Каскад усиления мощности должен обеспечить подачу в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы.

Выходное устройство передает усиленный сигнал от кас­ када усиления мощности в нагрузку. Применяется в том случае, когда непосредственное подключение нагрузки к выходу усилителя невозможно или нецелесообразно.

Очень часто между каскадами предварительного уси­ ления и каскадом усиления мощности включается так на­ зываемый предоконечный каскад, задача которого состоит в обеспечении нормального функционирования усилителя мощности.

1.4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСИЛИТЕЛЕЙ

Сумма сведений, характеризующих основные свойства усилителя, называется его показателями.

К основным техническим показателям относятся: вход­ ные и выходные данные; коэффициент усиления; коэффи­ циент полезного действия усилительного устройства; час­ тотная, фазовая, амплитудная, переходная характеристи­ ки; различные искажения формы выходного сигнала и т. п. Для различных классов усилителей одни показатели могут иметь основное значение, другие — второстепенное.

1.4.1. Входные и выходные данные

Входными данными усилителя являются: значения на­

пряжения UBX и тока / вх на входе усилителя; входная мощ­ ность сигнала Рвх, при которых усилитель обеспечивает в нагрузке заданное значение напряжения, тока или мощно­ сти; входное сопротивление усилителя Znx.

Входное сопротивление усилителя в общем случае ком­ плексно, но входное напряжение, ток и мощность обычно определяются в условиях, когда входное сопротивление мож­ но считать практически активным и равным Р вх. Источник сигнала, подключаемый ко входу усилителя, характеризу­

ется величиной ЭДС 0 Г и внутренним сопротивлением Zr. При практическом использовании усилителей большое зна­

мента для коэффициента усиления напряжения

где К = -■^/ЫХСТ-----модуль коэффициента усиления; <р =

иъ\т

=фвых — фвх — угол сдвига фаз между выходным и вход­

ным напряжением.

Коэффициент усиления современного усилителя может быть очень большим и в безразмерных единицах будет вы­ ражаться довольно громоздким числом. Поэтому часто поль­ зуются коэффициентом усиления, выраженным в логариф­ мических единицах — децибелах (дБ).

Единицей логарифмической шкалы является децибел — десятая часть десятичного логарифма отношения мощностей на выходе и на входе усилителя, то есть К р<дб>= Ю lg Кр. Так как мощность Р пропорциональна U2 или / 2, то для ко­ эффициентов усиления напряжения или тока формулы для перевода относительных величин в логарифмические имеют вид

К(ДБ = 20 lg К; К/(дБ> = 20 lg К/.

Полезно помнить, что удвоение коэффициента усиления К означает увеличение этого показателя в децибелах К<дн» на 6 дБ, а увеличение К в 10 раз — увеличение К(дб> на

20дБ.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя ра­

вен произведению коэффициентов усиления отдельных кас­ кадов К = KiKjke.-.K».

1.4.3. Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) л является важным показателем экономичности работы усилительного устройства, определяется, в первую очередь, для усилите­ лей средней и большой мощности и представляет собой

дет неудобна для пользования, так как все нижние частоты будут сжаты у начала координат, а область верхних ча­ стот окажется слишком растянутой. Для оси ординат обыч­ но используют линейный масштаб, при этом коэффициент усиления может быть отложен как в относительных едини­ цах, так и в децибелах.

Как видно из рис. 1.2, а, при изменении частоты входно­ го сигнала от нуля до бесконечности модуль коэффициента усиления вначале возрастает, достигая постепенно на не­ которой частоте максимальной величины К0, а затем вновь уменьшается. Частоты сон и сов называются нижней и верх­ ней граничными частотами. Это частоты, на которых мо­ дуль коэффициента усиления усилителя уменьшается до допустимой (заданной) величины относительно К0. Полоса частот в пределах от сон до о в называется рабочей полосой частот или полосой пропускания усилителя. Рабочая поло­ са условно разбивается на три диапазона — область сред­ них частот, в пределах которой модуль коэффициента уси­ ления мало отличается от величины К0> и области нижних и верхних частот, где модуль коэффициента усиления существенно меняется с изменением частоты входного сигнала.

Фазовой характеристикой называют зависимость фа­ зового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты входного сигнала. Типичный вид фазовой харак­ теристики показан на рис. 1.2, б. По оси абсцисс отклады­ ваются значения частоты входного сигнала в линейном мас­ штабе, а по оси ординат —-аргумент ср комплексного ко­ эффициента усиления усилителя (в градусах или радианах) в линейном масштабе.

На частотах, равных нулю и стремящихся к бесконеч­ ности, создаются конечные фазовые сдвиги, так как усили­ тель имеет в схеме конечное число реактивных элементов. В области средних частот рабочей полосы усилителя фазо­ вые сдвиги, как правило, незначительны; в области нижних и верхних частот фазовые сдвиги возрастают. Применение при построении фазовой характеристики линейного масштаба часто вынуждает строить фазовую характеристику отдель­ но для области нижних частот (диапазон частот от нуля до нижней границы области средних частот) и области верх­ них частот (диапазон от верхней границы средних частот до верхних частот). При этом в каждой части фазовой ха­ рактеристики для оси абсцисс применяется свой линей­ ный масштаб.

Под искажением в усилителях понимают изменение фор­ мы выходного сигнала относительно входного в процессе усиления (исключая изменение масштаба, то есть уровня выходного сигнала). Искажения, проявляющиеся при уси­ лении сигналов низкого уровня и вызванные влиянием только реактивных элементов схемы, называются линей­ ными. К ним относятся частотные, фазовые и переходные ис­ кажения.

Если все гармонические составляющие входного сигна­ ла сложной формы усиливаются усилителем в одинаковой мере, то на выходе усилителя будет получен усиленный сиг­ нал той же формы, что и входной. Если же в соответствии с частотной характеристикой различные составляющие слож­ ного входного сигнала усиливаются неодинаково, то вы­ ходной сигнал будет отличаться по форме от входного, то есть в схеме возникнут искажения. Искажения выходно­ го сигнала такого рода называются частотными.

Мерой частотных искажений, вносимых усилителем, яв­ ляется коэффициент частотных искажений М, представ­ ляющий собой отношение модуля коэффициента усиления К0 на частоте а)0 к модулю коэффициента усиления К на данной частоте

( и )

В многокаскадном усилителе коэффициент частотных ис­ кажений на данной частоте определяется как произведение коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов

В зависимости от величины допустимых частотных иска­ жений на частотах сон и сов, полоса пропускания одного и того же усилителя может быть различной. На практике в усилителях низкой частоты принято считать допустимым уменьшение коэффициента усиления мощности на границах рабочей полосы частот в два раза, что соответствует сниже­ нию коэффициентов усиления напряжения и тока на гра­

ничных частотах до уровня — = 0,707 от значения Ко (что

составляет изменение на 3 дБ от Ко(дБ)).

Фазовые искажения возникают в усилителях по тем же причинам, что и частотные, то есть обусловлены наличием в схеме усилителя реактивных элементов. Следует отметить, что в усилительных каскадах создается, как правило, по­ стоянный фазовый сдвиг на (—180°), не зависящий от час­ тоты входного сигнала и обусловленный схемой включения усилительного элемента. Поэтому при построении фазовой характеристики и определении фазовых искажений посто­ янный фазовый сдвиг, создаваемый усилительными элемен­

-b ф*). Если частотные искажения в схеме отсутствуют, то модуль коэффициента усиления К для всех частот одина­ ков. Допустим, что дополнительный фазовый сдвиг каждой гармоники пропорционален ее частоте ф( = ш /,. Тогда вы­ ходной сигнал, равный

будет отличаться от входного только масштабом и будет за­ паздывать по отношению к последнему на время tv

Таким образом, если в процессе усиления каждая гар­ моника сложного входного сигнала испытывает фазовый сдвиг, пропорциональный ее частоте, то фазовые искаже­ ния в усилителе отсутствуют. Идеальная фазовая характе­ ристика для такого случая представлена на рис. 1.2, б штриховой линией.

Влияние фазовых искажений на форму выходного сиг­ нала поясняют графики на рис. 1.3.

Допустим, что входной сигнал состоит из двух гармо­ ник — первой и третьей. На рис. 1.3, а эти гармоники пока­ заны пунктиром. Если при прохождении через усилитель обе гармоники сдвинутся на один и тот же угол, например на 90°, то, как показано на рис. 1.3, б, произойдет искаже­ ние выходного сигнала. Если же основная гармоника сдви­ нется на 90й, а третья — на 270°, то выходной сигнал, как следует из рис. 1.3, в, не отличается по форме от входного,

а будет лишь запаздывать по отношению к последнему на время tx.

Оценивают фазовые искажения не конечным значением фазовых сдвигов на данной частоте, а величиной отклоне­ ния Дф реальной фазовой характеристики от идеальной.

В усилителях звуковых частот величина фазовых искаже­ ний не ограничивается, потому что человек не воспринимает на слух изменение фазовых соотношений между гармони­ ками сложного сигнала.

В видеоусилителях фазовые искажения отражаются на качестве и форме изображения, поэтому их нужно ограни­ чивать техническими условиями.

1.4.7. Переходные процессы

Линейные искажения импульсных сигналов обусловле­ ны переходными процессами установления токов и напря­ жений в цепях усилителя, содержащих реактивные сопро­ тивления. Эти искажения, называемые переходными, оце­ ниваются по переходной характеристике усилителя.

Переходной характеристикой называется временная за­ висимость изменения выходного напряжения (тока) при скачкообразном изменении входного напряжения (тока). Переходные искажения делят на искажения, связанные с нарастанием импульса (так называемые искажения фронтов) и на искажения вершины импульса.

На рис. 1.4 показана типичная форма выходного импуль­ са при воздействии на входную цепь усилителя идеального