8. Усилители электрических сигналов

Существует ряд технических задач, когда маломощный источник сигнала оказывается неспособным управлять исполнительным устройством (нагрузкой). Для решения этих задач используют усилители электрических сигналов.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания (ИП) в энергию выходного сигнала. Т.е., суть процесса усиления состоит в преобразовании энергии ИП в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим воздействием.

О бобщенная схема включения усилителя приведена на рис.8.1а. Слева вход усилителя (выводы 1-1’), а справа выход (2-2’), к нему подключена нагрузка

Усилитель имеет четыре вывода, а потому представляет собой активный четырехполюсник, его функциональная схема приведена на рис.8.1б.

Классификация усилителей

Классификация усилителей производится по различным признакам.

1. По виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители непрерывных и импульсных сигналов;

2. По типу усиливаемой величины их делят на усилители напряжения, тока и мощности. Следует, однако, заметить, что усиление сигнала по мощности происходит в любом типе усилителя.

3. По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока.

УПТ усиливает сигнал в диапазоне от нулевой частоты до некоторой верхней частоты 0 ≤ f ≤ f_в.

Усилители переменного тока усиливают сигнал в диапазоне от некоторой нижней частоты до некоторой верхней частоты f_н ≤ f ≤ f_в.

В свою очередь среди усилителей переменного тока выделяют

• усилители низкой частоты (УНЧ) с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;

• усилители высокой частоты (УВЧ) с диапазоном усиливаемых частот от сотен килогерц до сотен мегагерц;

• широкополосные усилители – устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков – сотен герц до сотен мегагерц;

• избирательные (резонансные) усилители, обеспечивающие усиление в очень узком диапазоне частот.

4. По виду связи между усилительными каскадами. Усилительные устройства строятся, как правило, на основе последовательного включения нескольких типовых каскадов. Под усилительным каскадом понимают минимальный набор пассивных и активных элементов, обеспечивающих усиление электрического сигнала. По этому признаку различают усилители

• с RC-связью или с реостатно-емкостными связями (рис.8.2а) – в усилителях переменного тока;

• с трансформаторной связью (рис.8.2б) – в усилителях переменного тока;

• с гальванической (непосредственной) связью (рис.8.2в) – в УПТ.

5. По виду нагрузки различают усилители с активной, активно-индуктивной и емкостной нагрузкой. Встречаются также резонансные усилители, нагрузка которых обладает свойствами резонансного контура.

Основные параметры и характеристики усилителя

1. Входное сопротивление , в общем случае величина комплексная.

2. Выходное сопротивление ;

3. Коэффициент усиления ;

В зависимости от характеристики физической величины на входе и выходе различают следующие коэффициенты усиления: а) коэффициент усиления по напряжению ; б) коэффициент усиления по току ; в) коэффициент усиления по мощности .

Коэффициент усиления – это относительная безразмерная величина. Иногда вместо них пользуются относительными логарифмическими величинами, которые измеряются в децибелах [дБ]. При этом K_P[дБ]=10lgK_P, K_U,I[дБ]=20lgK_U,I.

Полоса пропускания усилителя.

П ри воздействии на усилитель гармонического сигнала коэффициент усиления оказывается зависящим от частоты. Эта зависимость характеризуют частотной характеристикой коэффициента усиления. Она является комплексной функцией от частоты:

АЧХ: ; ФЧХ: ;

Из частотной характеристики следуют следующие параметры усилителя:

К⁰_u – коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот.

ω_в, ω_н – верхняя и нижняя граничные частоты рабочего диапазона частот, они определяются из выражения К_u(ω_гр)/К⁰_u= 2^-1/2

Δω=ω_в – ω_н – диапазон рабочих частот.

Амплитудная характеристика усилителя.

Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала гармонического сигнала на входе U_2m=f(U_1m)|_f=Δf, когда частота входного сигнала находится в рабочем диапазоне.

Д ля идеального усилителя U_2m=КU_1m. График АХ есть прямая (рис. 8.4).

Для реального имеются отличия:

Область 1 –– область малых амплитуд входного сигнала. Отличие состоит в том, что при U_1m=0 выходной сигнал U_2m>0. Это связано с усилением собственных внутренних шумов и внешних электромагнитных наводок на элементах усилителя.

Область 2 – это область больших амплитуд входного сигнала. Отличия связаны с нелинейностью вольт – амперных характеристик активных элементов. Их выходной сигнал не может превысить напряжения питания. Из АХ вытекает два параметра усилителя:

а. D=U_m2max/U_m2min - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем качественнее усилитель.

б. Чувствительность. Различают две чувствительности:

1) Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2) Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда: отношение , ее называют предельной чувствительностью усилителя.

Искажения в усилителях.

И деальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без искажения его формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8. .

Н елинейное искажение связаны с нелинейностью ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U_2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U_2m2… амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Л инейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Пусть на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω₀ и 2ω₀. Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω₀. будет усилено в меньшее число раз, чем составляющая ω₀, следовательно, сумма этих сигналов будет отличаться по форме от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений – отношение коэффициента усиления в области средних частот к коэффициенту усиления на заданной частоте:

М(ω)= К⁰_u /К_u(ω).

Фазовое искажение возникает из-за непостоянства фазового сдвига для различных гармоничных составляющих. Они обычно жестко связаны с частотными искажениями и поэтому специальными параметрами их не оценивают. Линейные искажения наблюдаются только при усилении сигнала сложной формы, т.е. сигналов, спектр которых содержит несколько гармонических составляющих.