Основные параметры и характеристики усилителей

Основными параметрами усилителя являются:

• • коэффициент усиления К;
• • динамический диапазон D;
• • рабочий диапазон частот А/;
• • выходная мощность Р_вых;
• • входное Z_BX и выходное Z_BbIX сопротивления;
• • КПД ц;
• • коэффициент нелинейных искажений К_ИИ.

Коэффициентом усиления (передачи) называется отношение выходного сигнала усилителя к входному. В зависимости от характера входной и выходной величин коэффициент усиления подразделяется на коэффициент усиления по напряжению К_и, по току Kj и по мощности К_р:

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов:

где К_п — коэффициент усиления п-го каскада.

В ряде случаев коэффициенты усиления выражаются в логарифмических единицах — децибелах (дБ):

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, общий коэффициент усиления которого равен произведению этих коэффициентов, то его находят как алгебраическую сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Динамическим диапазоном называется отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению:

Введение

коэффициента D, характеризующего динамический диапазон, необходимо потому, что максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики.

Минимально допустимое напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить.

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) — это полоса частот от нижней рабочей частоты/_н до верхней рабочей частоты/_в, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за пределы заданных допусков.

Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то полоса пропускания представляет диапазон частот, в котором коэффициент усиления снижается на 3 дБ (в 1,41 раза) относительно своего значения на средних частотах, т. е. где коэффициент усиления усилителя принимает значения более 0,707K_Umax.

Выходная мощность характеризуется номинальной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте нелинейных искажений.

В общем случае входное и выходное сопротивления усилителя — величины комплексные из-за наличия реактивных элементов во входной и выходной цепях.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания: г = Р_вых/Р₀- Он характеризует энергетические показатели усилителя.

Коэффициент нелинейных искажений оценивает искажения, обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики усилителя, и определяется по формуле.

где U_nm — амплитуда напряжения n-ой гармонической составляющей выходного сигнала.

Довольно часто нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник, который определяется по формуле.

Для оценки диапазона изменения входных напряжений, усиливаемых без искажений, используется амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитудного значения выходного напряжения первой гармоники U_{lm вых} от амплитуды синусоидального входного напряжения U_{m вх} при неизменной его частоте (f= const). Характерный вид амплитудной характеристики приведен на рис. 10.28.

По амплитудной характеристике определяется рабочий диапазон амплитуд входного напряжения. Это производится следующим образом. На амплитудной характеристике выделяется рабочий участок ВС — прямолинейный участок, ограниченный точками В и С. Находятся проекции точек В и С на ось абсцисс, в результате чего определяются значения минимальной U_{m вх min} и максимальной U_{m вх тах} амплитуд входного напряжения. Между значениями напряжений U_{m вх mln} и U_{m вх тах} и находится рабочий диапазон амплитуд входного напряжения. По полученным значениям можно определить динамический диапазон D усилителя по формуле (10.1).

Участок АВ характеристики является нерабочим, так как при подаче на вход усилителя напряжения меньшего напряжения U_{m вх min}, выходное напряжение U_{m вых} будет соизмеримо с напряжением шумов и_ш.

Участок CD характеристики является также нерабочим, так как как при подаче на вход усилителя напряжения большего напряжения U_m вх шах? ^в выходном напряжении появляются нелинейные искажения, обусловленные ограничением амплитуды выходного напряжения уровнем напряжения источника питания.

По амплитудной характеристике можно также определить коэффициент усиления Kjj усилителя по формуле.

вых где К_т =—коэффициент масштаба, равный отношению масшта;

Ш-ивх

бов по осям соответственно выходного т_{и вых} и входного т_{и вх} напряжений.

Рис. 10.28. Амплитудная характеристика усилителя.

Для оценки свойств усилителя напряжения на различных частотах пользуются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), которой называется зависимость коэффициента усиления по напряжению К_и от частоты / входного сигнала при неизменной его амплитуде (U_{m вх} = const). По частотной характеристике определяется полоса пропускания усилителя.

На рис. 10.29 приведены АЧХ усилителя с емкостной связью (кривая 1) и УПТ (кривая 2).

В АЧХ усилителя с емкостной связью наблюдается снижение (завал) коэффициента усиления К_и в области нижних и верхних частот. Завал частотной характеристики в области нижних частот объясняется возрастанием емкостного сопротивления конденсаторов связи (разделительных конденсаторов) между каскадами. Завал частотной характеристики в области верхних частот объясняется частотными свойствами усилительных элементов (транзисторов) и паразитной емкостью монтажа.

Снижение К_и в области нижних и верхних частот называется частотными искажениями. Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, которые равны:

где Kjj _max — максимальное значение коэффициента усиления; К_ин, Кцв — коэффициенты усиления соответственно на нижней и верхней граничных частотах.

Обычно для усилителей напряжения с емкостной связью допустимые значения коэффициентов частотных искажений принимаются М_н = = М_в = V2. Частоты, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называются нижней /_н и верхней /_в граничными частотами, а диапазон частот между ними — полосой пропускания.

Таким образом, полоса пропускания представляет собой диапазон частот, в котором коэффициент усиления усилителя больше 0,707K_Umax (рис. 10.29).

Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока УПТ (см. рис. 10.29, кривая 2) проходит несколько выше и не имеет завала в области нижних частот, так как УПТ не содержит конденсаторов связи и выполняется с непосредственной связью между каскадами.

В связи с тем, что полоса пропускания усилителей обычно достаточно велика, по оси абсцисс откладывают значения частот в логарифмическом масштабе.

Рис. 10.29. Амплитудно-частотная характеристика усилителей:

1 — с емкостной связью; 2 — постоянного тока.