Усилители. Классификация и основные характеристики усилителей

ГЛАВА 3. Усилители

3.1. Принцип действия электронного усилителя

Гипотетический активный элемент А, представляющий собой преобразователь входного напряжения u_вх в выходной ток i_вых включим в цепь по схеме на рис. 3.1,а.

Нагрузочное сопротивление R для входного тока выбираем таким, чтобы напряжение покоя (при u_вх = 0) на выходном электроде активного элемента равнялось половине напряжения источника питания:  

   ,

тогда

   ,

где U_и.п - напряжение источника питания, I_п - ток покоя.

При подаче на вход активного элемента напряжения (рис. 3.1, в)

его выходной ток будет изменяться по закону:

  .

Этот ток в сумме с током покоя создает на нагрузочном сопротивлении R падение напряжения, и напряжение на выходном электроде активного элемента равно (рис. 3.1,д):

u_A = U_ип – R (I_п + i_вых) = 10 В – 5 В – Ri_вых  = 5 В – (2,5 кОм 1 мА) sin wt =
= 5 В – (2,5 В)sin wt .

Конденсатор С с сопротивлением нагрузки R_н образуют фильтр верхних частот, задерживающий постоянное напряжение, и выходное напряжение равно:

u_вых  = – (2,5 В) sin wt.

Итак, при амплитуде входного напряжения U_вх = 10 мВ, амплитуда выходного напряжения равна U_вых = 2,5 В. Рассмотренная электрическая цепь (рис. 3.1,а) является усилителем напряжения с коэффициентом усиления напряжения

   .                                                 (3.1)

Знак минус здесь означает, что при усилении произошло инвертирование напряжения. Такой усилитель называют инвертирующим.

Усиление происходит за счет энергии источника питания, создающего напряжение, необходимое для протекания выходного тока активного элемента через нагрузочное сопротивление R в соответствии с законом Ома.

3.2. Классификация и основные характеристики усилителей

Усилитель осуществляет увеличение энергии усиливаемого сигнала за счет энергии источника питания. Входное напряжение в соответствии с передаточной вольт-амперной характеристикой активного элемента регулирует поступление энергии от источника питания к приемнику усиленного сигнала (рис. 3.2,а). Электронными называют усилители электрических сигналов с активными элементами на полупроводниковых или электровакуумных приборах.

От источника сигнала в усилитель поступает входная мощность Р_вх . Мощность, отдаваемая во внешнюю нагрузку, именуется выходной мощностью Р_вых .Коэффициент усиления мощности есть отношение этих величин:

   .                                                                              (3.2)

Обычно его измеряют в децибелах:

   .                                                              (3.3)

Если входной сигнал усилителя гармонический, то при усилении происходит изменение его амплитуды и фазы, поэтому коэффициент передачи напряжения

                                                              (3.4)

и коэффициент передачи тока

                                                                 (3.5)

представляют собой комплексные величины (здесь  - соответственно напряжение и ток на выходе и входе усилителя). Модули K_U, K_I называют коэффициентами усиления напряжения и тока.

Как и в случае пассивных линейных цепей, вместо комплексного коэффициента передачи обычно рассматривают две характеристики: амплитудно–частотную  (частотную), или зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, и фазово–частотную (фазовую), или зависимость фазового сдвига от частоты. Идеальным считается усилитель, у которого в полосе частот от нуля до бесконечности

 .

Такой усилитель не вносит искажений в усиливаемый сигнал.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания , в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала.

Кроме искажений, обусловленных неидеальностью частотных характеристик, называемых частотными, или линейными, усиление сопровождается нелинейными искажениями. Величина нелинейных искажений сильно зависит от амплитуды входного сигнала, так как, начиная с некоторого предельного значения U_вх  = U_пред, амплитудная характеристика усилителя (рис. 3.2,г) становится нелинейной. Форма поступающего на вход синусоидального  сигнала искажается и в спектре выходного сигнала появляются частотные составляющие, которых нет в спектре входного сигнала. Для количественной оценки такого рода искажений служит коэффициент гармоник, определяемый как

,                                                                          (3.7)

где U₁ и U_k амплитудные напряжения 1–й и k–й гармоник на выходе усилителя при синусоидальном сигнале на входе.

Усилитель неизбежно вносит в усиленный сигнал шумы, обусловленные дискретной структурой электрического тока, тепловым движением носителей заряда, а также случайными изменениями макроскопических параметров элементов.

Вследствие этого очень малые сигналы, поданные на вход усилителя, невозможно отличить на выходе от его собственных шумов. Минимальная величина сигнала на входе, которая превышает приведенные ко входу собственные шумы усилителя, является количественной характеристикой усилителя и носит название предельной чувствительности. Шумы, вносимые усилителем в полезный сигнал, могут быть оценены и при помощи другого числового показателя – коэффициента шума, определяемого как

   ,                                                                        (3.8)

где  Р_{с. вх}, Р_{ш. вх}, Р_{с. вых}, Р_{ш. вых}  -  соответственно мощности сигнала и шума на входе и выходе усилителя.

Коэффициент шума, выраженный в децибелах, называется шум-фактором F_ш.

F_ш = 10 lg К_ш     .                                                                            (3.9)

Наиболее опасны источники шумов и помех во входной цепи усилителя, так как они подвергаются наибольшему усилению и вносят поэтому весомый вклад в выходной сигнал. Для обеспечения качественного усиления входной сигнал должен удовлетворять следующим требованиям: превышать уровень приведенных ко входу собственных шумов усилителя и в то же время быть меньше некоторого уровня, определяемого допустимыми искажениями. Отношение максимального значения сигнала к минимальному при заданных критериях качества называется динамическим диапазоном усилителя.

Усилители могут быть классифицированы по различным признакам: назначению, типу активных элементов, полосе и т. п.

По типу применяемых активных элементов различают транзисторные, ламповые, комбинированные и другие усилители.

По амплитудно-частотной характеристике выделяют усилители постоянного тока, у которых нижняя частота полосы пропускания  равна нулю. В усилителях переменного тока  отделена от нуля конечным интервалом.