Основные параметры и характеристики усилителей

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала за счет потребления энергии от источника питания. Электронный усилитель можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий пару входных зажимов, к которым подключается источник входного сигнала E_г, и пару выходных зажимов для подключения нагрузки R_н (рис.1.1). Обязательным узлом усилителя является источник питания ИП. Усилитель преобразует мощность, потребляемую от источника питания, в мощность выходного сигнала, а источник входного сигнала управляет процессом преобразования.

Рис.1.1. Структурная схема усилителя

Электронные усилители обычно состоят из двух или трех каскадов, соединенных так, что выход одного каскада соединяется с входом следующего каскада. Каскадом называется элементарная ячейка усилителя, обладающая усилительными свойствами, дальнейшее расчленение которой на более простые части приводит к потере усилительных свойств этими частями.

Основными параметрами усилителей являются:

- входные и выходные данные, к которым относятся: номинальное входное напряжение U_вх, входной ток I_вх, входная мощность P_вх = U_вхI_вх; номинальное выходное напряжение U_вых, выходной ток I_вых и выходная мощность P_вых = U_выхI_вых; входное R_вх и выходное R_вых сопротивления;

- коэффициенты усиления по напряжению K_U = U_вых/U_вх, току K_I = I_вых/I_вх и мощности K_P = P_вых/P_вх = K_UK_I;

- коэффициент полезного действия h = P_вых/P_п, где P_п – мощность, потребляемая от источника питания;

- динамический диапазон D = U_{вх.макс}/U_вх.мин, где U_{вх.макс} – максимально допустимое входное напряжение, превышение которого вызывает недопустимые нелинейные искажения сигнала; U_вх.мин – минимальное входное напряжение, ниже которого выходной сигнал невозможно различить на фоне собственных помех усилителя.

Для оценки прохождения через усилитель синусоидального сигнала используется комплексный коэффициент усиления. Так, комплексный коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение комплексных амплитуд выходного и входного напряжений:

где j - угол сдвига фазы между выходным и входным напряжением. Иногда комплексный коэффициент усиления обозначается через K_U(jw), где w - круговая частота входного сигнала.

При замене в последнем выражении jw на комплексную переменную p получается передаточная функция усилителя.

Основными характеристиками усилителя являются:

- амплитудно-частотная характеристики (АЧХ), представляющая собой зависимость модуля коэффициента усиления K_U = от частоты f или w = 2pf (рис.1.2);

- фазочастотная характеристика (ФЧХ), которая представляет собой зависимость угла сдвига по фазе j выходного сигнала относительно входного от частоты (см. рис. 1.2.);

- переходная функция, представляющая зависимость мгновенного значения выходного напряжения при подаче на вход усилителя скачка напряжения с амплитудой в единицу (рис. 1.3.);

- амплитудная характеристика U_вых = f(U_вх) (рис.1.4).

При построении АЧХ и ФЧХ частота часто откладывается в логарифмическом масштабе. Коэффициент усиления также часто выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ): K_U(дБ) = 20lg K_U.

Если эквивалентная схема усилителя представляет собой минимально-фазовую цепь, т.е. его передаточная функция не имеет нулей в правой полуплоскости, то существует однозначная связь между АЧХ и ФЧХ усилителя.

Рис.1.2. Частотные характеристики усилителя

Рис.1.3. Переходная Рис.1.4. Амплитудная

функция характеристика

Из кривых на рис.1.2. следует, что существует диапазон частот, называемый областью средних частот или полосой пропускания усилителя, в котором модуль коэффициента усиления мало зависит от частоты. В этом диапазоне частот фаза j приблизительно линейно зависит от частоты w. Вне области средних частот коэффициент усиления отклоняется от значения K_U0 в сторону уменьшения. Для количественной оценки протяженности области средних частот вводят граничные частоты (низшую w_н и высшую w_В), на которых модуль коэффициента усиления K_U уменьшается по сравнению со значением на средних частотах K_U0 соответственно в M_н и M_в раз (чаще всего M_н = M_в = . Числа M_н и M_в называются коэффициентами частотных искажений. Коэффициенты частотных искажений на любой произвольной частоте w определяются как M(w) = K_U0/K_U(w).

У усилителей постоянного тока АЧХ не имеет спада вплоть до нулевой частоты и у них w_н = 0.