Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

По типу усилительного элементаразличают: транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые и магнитные усилители.

По конструктивному выполнениюусилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники.

Приведенные классификационные признаки являются далеко не полными. Можно подразделять усилители по электрическому параметруусиливаемого сигнала. По этому признаку усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности (такое разделение условно, так как в любом случае усиливается мощность).По числу усилительных каскадовусилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные и т.д.

Работу усилителей принято оценивать рядом технических показателей и характеристик, которые зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения. Важнейшими техническими показателями являются:

• коэффициенты усиления;

• входные и выходные сопротивления;

• выходная мощность;

• КПД;

• номинальное входное напряжение (чувствительность);

• диапазон усиливаемых частот;

• динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех;

• а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Коэффициент усиленияпредставляет собой отношение параметров выходного сигнала к входному. Коэффициент усиления в зависимости от характера входных и выходных величин подразделяют на:

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по мощности

.

В общем случае К_UиK_I– комплексные величины, зависящие от частоты сигнала.

В области средних частот входные и выходные напряжения и токи не зависят от частоты. И коэффициенты усиления на этих частотах являются действительными величинами. Коэффициент усиления по мощности К_Р– всегда действительное число.

.

Коэффициенты усиления выражают не только в относительных единицах, но и в логарифмических – децибелах (дБ):

;

;

.

Коэффициент усиления усилителя не является величиной строго постоянной, а зависит от ряда факторов: частоты и амплитуды сигнала, напряжения источника питания и т.д.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К_u= К_u1К_u2К_u3….

или

К_{u дБ}= К_u1дБ+К_u2дБ+К_u3дБ+…..

Входное сопротивлениеусилителя представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Оно равно:

.

Выходное сопротивление(R_вых) определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки (R_н). Оно равно:

.

Входное и выходное сопротивления усилителя, как и сопротивление нагрузки, в общем случае имеют комплексный характер, но входной и выходной токи и напряжения обычно определяются в условиях, при которых эти сопротивления можно считать активными.

Номинальная выходная мощность– максимальная мощность на выходе, при которой нелинейные искажения не превысят допустимого уровня. При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна:

.

Коэффициент полезного действия выходной цепи усилителя– это отношение мощности сигнала, отдаваемой в нагрузку усилителя (Р_н) к мощности, потребляемой выходной цепью от источника питания (Р_о):

.

Номинальное входное напряжение (чувствительность)– это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе номинальную мощность. Чем меньше значение входного напряжения, обеспечивающего номинальную мощность, тем выше чувствительность.

К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая и переходная.

Амплитудная характеристика– зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от амплитудного или действующего входного напряжения при некоторой постоянной частоте:

.

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 6.2) проходит не через начало координат, так как в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Напряжение шумов обусловлено пульсациями напряжения источника питания, а также напряжением нестационарных процессов, определяемых структурой активных и пассивных элементов схемы. Значение общих помех на выходе усилителя должно быть значительно меньше напряжения усиленного сигнала:

В противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение ограничивается появлением нелинейных искажений. При больших входных сигналах (U_вх=U_{вх max}) пропорциональность междуU_вых иU_вхнарушается из-за нарушения пропорциональной зависимости между входным и выходным токами транзистора.

В рабочем диапазоне амплитуд входного сигнала (U_{вх min}...U_{вх max}) амплитудная характеристика имеет форму прямой линии, а угол наклона определяется коэффициентом усиления усилителя по напряжению на данной частоте. По амплитудной характеристике усилителя определяют динамический диапазон амплитуд (Д).

Динамический диапазон амплитуд– это отношение максимально допустимой амплитуды входного напряжения к его минимальному значению:

или в децибелах

.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (рис. 6.3) – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала:

k=f(f).

При построении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по вертикальной оси (см. рис. 6.3) откладывают значениеk_Uв относительных единицах или децибелах, а по горизонтальной оси – частоту (f), как правило, в логарифмическом масштабе.

По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя:

∆f=f_в–f_н.

Д

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты:

φ = f(f).

Фазовые сдвиги в усилителях обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. График ти­пичной фазочастотной характеристики усилителя переменно­го напряжения показан на рис. 6.4.

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 6.5). Она объединяет в себе амплитудно- и фазочастотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициентаK(jw).

Переходная характеристика (рис. 6.6) используется при анализе импульсных усилителей, предназначенных для усиления импульсов различной формы. Эта характеристика представляет собой зависимость мгно­венного значения выходного напряжения или тока сигнала от времени при действии на входе единичного скачка напряжения или тока.

6.2. Искажения в усилителях

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением. В усилителях различают два вида искажений – линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.

Линейные искаженияобусловлены зависимостью модуля коэф­фициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от часто­ты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.

Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работаю­щего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые ука­занными причинами изменения формы выходного сигнала на­зывают соответственно частотными и фазовыми искажениями.

Частотные искажения– это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов

х_C= 1 /C

по мере снижения частоты сигнала.

Снижение K_U на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей «коллектор – база», «коллектор – эмиттер» и «база – эмиттер», а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений(M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (K_ср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K_):

M=K_ср/K_.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.