История

• 1904 год - Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы - триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
• 1932 год - Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью .
• 1942 год - в США построен первый операционный усилитель - усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название - решающий.

Устройство и принцип действия

УНЧ с обратной связью. Типичная схема

Структура усилителя

• Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
• В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала . В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) - для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы - для выравнивания частотной характеристики
• Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
• Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры - для регулировки усиления, фильтры - для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства - нелинейные и др.
• Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания .

Каскады усиления

Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

• Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
• В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

Классификация

Аналоговые усилители и цифровые усилители

• В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
• В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину - число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе

• Ламповый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
• Полупроводниковый усилитель - усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)
• Гибридный усилитель - усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть - на полупроводниках
• Квантовый усилитель - устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот

• Усилитель постоянного тока (УПТ) - усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике , измерительной и аналоговой вычислительной технике .
• Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) - усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
• Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи , радио- и телевизионного вещания, радиолокации , радионавигации и радиоастрономии , а также в измерительной технике и автоматике
• Импульсный усилитель - усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц - нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт , то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот

• Широкополосный (апериодический) усилитель - усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот
• Полосовой усилитель - усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот
• Селективный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Виды усилителей по типу нагрузки

• с резистивной;
• с ёмкостной;
• с индуктивной;
• с резонансной.

Электронные усилители - раздел Философия, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА 2.5.1.общие Сведения Электронным Усилителем...

2.5.1.Общие сведения

Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и мощности электрических сигналов.

При этом наиболее важным является усиление мощности, так как усиление напряжения (без усиления мощности) можно получить просто с помощью трансформатора. Следует подчеркнуть, что мощность сигналов в электронных усилителях усиливается за счет энергии источников питания.

Электронный усилитель является наиболее распространенным электронным устройством. Он непосредственно используется в проводной связи, в звуковом кино, в автоматике для усиления сигналов датчиков, измерения электрических и неэлектрических величин, в управляющих и регулирующих устройствах, а также в аппаратуре геологической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и многих других случаях. Кроме того, электронные усилители применяют в других электронных устройствах: электронных генераторах, преобразователях формы и частоты сигналов и др.

Усилители можно подразделить на ряд типов по различным признакам. Наиболее часто их классифицируют по диапазонам частот усиливаемых сигналов.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления напряжения постоянного тока или медленно изменяющихся сигналов. Их используют для усиления сигналов различных датчиков, называемых также первичными преобразователями.

Усилители звуковых частот (УЗЧ) предназначены для усиления электрических сигналов в звуковом диапазоне частот (от 20 Гц до 20 кГц). Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для усиления сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 100 кГц.

Избирательные, или селективные (резонансные), усилители усиливают сигналы в сравнительно узкой полосе частот. Наиболее часто их используют в радиоэлектронной аппаратуре, в частности для усиления высокочастотных колебаний в радиоприемниках, сокращенно их обозначают УВЧ-усилители высокой частоты.

Широкополосные усилители предназначены для усиления широкого спектра частот (от десятков герц до нескольких мегагерц) и используются, например, в телевизионных приемниках.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Национальный минерально сырьевой университет Горный...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Порядок расчета
1. Зададимся условными направлениями токов в ветвях (номер введем в соответствии с порядковым номером сопротивлений). 2.Составим уравнения для каждого из независимых узлов по первому закон

Метод узловых потенциалов
Этот метод основан на составлении уравнений по первому закону Кирхгофа, схема рис.5 -I1 + I2 - I3 = 0

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ однофазного ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Переменным током называется ток, периодически меняющийся по величине и направлению: I0(t) = I0(t + кT). Такой режим может быть опис

Контрольные задачи
1. Определить напряжение на индуктивности, если ток катушки Z

ЦЕПИ С ИНДУКТИВНЫМИ СВЯЗЯМИ
Индуктивно связанными элементами электрической цепи переменного тока называются индуктивные катушки, в которых кроме ЭДС самоиндукции создается ЭДС от действия переменного магн

Последовательное соединение катушек
Для цепи с последовательным соединением, при согласном включении рис.26:

Параллельное соединение катушек
При параллельном соединение катушек, рис 27.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
t В электрических цепя

Потокосцепление скачком измениться не может
, следовательно, по 1-му закону коммутации в первый момент

Контрольные задачи
1.В симметричной электрической цепи при соединении звездой Z = 5еj30B Ом;

Заземленная нейтраль
Ток однофазного короткого замыкания в сети с заземленной нейтралью достаточно велик и сопровождается возникновением дуги. Это делает невозможным ис­пользование таких сетей в угольных шахтах и помещ

Изолированная нейтраль
При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью ток короткого замыкания определяется сопротивлением изоляции, которое, в свою очередь, определяется активным и емкостным сопротивл

Защитное заземление
Защитным заземлением называется преднамеренное соеди­нение с землей всех нетоковедущих металлических частей электро­установки не находящихся под напряжением, но которые могут ока­заться под напряже

Защитное зануление. Принцип действия
Занулением называется преднамеренное электрическое со­единение металлических нетоковедущих частей электроустановок с нулевым, многократно заземленным проводом, рис.49.

Основные величины, характеризующие магнитное поле, и ферромагнитные материалы
В различных областях техники широкое применения находят электромагнитные механизмы и устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Они также создают магнитные поля с необход

Закон полного тока
Расчет магнитной цепи производится на основании закона полного тока.

Феррорезонансные явления в цепи переменного тока
Нелинейность кривой намагничивания обусловливает нелинейность индуктивного сопротивления катушки на магнитном сердечнике, для которой индуктивное сопротивление будет во много раз больше, чем без се

ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформаторы - это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования тока одного уровня напряжения в переменный ток другого уровня напряжения той же частоты. Т.е.

Однофазный трансформатор напряжения
Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного трансформатора схематически представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками w1 и w2 (рис.56

Асинхронный двигатель
Асинхронный двигатель наиболее распространен в качестве электропривода различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Более 60 % всей вырабатываемой в мире энергии преобразуется в меха

Синхронная машина
Синхронная машина переменного тока используется с механизмами, требующими постоянного рабочего момента. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.

Машина постоянного тока
Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии, как в механическую, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором – ген

ОБЕСПЕЧЕНИЕ электробезопасности
При коммутации электрических цепей (включении, выклю­чении электроприемников) возникает либо искровой разряд, либо дуга между расходящимися контактами. Во взрывоопасной атмо­сфере (в угольной шахт

Контроль изоляции электрических сетей. Реле утечки
Однофазное короткое замыкание в сети с изолированной нейтралью может ос­таться незамеченным, поскольку ток замыкания небольшой. Однако незамеченное и вовремя не отключенное однофазн

Назначение защитного отключения
Назначение защитного отключения - обеспечение автоматического отключения элек­троустановки при возникновении в ней опасности поражения чело­века током. Меры защиты – быстрое отключение участка сети

Устройства, реагирующие на ток замы­кания на землю
При возникновении опасных напряжений на корпусе электроустановки (рис.72) возникает ток утечки, срабатывает реле тока РТ, включенное между корпусом и землей, размыкает свой нормально замкнутый конт

P-n-переход и его свойства
Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятс

Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный p-n переход. По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды разделяют

Иногда рассматривается коэффициент обратной связи по напряжению
Величина h12 » 2×10-3-2×10-4

Интегральные микросхемы
Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые и

Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Рассматриваемый усилитель (рис. 97) предназначен для усиления гармонических сигналов (сигналов синусоидальной формы) в диапазоне низких частот. Название такой схемы объясняется тем, что эмиттер зде

Дифференциальный коэффициент усиления ОУ определяется соотношением
при Uвх1 = const и Uвх2 = const,соотв

LC-автогенератор синусоидальных колебаний с индуктивной обратной связью
На рис. 105 показана упрощенная схема LC-автогенератора синусоидальных колебаний с индуктивной обратной связью. Она состоит из транзистора типа n-p-n, колебательного контура L

RC-автогенератор с двойным Т-образным мостом
Рассмотрим схему RC-автогенератора с двойным Т-образным мостом(рис. 106). На очень низких частотах, при w ® 0 коэффициент обратной связи b ® 1, так как сопротивления конденсаторов ста

Обозначения и таблицы истинности логических элементов
Операция “НЕ” или логическая операция отрицания означает, что при этой операции логическая функция Y противоположна аргументу X. Аналитически это может быть записано как

Интегральных микросхем
Для оценки качества логических интегральных микросхем используются их основные параметры и характеристики. К основным параметрам относятся: 1. Быстродействие - время реакции на из

RS-триггер
Асинхронные RS-триггеры являются простейшими и получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике. В частности, они служат основой триггеров других типов и легко могут быть построены

Цифровые счетчики импульсов
Цифровые счетчики импульсов (ЦСИ) - это устройства, реализующие счет числа входных импульсов и фиксирующие это число в каком-либо коде. Обычно счетчики строят на основе триггеров (ч

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, предназначенное для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. На рис. 114 представлена схема простейшего ЦАП. ЦАП представляет

Микропроцессор и микроЭВМ
Процессор – устройство, предназначенное для обработки информации по заданной программе. Микропроцессор – процессор, выполненный по интегральной технологии на одной или нескольких интегральных микро

Особенностью электронных усилителей является их высокая чувствительность: они способны усиливать сигналы весьма малой мощности. Поэтому применение электронных усилителей особенно целесообразно в тех случаях, когда мощность на выходе чувствительных элементов или датчиков чрезвычайно мала (порядка нескольких микроватт).

В системах автоматического регулирования находят применение электронные усилители постоянного и переменного тока, однокаскадные и многокаскадные. Схема простого электронного усилителя постоянного тока приведена в табл. V.1 (схема 1). Определим коэффициент его усиления, имея в виду, что напряжение на аноде

Если - анодный ток, а напряжение равно напряжению на сетке то коэффициент усиления по напряжению в рассматриваемом случае будет

где - динамическая крутизна характеристики лампы.

Введем понятие статической крутизны тогда формулу (V. 1) можно переписать в виде

где - внутреннее сопротивление лампы.

(кликните для просмотра скана)

Из формулы (V.2) видно, что коэффициент усиления по напряжению тем больше, чем больше крутизна характеристики 50 и чем больше сопротивление . Итак, коэффициент усиления однокаскадного усилителя зависит от типа лампы и может изменяться в пределах от 10 до 80.

Другие схемы однокаскадных усилителей постоянного тока приведены в табл. V.1 под номерами 2, 3. Усилители этого типа отличаются высоким быстродействием и практически считаются безынерционными.

Принципиальные схемы наиболее распространенных усилителей переменного тока также приведены в табл. V.1 (схемы 4, 5). В системах автоматического регулирования используют в основном усилители переменного тока, так как они не имеют дрейфа нуля и обеспечивают создание простых схем во всех тех случаях, когда требуется иметь фазочувствительный усилитель.

Электронные усилители можно соединять последовательно. Коэффициент усиления такого многокаскадного усилителя определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Электронные усилители обладают большой чувствительностью, которую принято характеризовать коэффициентом чувствительности. Коэффициент чувствительности представляет собой отношение мощности в милливаттах, отдаваемой лампой в нагрузку, к квадрату напряжения на входе в вольтах. Эта величина для обычных усилительных ламп колеблется от 2 до 5.

Недостатком электронных усилителей является их малая выходная мощность, невысокая надежность, чувствительность к вибрациям и относительно большая мощность потребления.

Тиратронные усилители (схема 6 в табл. V. 1). В электронных усилителях максимальная выходная мощность не превышает 100 Вт, поэтому для получения значительных выходных мощностей применяют тиратронные усилители.

Тиратронами принято называть трехэлектродные газонаполненные электронные лампы. Колбы этих ламп заполняются инертным газом (неоном, аргоном), либо парами ртути. Вследствие этого процессы, происходящие в тиратроне, существенно отличаются от процессов, происходящих в обычных электронных лампах. Здесь за счет ионизации молекул газа, происходящей в результате их столкновения с быстро движущимися под действием потенциала анода электронами, ток тиратрона может достигать нескольких ампер. Это позволяет использовать тиратроны для управления мощными процессами. Коэффициент усиления по мощности тиратрона составляет величину порядка , т. е. при входной мощности около выходная мощность тиратрона может быть порядка 2-3 кВт и более.

Процесс ионизации газа требует определенного времени, поэтому тиратроны являются инерционными приборами. Время зажигания тиратрона составляет 10-в с, а время гашения с. Практически инерционность тиратронов проявляется при работе на высоких частотах. При питании тиратронов токами обычной частоты их можно рассматривать как безынерционные приборы.

Выходной ток тиратронов можно регулировать в больших пределах путем изменения амплитуды, фазы или смещения сеточного напряжения. Кроме того, тиратрон одновременно является и выпрямителем переменного тока в постоянный, а его выходная мощность достигает и более, что в несколько раз превышает выходную мощность электронных приборов вакуумного типа. Все эти преимущества тиратронов обусловили их широкое применение в устройствах автоматического управления электроприводами, а также в системах автоматического регулирования.

Полупроводниковые усилители. Малые габаритные размеры полупроводниковых усилителей, незначительная мощность потребления и высокая надежность привели к замене ламповых усилителей полупроводниковыми. В системах автоматического регулирования используют полупроводниковые усилители, работающие на постоянном и переменном токе. Усилитель напряжения с общим эмиттером показан в табл. V.1 (схема 7). Эта схема

характеризуется высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом усиления по мощности.

Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы определяется по формуле

где - сопротивление нагрузки; - сопротивление генератора; - входное сопротивление усилителя.

На схеме 8 табл. V.1 показан двухтактный транзисторный усилитель мощности, обеспечивающий хорошее согласование и большой коэффициент усиления.

Для согласования полупроводниковых усилителей с низкоомной нагрузкой применяют схемы с общим коллектором (эмиттерные повторители). Схема эмиттерного повторителя приведена в табл. V.1 (схема 9). Эта схема характеризуется повышенным значением входного сопротивления, пониженным значением выходного сопротивления и совпадением фаз входного и выходного сигналов.

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя с нагрузкой может быть найден по формуле

Как видно из формулы (V.4), коэффициент близок к единице. Схема эмиттерного повторителя применяется в корректирующих устройствах и выполняет в них роль разделительного усилителя.

В тех случаях, когда в системе автоматического регулирования требуется двухкаскадный усилитель, можно воспользоваться схемой 10 из табл. V.I. Для этой схемы нетрудно определить значение входных сопротивлений первого и второго каскадов:

При где имеем

Так как в рассматриваемой схеме то

На практике для схемы 10 можно получать значения изменяющиеся в пределах от 20 до 300 при дрейфе выходного напряжения, меньшем 0,2 В. При большом числе каскадов предусматривают специальные меры для снижения дрейфа усилителя и ликвидации температурной нестабильности транзисторов.

В последнее время широкое применение нашли усилители переменного тока на транзисторах. В качестве каскадов предварительного усиления применяют схемы 12-14. Схема 12 имеет делитель напряжения в цепи базы при одном источнике питания. Однако требования к стабильности источника питания в этой схеме достаточно высокие. Схему 13 используют при пониженных требованиях к стабильности источника питания. Работа этой схемы обеспечивается за счет введения в усилительный каскад отрицательной обратной связи. Схему 14 применяют при наличии двух источников питания и нежелательности включения конденсаторов в цепи эмиттеров. Оконечные каскады усиления обычно выполняют по двухтактной схеме (схема 9 в табл. V.1). Транзисторы работают в режимах классов А и Схема фазо-чувствитрльного каскада на транзисторе показана в табл. V.1 (схема 11).

Лекция №

Устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов с помощью электронных приборов, называются электронными усилителями.

Основным классификационным признаком является диапазон частот

сигналов.

По этому признаку различают следующие типы усилителей:

1. УНЧ – частотный спектр от десятков герц до десятков килогерц.

2. УПТ - (усилители медленно меняющихся сигналов). Частотный диапазон от до кГц. Усиливают как постоянную составляющую, так и переменную составляющую.

3. Избирательные (селективные) усилители – усиливающие сигнал в очень полосе частот. Это резонансные или узко частотные усилители.

4. Широкополосные (импульсные) усилители, усиливающие широкую полосу частот (от нескольких килогерц и ниже до нескольких мегагерц и выше). Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи (радиолокации и телевидения). Часто эти усилители называются видеоусилителями.

Основные технические показатели усилителей

Важнейшим техническими показателями усилителей является:

1.Коэфициенты усиления (по напряжению, току и мощности).

2. Входное и выходное сопротивление.

3. Входная мощность.

4. Коэффициент полезного действия.

5. Номинальное входное напряжение (чувствительность).

6. Диапазон усиливающих частот.

7. Динамический диапазон амплитуд.

8. Уровень собственных помех.

9. Показатели, характеризующие уровень: - нелинейных, частотных, фазовых искажений усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления

Коэффициентами усиления по напряжению называется величина, показывающая во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше чем на входе:

Для многокаскадных усилителей отсутствует коэффициент усиления, равен произведению коэффициентов отдельных каскадных.

К2

К3

К1

R4

= * * или =

Здесь - безразмерная величина, причём довольно большая. В электронике получил распространение способ записи в логарифмических единицах - децибелах

Обратный переход: =

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя в логарифмических единицах:

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по мощности:

;

Входное и выходное сопротивление

Усилитель можно рассматривать как четырёхполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным сопротивление нагрузки.

Входное сопротивление усилителя – это сопротивление между входными зажимами усилителя:

Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя, при отключенном сопротивлении нагрузки .

Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении.

При активном сопротивлении нагрузки:
где - действующее - амплитудное значение выходного напряжения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

где - мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания

Номинальное входное напряжение (чувствительность)

Это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающая заданную мощность, тем выше чувствительность усилителя.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя).

Называется область частот, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется не более, чем в раз.

Уровень собственных помех.

Собственные помехи делятся:

1. Тепловые шумы
2. Шумы усилительных элементов
3. Шумы из-за пульсаций напряжения питания и наводок, со стороны внешних и магнитных полей.

1. Тепловой шум вызван случайным явлением электронов в веществе под влиянием тепловой энергии, получаемой от окружающей среды.

Действующее значение теплового шума:

где - постоянная Больцмана

- температура в К

R – величина сопротивления

Мощность теплового шума, имеет равномерную частотную характеристику. Такой шум называют белым (шум Джонсона).

Напряжение шумов, также может возникнуть из-за неравномерности движения носителей электрических зарядов через усилитель. Это изменение вызывает шумовой ток. Это - дробовой шум.

Действующее значение шумового тока:

кг – заряд электрона

Среднее значение постоянного тока

Полоса пропускания усилителя

Это также белый шум- т.е. частотнонезависимый.

Фликкер шум – вызван изменением скоростей электронов, обусловленных дефектами полупроводникового элемента. Этот шум называют также шумом, т.е. он увеличивается с уменьшением частоты.

Помехи, из-за пульсации напряжения питания, а также наводки со стороны внешних и магнитных полей.

Для уменьшения этих помех используют:

1. Дополнительные сглаживающие фильтры на выходе источников питания
2. Тщательную экранировку наиболее ответственных цепей усилителя (в основном входных)

Динамический диапазон амплитуд –это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя.

Графическая зависимость усилителя, на некоторой не изменой частоте называется амплитудной характеристикой.

где - определяется уровнем собственных шумов усилителя.

При - расходится с идеальной (прямая линия), обусловленная перегрузкой усилителя со стороны элементов входа.

Реальный усилитель усиливает без заметных искажений напряжения в диапазоне:

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют динамическим диапазоном амплитуд. Его обычно выражают в децибелах:

Искажения в усилителях

Нелинейные искажения - изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которою эти колебания проходят.

Основная причина – нелинейность характеристик усилительных элементов.

Появление нелинейных искажений сигнала из-за нелинейности входной характеристики транзистора.

В результате нелинейности характеристики транзистора, форма входного тока отличается от синусоидальной. Это приводит к искажению формы выходного тока и выходного напряжения.

В результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений(коэффициент гармоник).

- мощности гармоник

Р 1 - мощность первой (основной) гармоники.

При

где - действующие (амплитудные) значения соответствующих гармоник входного напряжения.

обычно выражают в процентах.

Общая величина нелинейных искажений на выходе усилителя, созданных отдельными его каскадами, определяется по формуле:

Частотные искажения – искажения обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.

Причина – наличие в схеме усилителя реактивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных ёмкостей, ёмкости монтажа и т.д.).

Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно - частотной характеристике – зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.

Степень искажений на отдельных частотах выражают коэффициентом частотных искажений: М

где коэффициенты усиления на средней частоте

Коэффициент усиления на данной частоте

Обычно определяют коэффициенты искажения на границах диапазона:

где коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона

Из определения М следует:

если М>1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал;

2.1.1 Структура электронного усилителя

Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы . Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения.

Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания . Следовательно, усилитель представляет собой устройство , которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала .

Обобщенная схема включения усилителя приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема включения электронного усилителя

Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов, поступающих на вход усилителя, достаточно широк. Например, напряжение, поступающее на вход усилителя от передающей телевизионной трубки, составляет всего 2 … 5 мВ при малой мощности. От микрофона на вход усилителя может поступать напряжение, не превышающее десятых – сотых долей милливольта. Однако такие источники, как предшествующий усилитель, могут создавать напряжение, достигающее десятков – сотен вольт при мощности сигнала в единицы ватт.

Выходной электрический сигнал усилителя поступает на устройство, называемое нагрузкой . В качестве нагрузки электронного усилителя могут использоваться различные преобразователи электрической энергии в электрическую или неэлектрическую: телефон, громкоговоритель, гальванометр, реле, последующий усилитель, электродвигатель, осветительные или нагревательные приборы и т. д. Значения потребляемой мощности для различных видов нагрузки лежат в широких пределах. Например, мощность, потребляемая телефоном, составляет сотые доли ватт. В то же время мощность, потребляемая городской сетью проводного вещания, достигает сотен киловатт.

Электронный усилитель может быть однокаскадным, двухкаскадным или многокаскадным. В общем случае усилитель состоит из нескольких каскадов, к первому из которых подключают источник сигнала, а к выходу последнего – нагрузку. Необходимость в использовании нескольких каскадов обусловлена, в первую очередь, тем, что сигнал, передаваемый от источника к нагрузке предварительно необходимо усилить в тысячи – десятки тысяч и более раз. При использовании в усилителе в качестве активного элемента, например, биполярного транзистора с коэффициентом передачи тока базы 50 … 100, задача может быть решена только в том случае, если последовательно включить несколько каскадов усиления. Кроме этого часто возникает необходимость согласовывать выходное сопротивление источника сигнала со входным сопротивлением усилителя, либо выходное сопротивление усилителя с сопротивлением нагрузки.

Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рисунке 2.2.

В состав усилителя входят следующие элементы:

- оконечный усилительный каскад (ОК), предназначенный для усиления мощности сигнала и выделения ее в нагрузке (Н);

- предоконечный каскад (ПОК),предназначенный для управления транзисторами оконечного каскада. При большой величине мощности оконечного каскада ПОК должен обеспечивать мощность, достаточную для получения требуемой неискаженной выходной мощности усилителя. Если оконечный каскад является двухтактным, то предоконечный каскад выполняет одновременно инверсию фазы напряжения сигнала;

- каскады предварительного усиления (ПрК) (их количество определяется с учетом обеспечения требуемого коэффициента усиления напряжения), служащие для увеличения уровня сигналов, получаемых от источника (ИС), до величины, необходимой для управления транзисторами предоконечного каскада;

- выходное устройство (ВыхУ), служащее для согласования сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением оконечного каскада, симметрирования выходной цепи, а также для изоляции цепи нагрузки от постоянных напряжений и токов, действующих в цепях усилителя;

- входное устройство (ВхУ), служащее для согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением первого каскада усилителя, симметрирования входной цепи усилителя, а также для изоляции цепи источника сигналов от постоянных напряжений и токов, действующих во входных цепях усилителя;

Цепь общей отрицательной обратной связи (ООС), служащей для снижения искажений и шумов, стабилизации усиления, а также для стабилизации исходных режимов транзисторов (для указанных целей могут быть использованы разделенные цепи ООС по переменному и постоянному току). Цепи ООС могут охватывать или не охватывать выходное устройство, а также охватывать все или частъ каскадов предварительного усиления;

- устройство безынерционной защиты (УБЗ) – для защиты транзисторов оконечного каскада усилителя от перегрузки;

- источник питания и фильтры (ФП)в цепях питания каскадов предварительного усиления.

Рисунок 2.2 – Обобщенная структурная схема усилителя

Однако в каждом частном случае структурная схема усилителя может содержать не все элементы, показанные на рисунке 2.2. Так, в случае использования однотактного оконечного каскада небольшой мощности предоконечный каскад не отличается от обычного каскада предварительного усиления и потому не должен рассматриваться как особый элемент структурной схемы. Кроме того, могут отсутствовать устройства безынерционной защиты или другие элементы, показанные на рисунке 2.2.

2.1.2 Классификация усилителей

Электронные усилители находят применение в самых различных областях науки, техники и производства. Являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью более сложных устройств и систем, усилители нашли широкое применение в радиовещании, звуковом кино, технике звукозаписи, телевидении, радиолокации и радионавигации, ядерной физике, медицине и биологии, вычислительной технике, в системах автоматики, в измерительной технике и т. д. Несмотря на такой широкий спектр областей приложения, усилители, предназначенные для совершенно различных целей, могут обладать идентичными свойствами. Поэтому классификация усилителей по назначению, как правило, не применяется, так как дает мало сведений для суждения о свойствах и особенностях таких устройств.

Обычно при классификации усилителей учитывают:

Характер (форму) входного сигнала;

Диапазон усиливаемых частот;

Функциональное назначение;

Тип усилительных элементов.

По форме усиливаемых сигналов различают усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т. д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По диапазону частот усилители делят на усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока . Усилителями постоянного тока называются такие усилители, которые усиливают колебания с частотами, начиная с f н = 0 до некоторой (обычно не очень высокой) частоты f в , то есть способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала (рисунок 2.3, а . Буквой K на рисунке 2.3 обозначен коэффициент усиления усилителя). Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока . Они усиливают колебания в диапазоне частот от нижней граничной частоты f н до верхней граничной частоты f в . За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания , усиление падает ниже допустимого уровня (рисунок 2.3, б , в ).

Среди усилителей переменного тока выделяют:

- усилители звуковой частоты , рабочий диапазон которых находится в пределах 20 Гц... 20 кГц, причем f н << f в (рисунок 2.3, б );

- усилители радиочастоты , у которых отношение f в / f н близко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых (рисунок 2.3, в ). Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах. В выходные цепи каскадов здесь включаются колебательные контуры, резонансная частота которых f p » (f н + f в ) / 2. Поэтому они называются также резонансными усилителями . Их полоса пропускания Df = f в – f н << f р . Остальные усилители, в отличие от резонансных, иногда называют апериодическими ;

- широкополосные усилители (ШУ), у которых f в > 100 кГц, a f н – десятки герц. К ним относятся усилители видеотракта в телевизионной технике, видеоусилители радиолокационных приемников и т. д.

Рисунок 2.3 – Положение полосы пропускания на оси частот

для разных классов усилителей

По функциональному назначению усилители условно делят на усилители напряжения , усилители тока и усилители мощности . Такое деление в значительной степени является условным. Как отмечалось ранее, усиление мощности может быть достигнуто за счет усиления напряжения, за счет усиления тока, либо за счет усиления и напряжения и тока. Однако принято считать, если главным назначением усилителя является повышение напряжения до необходимого уровня, то он называется усилителем напряжения . Аналогично определяются усилители тока . Усилителями мощности обычно называют выходные каскады многокаскадного усилителя, способные отдавать во внешнюю нагрузку требуемую мощность.

По типу усилительных элементов различают транзисторные , ламповые , диэлектрические , магнитные усилители и усилители на интегральных микросхема х .

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейные, сетевые и т. д.), по числу каскадов , по конструктивному исполнению (переносные, стационарные) и т. д.

2.1.3 Основные параметры и характеристики усилителей

Сумму сведений, характеризующих основные свойства технического устройства, называют его показателями . Технические показатели электронного устройства характеризуют усиление, искажения, точность преобразования, уровни сигналов на входе и выходе и т. д. и позволяют оценить степень пригодности устройства для того или иного применения.

Рассмотрим основные технические показатели электронных усилителей. Их можно разделить на две отдельные группы – параметры и характеристики.

К основным параметрам усилителя относятся: входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, допустимый уровень линейных и нелинейных искажений, уровень собственных шумов, коэффициент полезного действия, динамический диапазон изменения входного сигнала.

Рассмотрим перечисленные параметры более подробно.

2.1.3.1 Входное и выходное сопротивления . Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой. В общем случае значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты .

Усилитель может быть представлен эквивалентной схемой, изображенной на рисунке 2.4. Как видно из рисунка, такая схема является четырехполюсником – то есть электрической системой с четырьмя внешними зажимами.

Рисунок 2.4 – Представление усилителя в виде четырехполюсника

Входное сопротивление усилителя представляет собой внутреннее сопротивление между его входными зажимами . В большинстве случаев оно определяется параллельным соединением резистивного (активного) сопротивления R вх и емкости С вх . Входное сопротивление усилителя может быть представлено в виде отношения комплексных амплитуд напряжения между входными зажимами усилителя и тока , протекающего в его входной цепи:

. (2.1)

Величину входного сопротивления выбирают либо в зависимости от характера сопротивления источника сигнала, либо в зависимости от вида согласования усилительного устройства с источником сигнала – по току, по напряжению или по мощности. Обычно желательно обеспечить большое сопротивление R вх и малую емкость С вх . В некоторых измерительных усилителях иногда требуется, чтобы R вх ® 0.

Значения коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности зависят от соотношения между и . Если нужно получить максимальный коэффициент усиления по напряжению, то должно выполняться условие . Для получения максимального коэффициента усиления по току необходимо, чтобы , а для максимального усиления мощности нужно выполнить равенство .

Выходное сопротивление усилителя – это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами . По отношению к нагрузке усилитель является источником сигнала , внутреннее сопротивление которого равно

где – комплексная амплитуда выходного напряжения в режиме холостого хода (при R Н ® ¥);

– комплексная амплитуда выходного тока при коротком замыкании в нагрузке (R Н = 0).

При выборе значения выходного сопротивления усилителя в каждом конкретном случае, как и при выборе входного сопротивления, подходят индивидуально. В общем случае можно использовать те же рекомендации, что и при выборе входного сопротивления, а именно:

Если нужно получить максимальный коэффициент усиления по напряжению, то необходимо выполнить условие

Для получения максимального коэффициента усиления по току необходимо, чтобы

Для максимального усиления мощности нужно выполнить равенство

2.1.3.2 Коэффициент усиления . Коэффициент усиления является одним из наиболее важных параметров усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины, различают коэффициенты усиления напряжения K U , тока K I и мощности K P .

Коэффициент усиления напряжения (передачи напряжения) усилителя – это отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений :

. (2.3)

Коэффициент усиления определяют в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

Коэффициентом усиления тока называется отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного токов :

. (2.4)

Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности сигнала, подаваемого на вход усилителя, называется коэффициентом усиления мощности :

. (2.5)

При последовательном соединении нескольких усилительных каскадов общий коэффициент усиления системы определяется как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:

. (2.6)

На практике коэффициенты усиления часто выражают логарифмическими единицами – децибелами . Коэффициент усиления мощности можно представить следующим образом

. (2.7)

Если мощности Р Н и Р вх выделяются на одинаковых сопротивлениях (R Н = R вх = R ), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений

Аналогично можно записать и для коэффициента усиления тока

Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением, то есть

. (2.10)

При наличии в каскадах усилителя реактивных элементов (индуктивностей, разделительных и блокировочных конденсаторов, емкостей р -п -переходов транзисторов и пр.) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину, зависящую от частоты

, (2.11)

где K (w) – модуль комплексного коэффициента усиления;

j(w) – аргумент комплексного коэффициента усиления, представляющий собой разность фаз выходного и входного сигналов.

2.1.3.3 Линейные искажения . Предположим, что коэффициент усиления K (w) не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в K раз и по фазе на угол j.

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как K – комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель будут изменяться по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель , обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала , называются линейными искажениями .

В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления K в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме) и фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики , а фазовые – с помощью фазочастотной характеристики .

2.1.3.4 Нелинейные искажения . Как известно из теоретических основ электротехники, если электрическая цепь содержит хоть один нелинейный элемент, то такая цепь называется нелинейной. В состав усилителей входят элементы (приборы), имеющие нелинейные ВАХ – транзисторы, диоды, магнитопроводы, полупроводниковые конденсаторы микросхем и др. Поэтому, если не обеспечить функционирование названных приборов в пределах линейных участков ВАХ, то коэффициент усиления усилителя будет зависеть от амплитуды входного сигнала, что, в свою очередь, будет вызывать нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Таким образом, под нелинейными искажениями понимают изменения формы усиливаемого колебания, вызванные зависимостью коэффициента усиления усилителя от амплитуды входного сигнала .

При прохождении сигнала через нелинейное устройство (усилитель) происходит изменение его спектрального состава – появляются высшие гармоники в его спектре. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. Нелинейные искажения сигнала в усилителях принято оценивать с помощью коэффициента гармоник .

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники :

. (2.12)

Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения гармоник, причем вместо напряжений можно оперировать токами или мощностями

. (2.13)

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

В различных по назначению усилителях предъявляют разные требования к величине коэффициента гармоник, который, как правило, выражают в процентах. Так, например, для вещательной аппаратуры с высоким качеством воспроизведения речи и музыки он не должен превышать 1 … 2%, для устройств среднего качества – 5 … 7%. В усилителях звуковых частот класса Hi-Fi обычно обеспечивают K г = 0,3 … 0,5%. Как показывает практика, если коэффициент гармоник не превышает 0,2 … 0,5 %, то нелинейные искажения на слух практически незаметны.

2.1.3.5 Коэффициент полезного действия . Коэффициент полезного действия (КПД) h усилителя характеризует экономичность расходования энергии источника питания . Обычно он измеряется при усилении гармонического колебания частоты 1 кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным . Он представляет собой отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания :

Разность Р S – Р Н = Р пот является мощностью потерь в усилителе.

Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь в нем, которая превращается в тепло. Например, для предотвращения перегрева оконечных транзисторов их приходится снабжать радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Таким образом, КПД усилителя косвенно характеризует также его удельные размеры и массу (на единицу выходной мощности).

2.1.3.6 Собственные помехи . Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, подведенный к его входу, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него ипоэтому называемые собственными помехами . Основными из них являются фон , наводки и шумы , а в усилителях постоянного тока – еще и дрейф нуля .

Фон – это колебание с частотой питающей сети или кратной ей . Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя источника напряжения (при питании от сети переменного тока). В ламповых усилителях дополнительным источником фона являются цепи накала катодов, если они питаются переменным током.

Наводками называются помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями . Источниками этих помех могут быть сетевой трансформатор блока питания, его соединительные провода , провода электросети или какие-либо электроустановки .

Для количественной оценки фона и наводок используют отношение их напряжения на выходе усилителя к выходному гармоническому напряжению, соответствующему номинальной выходной мощности. Для качественных усилителей напряжение фона не должно превышать – 60 ... – 70 дБ.

Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда (электронов и дырок) во всех электропроводящих материалах, из которых выполнены детали усилителя .

Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок, полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно.

Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока . Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа , пересчитанным ко входу. Так же оценивают иногда и уровень фона.

2.1.3.7 Амплитудно- и фазочастотная характеристики . Как показано ранее, в общем случае коэффициент усиления усилителя является комплексной величиной. Поэтому для коэффициента усиления напряжения можно записать:

Как видно из приведенной формулы, модуль и аргумент комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя являются функциями частоты.

Зависимость модуля комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты (K (w)) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя . Типовая АЧХ усилителя звуковых частот изображена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Типовая амплитудно-частотная характеристика усилителя

Для АЧХ усилителя типичным является наличие так называемой области средних частот,в пределах которой K U почти не зависит от частоты и принимает свое максимальное значение K U 0 . Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления .

В области нижних и верхних частот АЧХ обычно спадает (коэффициент усиления напряжения уменьшается). Частоты, на которых модуль комплексного коэффициента усиления напряжения уменьшается относительно своего максимального значения в раз (на рисунке 2.5 этот уровень показан как 0,707K U 0), называются граничными частотами усилителя (или частотами среза АЧХ): f н (w н )и f в (w в ) – соответственно нижняя и верхняя граничные частоты. Диапазон частот от w н до w в называется полосой пропускания усилителя : .

По АЧХ усилителя можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот. Характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений , определяемый из отношения

где K Uf – коэффициент усиления по напряжению на заданной частоте.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах полосы пропускания, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах. Обычно принимают M н = M в = , то есть на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30 … 20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300 … 3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать широкополосные усилители, полоса пропускания которых занимает диапазон частот от единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Зависимость аргумента комплексного коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты j(w) называется его фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Типовая ФЧХ усилительного каскада показана на рисунке 2.6 сплошной линией.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения . Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (штрихпунктирная линия на рисунке 2.6), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал Dt. Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

Рисунок 2.6 – Фазочастотная характеристика усилителя

Из рисунка 2.6 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот. Вчастности, в усилителе звуковых частот на граничных частотах угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами по сравнению с этим параметром в середине полосы пропускания составляет .

В многокаскадном усилителе коэффициент частотных искажений определяется как произведение соответствующих коэффициентов всех каскадов

, (2.18)

а фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями – как алгебраическая сумма фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами

2.1.3.8 Переходная характеристика . Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения и вых (t) усилителя от времени при подаче на его вход скачкообразного перепада напряжения и вх (t) . Переходная характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного стационарного состояния в другое, когда входное воздействие скачком изменилось на некоторую величину, условно принимаемую за единицу.

Переходную характеристику h (t )подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рисунок 2.7), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения в каждый момент времени t к его значению в установившемся режиме: h (t ) = u вых (t )/U вых 0 . На практике ПХ, в основном, используют для оценки искажений импульсных сигналов при прохождении ими через усилитель.

Искажения скачкообразного (импульсного) напряжения делят на два вида: искажения связанные с нарастанием напряжения, и искажения его вершины. Первые оценивают временем нарастания (установления) t нар и выбросом d, вторые – спадом вершины D или ее непостоянством. Временем нарастания называется время, в течение которого фронт нормированной ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9.

Рисунок 2.7 – Переходная характеристика усилителя

Выбросом называется максимальное превышение мгновенного значения напряжения над установившимся значением. Выброс выражают в процентах от установившегося значения напряжения. При колебательном характере процесса может иметь место несколько заметных выбросов в переходной характеристике. Оценке подлежит обычно наибольший из них.

Спад верхней части нормированной ПХ также измеряется в процентах от установившегося значения выходного напряжения. Он может быть положительным и отрицательным (подъем).

В усилителях для высококачественного воспроизведения импульсных сигналов выброс d и спад D обычно не должны превосходить 10%.

Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным методом .

2.1.3.9 Амплитудная характеристика усилителя . Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость установившегося значения выходного напряжения от напряжения, подаваемого на вход усилителя . Типовая АХ усилителя показана на рисунке 2.8. Снимают амплитудные характеристики усилителей при синусоидальном входном сигнале для одной из частот, лежащих в полосе пропускания усилителя.

Рисунок 2.8 – Амплитудная характеристика усилителя

Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления K U . Поэтому в идеальном случае амплитудная характеристика представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат, тангенс угла наклона которой определяет коэффициент усиления K U 0 . Однако в действительности АХ совпадает с прямой только в средней части 2, на участке АВ. Начальный участок 1 АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных помех U Ш . Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя (переход усилительного элемента каскада в режим насыщения), чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания.

Как видно из рисунка 2.8, при изменении входного напряжения в пределах от U вх 1 до U вх 2 усилитель можно считать линейным устройством, для которого существует линейная зависимость между приростами входного и выходного напряжений. Таким образом, АХ дает возможность определить пределы изменения U вх , для которых усилитель с необходимой точностью можно рассматривать как линейное устройство.

В общем случае уровень сигнала, подаваемого на вход усилителя, не является величиной постоянной. Он может изменяться от некоторой минимальной величины U г мин до максимальной U г макс . Отношение

называется динамическим диапазоном сигнала .

Часто динамический диапазон сигнала выражают в логарифмических единицах:

. (2.21)

Динамический диапазон сигналов может изменяться в широких пределах. Так, например, динамический диапазон звучания симфонического оркестра составляет 70 … 80 дБ, речи диктора – 25 … 35 дБ и т. д. Чтобы в усилителе не происходило нелинейных искажений входного сигнала (то есть сохранялся его динамический диапазон), необходимо соблюдение условия , где

представляет собой динамический диапазон усилителя . В (2.22) в качестве U вх 1 и U вх 2 выступают соответствующие минимальное и максимальное входные напряжения, полученные из амплитудной характеристики усилителя (рисунок 2.8).

Сигнал, подаваемый на вход усилителя, может быть выделен среди собственных помех усилителя, если его уровень превышает уровень помех. Наиболее существенной шумовой составляющей, которая не может быть полностью скомпенсирована, является тепловой шум сопротивления, вызываемый флуктуационным движением электронов в объеме проводника. Наиболее существенное влияние оказывает шум входного сопротивления усилителя, шумовое напряжение которого U ш в микровольтах может быть вычислено по формуле

, (2.23)

где R вх – входное сопротивление первого каскада, кОм;

Df = f в – f н – полоса пропускания усилителя, кГц.

Если принять U вх 1 = (10 … 20)U ш , то с достаточной для практики точностью можно полагать, что при этом в нижней части АХ начинается линейный участок.