К (f_Н < f < f_В ) = К₀ = const (1.9)

В этом случае все колебания разных частот усиливаются одинаково. Если различные колебания усиливаются неодинаково, то это в результате приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными. Их оценивают коэффициентом частотных искажений М (рис.1.3,б).

, (1.10)

где К_f - модуль коэффициента усиления на заданной частоте f.

Причиной возникновения частотных искажений является неравномерность АЧХ (рис.1.3,б). В области спада амплитудно-частотной характеристики.

(1.11)

а в области подъема АЧХ

. (1.12)

Частотные искажения становятся заметными на слух, если неравномерность АЧХ превышает , т.е. М=0,751,25. В идеальном случае при отсутствии искажений М=1. На граничных частотах полосы пропускания.

. (1.13)

В многокаскадных усилителях общий коэффициент частотных искажений М равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов.

M = M₁ M₂ M₃ … M_n (1.14)

Очевидно, что если одни каскады имеют спад АЧХ, а другие подъем на той же самой частоте, то это приводит к взаимной компенсации частотных искажений.

Коэффициент частотных искажений нередко выражают в децибелах

(1.15)

Тогда М(дБ)> 0 соответствует спаду, а М(дБ)< 0 - подъему АЧХ.

Зависимость фазового сдвига от частоты называется фазочастотной характеристикой усилителя (рис.1.4). Она отражает различие между фазовыми сдвигами между выходным и входным напряжениями отдельных составляющих усиливаемого сигнала.

Рис.1.4.

Фазочастотная характеристика ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения. Они возникают, если ФЧХ не является линейной. Время прохождения различных спектральных составляющих через усилитель в этом случае различно. Это приводит к искажениям формы сигнала. Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис.1.5. Пунктиром показаны две гармоники, а сплошной линией – результирующий сигнал. Из рис.1.5 видно, что при изменении фазовых сдвигов между гармониками изменяется форма выходного (рис.1.5,б) сигнала по сравнению с входным (рис.1.5,а).

Рис.1.5

Условием отсутствия фазовых искажений является постоянный (одинаковый) временной сдвиг для всех составляющих спектра сигнала

(1.16)

и, следовательно, прямая ФЧХ с постоянным углом наклона

(1.17)

На практике ФЧХ используют реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости.

Частотные и фазовые искажения называют линейными, так как создаются линейными элементами схемы усилителя. Они вызывают изменения соотношений между амплитудами и фазами отдельных спектральных составляющих, искажают форму сложного колебания. Однако линейные искажения не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала и не искажают форму гармонического (синусоидального) колебания.

Нелинейные искажения – это изменения формы колебаний, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, ламп, диодов, микросхем, магнитопроводов и других элементов. Отличительной особенностью нелинейных искажений является появление в спектре выходного сигнала высших гармоник и комбинационных составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.

Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник K_Г или коэффициентом нелинейных искажений.

Коэффициент гармоник K_Г - отношение действующего значения всех высших гармоник выходного напряжения (или тока) к действующему значению напряжения (тока) первой гармоники.

(1.18)

(1.19)

где U₁,U₂,U₃,… - действующие значения отдельных гармоник напряжения;

I₁, I₂, I₃,… - действующие значения отдельных гармоник тока.

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При K_Г <2…3% они почти незаметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот устанавливают коэффициент гармоник K_Г <0,2%. Величину нелинейных искажений можно оценить по амплитудной характеристике.

Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) U_mВЫХ (I_mВЫХ ) от амплитуды входного напряжения (тока). U_mВХ (I_mВХ )

U_mВЫХ =f(U_mВХ ) (1.20)

В идеальном случае отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления и амплитудная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат (пунктир на рис. 1.6). Тангенс угла наклона характеристики равен коэффициенту усиления. Реальная АХ (сплошная линия на рис.1.6) совпадает с идеальной только на ограниченном участке 2-3. Это рабочий участок.

Рис. 1.6.

Начальный участок АХ отклоняется от прямой (точка 1 на рис.1.6) из-за наличия собственных шумов усилителя U_Ш.

При слишком большом уровне сигнала амплитудная характеристика искривляется (точка 3 на рис. 1.6) из-за перегрузки усилительных элементов. Любой каскад в состоянии пропустить переменное напряжение, не превышающее некоторого значения. Использование верхнего криволинейного участка (точка 3) приводит к нелинейным искажениям.

Амплитудные значения U_mВХmin, U_mВХmax, U_mВЫХmin, U_mВЫХmax ограничивают рабочий участок амплитудной характеристики.

Динамическим диапазоном D усилителя называется отношение максимальной амплитуды выходного (входного) напряжения к минимальной амплитуде выходного (входного) напряжения.

(1.21)

Обычно он выражается в децибелах

. (1.22)

И составляет обычно D(дБ)=40…60дБ.

Бывают случаи, когда рабочий участок амплитудной характеристики не является строго линейным (рис.1.7)

Рис.1.7.

В этом случае при подаче на вход синусоидального сигнала, выходной сигнал не будет синусоидальным. Следовательно, возникают нелинейные искажения и появляются высшие гармоники.

Входное и выходное сопротивление являются важными параметрами усилителя. Они особенно важны при согласовании каскада с источником сигнала и нагрузкой. Для их определения преобразуем рис.1.1.б к виду 1.8.

Рис.1.8.

Усилитель на рис.1.8. представлен активным четырехполюсником, источник сигнала – активным двухполюсником, нагрузка – пассивным двухполюсником. Все величины в общем случае являются комплексными.

Входное сопротивление – это сопротивление между входными элементами 1-1¹. Если ко входу подключить источник сигнала, то на входе усилителя будет напряжение U_ВХ и потечет ток I_ВХ.

Тогда входное сопротивление усилителя определяется по формуле

. (1.23)

Для определения выходного сопротивления Z_ВЫХ между клеммами 2-2¹ необходимо исключить влияние сопротивления нагрузки Z_Н. Напомним, что выходное напряжение усилителя в этой схеме создается источником Е_ВЫХ, который является идеальным источником напряжения и имеет нулевое внутреннее сопротивление. Чтобы исключить влияние Z_Н выходное напряжение измеряют в режиме холостого хода U_{ВЫХ ХХ}, а выходной ток в режиме короткого замыкания I_{ВЫХ КЗ}. Тогда выходное сопротивление

(1.24)

На практике далеко не всегда удается обеспечить эти два режима и тогда выходное сопротивление определяют косвенными методами.

Поскольку усилитель предназначен для увеличения мощности полезного сигнала, то важными параметрами являются входная мощность P_ВХ и мощность P_Н, отдаваемая в нагрузку. Если все сопротивления носят активный характер, то

(1.25)

(1.26)

При синусоидальном сигнале

(1.27)

(1.28)

где U_mВХ , U_mВЫХ , I_mВХ, I_mН - амплитудные значения напряжений и токов.

Экономичность питания усилителя оценивают по коэффициенту полезного действия (КПД), току питания в режиме покоя (при отсутствии сигнала) и мощности Р_ПОТР, потребляемой от источника питания.

Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет собой отношение выходной мощности Р_Н, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности , потребляемой усилителем от источника питания, и выражается в процентах.

(1.29)

Применяется также КПД выходной цепи усилительного элемента (УЭ), который представляет собой отношение мощности, создаваемой в выходной цепи УЭ, к мощности питания, потребляемой этой цепью.

(1.30)

Он учитывает потери мощности в УЭ и применяется для оценки экономичности оконечных каскадов как основных потребителей энергии питания.

Технические показатели и характеристики любых устройств, в том числе и усилительных, не остаются постоянными ввиду нестабильности параметров составляющих элементов, при изменении температуры, напряжения и тока питания, разброса номинальных значений, вследствие старения.

Наиболее нестабильны параметры транзисторов. Максимальные нестабильности нормируются техническими условиями. Обычно задается допустимая относительная нестабильность того или иного показателя, т.е. отношение абсолютного приращения данного показателя к его номинальному значению. Например, нестабильность коэффициента усиления:

(1.31)

где dk - изменение (дифференциал) коэффициента усиления.

Перечисленные выше параметры и характеристики являются наиболее общими и основными для всех видов усилителей. Однако они не исчерпывают всех параметров. Некоторые из них, специфические для конкретного вида усилителя, будут рассмотрены в дальнейшем.