книги / Электронные усилители

Коэффициентом усиления по мощности Кр называется отноше­ ние мощности сигнала на выходе усилителя к мощности сигнала на его входе:

Так как в схеме усилителя имеются реактивные элементы, то выходное напряжение не совпадает по фазе с входным. Поэтому коэффициенты усиления по напряжению и по току являются комп­ лексными величинами:

када К показывает, во сколько раз увеличивается амплитуда сиг­ нала при прохождении через усилитель.

Показатель фазы ф определяет, насколько изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель.

Усиление сигнала происходит за счет энергии источника пита­ ния. Фазовые сдвиги возникают из-за наличия в усилителе реак­ тивных элементов — емкостей и индуктивностей.

Отсюда следует, что модули и фазы коэффициентов усиления по напряжению и по току имеют разные значения.

На средних частотах влияние реактивных элементов схемы усилителя незначительно и входное и выходное сопротивления можно считать активными, т. е. ZBX=/?BXи ZB> X= /?B,х

Поэтому коэффициенты усиления на этих частотах являются действительными величинами, что создает удобства для практиче­ ских целей:

литель, зависит от конкретного усилителя. Так, например, усили­ тели на полевых транзисторах удобнее характеризовать коэффи­ циентом усиления по напряжению, поскольку входное сопротивле­ ние полевых транзисторов очень большое (/?Вх->°°) и входной ток незначителен (/Вх=^вх//?вх ->0).

В усилителях на биполярных транзисторах входное сопротив­ ление небольшое и входной ток значительный. Эти усилители мож-

и

Логарифмическая единица названа в честь ученого Бела бе­ лом. Бел (Б) — это число, равное степени, в которую надо возвес­ ти 10, чтобы получить отношение величин. Например, для отноше­ ния мощностей

1 B = lg £

Но так как бел — слишком большая единица, то пользуются бо­ лее мелкой единицей — децибелом (1 дБ = 0,1 Б).

Таким образом, коэффициент усиления в децибелах

Крлв = 101g j^-= lOlgftp.

Учитывая, что отношение мощностей пропорционально квадра­ ту отношения напряжений и токов, а при логарифмировании сте­ пени показатель степени служит множителем при логарифме от­ ношения, получим

K u ,b = 2 0 \g - ^ = 2 0 \ g K u и

^ВХ

*/дб= 20 lg 4 ^ = 2 0 lgКг

1 вх

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя в логарифмических единицах равен сумме логарифмических коэф­ фициентов усиления отдельных каскадов:

К общ . д Б = К [ дБ К зд Б + •••

Коэффициент полезного действия усилителя является важным показателем экономичности усилителя. Различают два значения КПД: электрический КПД выходной цепи усилителя и полный КПД усилителя (промышленный).

Электрический КПД выходной цепи усилителя — это отноше­ ние номинальной ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ Р т а х к мощности, потреб­ ляемой выходной цепью усилителя от источника питания Р0:

Полный КПД усилителя определяется отношением номиналь­ ной выходной мощности Ртах к мощности, потребляемой всеми цепями усилителя от источника питания:

Характеристики усилителей. Искажения в усилителях. Усили­ тель предназначен для усиления сигналов без искажения их фор­ мы. Значит форма сигнала на выходе усилителя должна повто­ рять форму сигнала на его входе.

Покажем это, например, для сигнала одной частоты. Если на вход усилителя подается сигнал, представляющий собой одно гар­ моническое колебание синусоидальной формы, то при линейной характеристике усилительного элемента на выходе получается

усиленный сигнал той же формы, что и на входе (кривые / и 2 на рис. 1.2, б).

Но в большинстве случаев на вход усилителя подается слож­ ный сигнал — со многими гармоническими составляющими раз­ личных частот. Например, звуковой сигнал содержит колебания с частотами от 20 до 20000 Гц.

Для того чтобы форма сигнала на выходе усилителя повторяла форму сигнала на входе его, т. е. чтобы сигнал усиливался без ис­ кажения, необходимо усиливать каждое входящее в него колеба­ ние одинаково. Но в усилителе имеются реактивные элементы (ин­ дуктивности и емкости), сопротивление которых зависит от часто­ ты подведенного к ним колебания. Поэтому усиление составляю­ щих сигнала с различными частотами будет различным. В резуль­ тате форма сигнала на выходе будет отличаться от формы его на входе.

Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сиг­ нала называются искажениями.

Искажения выходного сигнала, вызываемые неодинаковым уси­ лением составляющих с различными частотами, называются час­ тотными искажениями.

Вусилителях колебаний звуковых частот искажения этого ви­ да вызывают изменение тембра звука, неразборчивость слов. На­ пример, если слабее усиливаются высокочастотные составляющие сигнала, то звук становится глухим, басящим. Если же меньше усиливаются низкочастотные составляющие, то звук оказывается резким, звенящим.

Вусилителях импульсных -сигналов ослабление верхних час­

тот вызывает уменьшение крутизны фронта и спада (среза) им­ пульса. При ослаблении нижних частот искажается плоскость вер­ шины импульса. При усилении сигналов изображения ослабление верхних частот приводит к ухудшению четкости изображения.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется за­ висимость модуля коэффициента усиления от частоты. Для прос­ тоты ее называют частотной характеристикой. Она представляет собой графическое изображение зависимости коэффициента уси­ ления от частоты входного сигнала. На оси ординат частотной ха­ рактеристики откладываются значения коэффициента усиления в линейном масштабе, а на оси абсцисс — значения частоты входно­ го сигнала в логарифмическом масштабе, так как диапазон частот входного сигнала часто оказывается очень широким.

На рис. 1.5, а прямой линией 1 показана идеальная частотная характеристика усилителя, не вносящего частотных искажений; кривой 2 — реальная характеристика усилителя, ослабляющего (срезающего) нижние и верхние частоты заданного диапазона.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффи­ циентом частотных искажений М, который является отношением

коэффициента усиления на средних частотах /Сср к коэффициенту усиления на заданной частоте К /:

Кср

М =

Рис. 1.5

В усилителях звуковых частот за среднюю частоту обычно принимают 400 Гц или 1 кГц.

Общий коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искаже­ ний отдельных каскадов:

Коэффициент частотных искажений может быть выражен так­ же и в логарифмических единицах:

Л4дБ=20 lg М.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент частот­ ных искажений в логарифмических единицах

Мобщ.дБ= М1дБ-гЛ42дБ + • • •

По амплитудно-частотной характеристике и допустимой вели­ чине частотных искажений определяют полосу пропускания усили­

на средних частотах до допустимого значения.

В области средних частот коэффициент частотных искажений

Л4=*1, на других частотах, на которых усиление меньше, чем на средних, М > \ (спад частотной характеристики). На участке подъ­ ема частотной характеристики M<Z 1.

Допустимая величина частотных искажений определяется наз­ начением усилителя. Так, например, в усилителях звуковых частот высшего класса М не должен превышать 2 дБ при частотах от 30 до 20000 Гц. В усилителях телефонии, где необходимо обеспечить

В измерительных усилителях допустимая величина частотных искажений определяется требованиями точности прибора.

Частотные искажения являются линейными искажениями, по­ скольку они создаются линейными элементами электрической це­ пи (L, С).

Фазовая характеристика усилителя. Зависимость угла сдвига по фазе между выходным и входным напряжением усилителя от частоты называется фазово-частотной (ФЧХ) или фазовой харак­ теристикой.

Фазовые сдвиги в усилителе возникают в результате наличия

внем реактивных элементов (индуктивностей, емкостей).

Видеальном усилителе все составляющие независимо от час­ тоты их сдвигаются на одно и то же время. При этом взаимное расположение синусоид различных частот не изменяется. Поэто­ му и форма выходного сигнала не изменяется. В этом случае фа­ зовая характеристика, выражающая прямую пропорциональную

зависимость угла фазового сдвига ср от частоты f, представ­ ляет собой прямую линию, как показано на рис. 1.5, б пунктиром.

В реальном усилителе значение угла сдвига по фазе зависит от частоты. И составляющие сигнала, имеющие разные частоты, оказываются сдвинутыми на разные углы. Это искажает форму сигнала на выходе.

Фазово-частотная характеристика реального усилителя на рис. 1.5, б показана сплошной кривой. При положительных значе­ ниях угла сдвига фаз <р выходной сигнал опережает входной, при отрицательных — выходной сигнал отстает от входного.

Искажения формы выходного сигнала, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих сигнала, называются фазовыми искажениями.

В усилителях сигналов звуковой частоты фазовые искажения не учитываются, так как на слух они практически не воспринима­ ются. В усилителях сигналов изображения их необходимо учиты­ вать, поскольку они вызывают искажения изображений.

Фазовые искажения являются также линейными искажениями. Переходная характеристика. В усилителях импульсных сигна­

лов форма выходного напряжения зависит от переходных процес­ сов установления токов и напряжений в цепях, содержащих реак­ тивные элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных усилителях переходными, удобно пользоваться пе­ реходной характеристикой.

Переходной характеристикой усилителя называют зависимость мгновенного значения напряжения или тока на его выходе от вре­ мени U BM=f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения или тока (единичной функции).

Наиболее часто на вход усилителя воздействует импульс пря­

на рис. 1.6) напряжение на выходе будет иметь искаженную фор­ му (2 на рис. 1.6).

Переходные искажения разделяют на искажения фронта им­ пульса и искажения плоской вершины импульса. Искажения фрон­ та характеризуются:

временем установления t у<: , т. е. временем нарастания им­ пульса от 0,1 Um до 0,9 Um ;

выбросом фронта импульса б, определяемым отношением нап­ ряжения выброса AU к напряжению в установившемся режиме U.

Искажения плоской вершины характеризуются величиной спа­ да напряжения за время длительности импульса ДUc.

Допустимая величина переходных искажений определяется назначением усилителя.

Переходная и частотная характеристики отражают одни н те же физические процессы в различной форме.

Нелинейные искажения. Искажения формы выходного сигнала, вызываемые нелинейностью характеристик усилительных элемен­ тов, а также характеристик намагничивания сердечников транс­ форматоров, называются нелинейными искажениями.

На рис. 1.7 показано искажение формы выходного сигнала из-за нелинейности характеристики транзистора. На этом рисун­ ке видно, что при подаче на вход тока синусоидальной формы на выходе получается ток несинусоидальной формы. Такой несину­ соидальный ток можно представить в виде суммы ряда синусои­ дальных токов более высоких частот, называемых гармониками. (Синус и косинус называются гармоническими функциями — от­ сюда и название «гармонические составляющие», или «гармони­ ки».)

Следовательно, в результате нелинейности характеристик на выходе усилителя появляются новые частоты, которых не было на его входе.

Чем больше нелинейность характеристики усилительного эле­ мента, тем сильнее искажается форма выходного сигнала и тем больше в нем амплитуды высших гармоник.

Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффици­ ентом гармоник К г, который представляет собой отношение дейст­ вующего значения напряжения (или тока) высших гармоник, по­ явившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (или току) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания одной частоты:

где U,, U2, Uз, U I ь /2, /з, /4 — действующие или амплитудные значения напряжения или тока гармоник выходного сигнала.

Амплитуда гармонических составляющих резко уменьшается с увеличением номера гармоники. Поэтому существенно оказывают влияние только вторая и третья гармоники. Амплитуды последую­ щих гармоник незначительны, и их можно не учитывать.

Нелинейные искажения на слух практически незаметны, если коэффициент гармоник не превышает 0,2 . 0,3 %.

Для усилителей звуковых сигналов среднего класса допусти­ мый коэффициент гармоник составляет 1,5. 4,0%. В усилите­ лях многоканальной связи линейность должна быть высокой, что­ бы гармоники и комбинационные частоты не попадали из одного канала в другой, т. е. чтобы не было перекрестных искажений. В таких усилителях нелинейность оценивается затуханием а или же затуханием нелинейности второй аг или третьей аз гармоник:

материале элементов усилителя — резисторов, проводников, уси­ лительных элементов — проявляется в виде беспорядочно изменя­ ющихся очень малых напряжений, возникающих на концах провод­ ника, цепи, элемента схемы. Такие напряжения называют тепло­ выми шумами. Кроме того, шумы в усилителях возникают вследст­ вие наводок, недостаточного сглаживания пульсаций напряжения источников питания и др.

Наиболее сильно сказываются шумы первого каскада. Они усиливаются всеми последующими каскадами. В результате на выходе многокаскадного усилителя появляется напряжение шумов настолько значительное, что может оказаться соизмеримым с по­ лезным сигналом или даже превысить его.

Количественной оценкой шумовых свойств усилителя является коэффициент шума, представляющий собой отношение суммарной мощности шумов Р хш.вых на выходе усилителя к мощности шу­ мов Р ист.т.вых, создаваемых на выходе только источником сигна­

Коэффициент шума всегда больше единицы. Для нормального уси­ ления напряжение сигнала должно превышать напряжение шумя в 2 3 раза. Коэффициент шума К ш не определяет однозначно абсолютный уровень шумов на выходе. Поэтому для оценки уси­ лителей высокого класса важным показателем является отноше­ ние сигнал/шум, представляющее собой отношение выходного на­ пряжения сигнала (при номинальной выходной мощности усилите­ ля Р п.ном ) к суммарному напряжению шумов на выходе. В уси­ лителях высокого класса отношение сигнал/шум составляет 60 ... 100 дБ (1000 и более раз).

Динамический Диапазон. Наименьший сигнал, который можно выделить на фоне собственных шумов, определяется уровнем этих

шумов. Наибольший сигнал ограничивается допустимой величиной нелинейных искажений.

Отношение максимально допустимого значения входного сиг­ нала к его минимальному значению, называется динамическим диа­

пазоном усилителя. Обычно он выражается в децибелах:

D= 20 lg ^ n-blxmax ^вых min

О динамическом диапазоне усилителя наглядное представление дает амплитудная характеристика.

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависи­ мость значения выходного напряжения сигнала от значения его входного напряжения: UB^ = f ( U BX ).

Так как в идеальном усилителе коэффициент усиления явля­ ется постоянной величиной, не зависящей от входного сигнала, то его амплитудная характеристика — прямая, проходящая через на­ чало координат под углом, определяемым коэффициентом усиле­ ния усилителя (рис. 1.8, пунктир). Амплитудная характеристика реального усилителя имеет нижний и верхний изгибы (рис. 1.8, сплошная линия). На рис. 1.8 видно, что при отсутствии сигнала на входе усилителя напряжение на его выходе будет равно напря­ жению собственных шумов в выходной цепи. Усилитель может усиливать сигналы с напряжением не ниже напряжения шумов Uвхщ in Сигналы с амплитудой, меньшей напряжения собствен­ ных шумов, будут неразличимы на фоне шумов. Только в некото­ рых случаях с помощью специальных мер возможно обнаружить сигнал на фоне больших шумов. Верхний изгиб амплитудной ха­ рактеристики вызывается перегрузкой усилителя и появлением не­ линейных искажений.

Диапазон рабочих частот или полоса пропускания частот — это интервал от низшей рабочей частоты /„ до высшей рабочей частоты /в, в пределах которого изменение коэффициента усиления