Основные технические показатели электронных усилителей и их характеристики

Электрический сигнал – это изменение тока и напряжения в соответствии с передаваемой информацией, которая может быть закодирована в изменении одного или нескольких параметров тока или напряжения.

Усилитель – это устройство, усиливающее по мощности напряжение или ток, а с точки зрения принципа работы – это управляющий преобразователь электрических источников питания постоянного тока в ИП усиленного сигнала. Для управления используется небольшая частота источника сигнала.

Закон изменения U_вых и I_вых усилителя в идеале должен повторять закон изменения ЭДС источника сигнала e_и(t). Основной элемент усилителя – усилительный элемент (БПТ, ТГ, электронная лампа и т.д.).

Усилитель – линейный преобразователь. Кроме усилительного элемента в усилителе (У) имеются цепи для передачи энергии от источника сигнала по входному электроду усилительного элемента, от выходного электрода к нагрузке, а так же цепи питания электрода постоянного тока.

Таким образом, усилитель формально можно рассматривать как линейный 4х-полюсник, если усилительный элемент используется в пределах линейного участка динамической характеристики.

Для такого источника сигнала усилитель – это входное сопротивление Z_вх. С точки зрения нагрузки, усилитель – эквивалентный источник. U_вых пропорционально U_вх, а значит и e_и(t). Относительно e_и усилитель характеризуется I_вх. Относительно нагрузки – рассматривается как эквивалентный генератор и характеризуется I_вых и e_вых.

- коэффициент усиления по напряжению;

- сквозной коэффициент усиления.

< , т.к. часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении источника.

в общем случае комплексный, т.к. в усилителе всегда имеются реактивности. Для разных частот, разный коэффициент: .

- модуль коэффициента усиления на данной частоте. С другой стороны – это функция зависимости модуля от частоты.

- сдвиг фаз (частотнозависимый) между входным и выходным напряжением, т.е. сдвиг фаз, вносимый усилителем.

Зависимость называется АЧХ.

Зависимость называется ФЧХ.

Основным технологическим показателем усилителя является коэффициент усиления по средней частоте (это частота , на которой ).

K_i0 – коэффициент усиления по току, K_p0 – коэффициент усиления по мощности. - мощность, отдаваемая источником (не самого источника!!!). Каждый из этих коэффициентов может быть сквозным.

Иногда K отсчитывают в дБ.

Разные усилители имеют разный вид АЧХ.

 

 

1) По переменному току

2) По постоянному току.

На частотах, при которых K→0, сигнал не усиливается. Для удобства изображения АЧХ часто используют логарифмический масштаб по оси f.

АЧХ изображают в абсолютных значениях K, но они неудобны для сравнения усилительных свойств различных усилителей по частотному диапазону, но в относительных единицах они удобны. В этом случае берут на K, а относительный коэффициент усиления - это тот же К, но нормированный коэффициентом усиления на средней частоте .

- модуль относительного коэффициента усиления.

Очевидно, Y можно представить как:

Очевидно, что если , то .

 

Для снятия АЧХ: изменяем частоту генератора – f => e(f)=const.

f_сн – нижняя, а f_св – верхняя частоты в спектре сигнала.

Для усиления показательного сигнала годится второй усилитель, т.к. закон изменения e_u(t) остаётся прежним, т.е. не будет частотных искажений.

Усилители строят под усиление определенного сигнала.

Полоса частот, в пределах которой модуль коэффициента усиления изменяется не более заданной величины, устанавливаемой из практических потребностей, называется полосой пропускания усилителя.

Граничные частоты полосы пропускания называются нижней и верхней частотой полосы пропускания. Если не указывается допустимое изменение K, то допускается, что K=0,707K₀, что соответствует уровню 3 дБ.

Анализ работы усилителя проводят с помощью гармонического сигнала, а свойства усилителя определяют по его частотным характеристикам.

Если в пределах полосы частот источника сигнала усилитель имеет разный коэффициент усиления, то это приводит к частотным искажениям сигнала. Частотные искажения сигнала – это искажения закона изменения выходного тока от напряжения по сравнению с законом изменения ЭДС источника сигнала от времени. Они возникают благодаря наличию реактивности в усилителе (разделительных емкостей, трансформаторов, индуктивностей, паразитных C и L). Наличие разделительных емкостей является причиной частотных искажений на низких частотах. Частотные искажения – линейные, т.к. возникают в линейной цепи.

Ниже приведена схема замещения для нашего случая, высокочастотная составляющая подавляется.

Для низкочастотных спектральных составляющих пренебрегают С₀, т.к. оно подключено параллельно сопротивлению R, и на низких частотах X_C0(ω_н)>>R.

Для высокочастотных спектральных составляющих пренебрегают С_p, т.к. оно подключено последовательно с сопротивлением R, и на высоких частотах X_Cp(ω_в)<<R.

Очевидно, за счет C_p создается опережение выходного напряжение относительно входящего по фазе. Действительно, U_R создается током I_CR.

I_CR опережает U_CR на 90˚, U_CR является частью напряжения на полюсах => ток опережает напряжение.

За счет C₀ создается отставание по фазе выходного напряжения относительно входного. U_R=U_C0, U_C0 отстаёт от тока источника, поэтому U_C0 отстаёт от напряжения на какой-то угол.

На разных частотах влияние на сдвиг фаз C₀ и C_p различно по значению.

Одно из них вызывает запаздывание, а второе – опережение. На какой-то конкретной частоте мы получим результат, который определит, чьё влияние больше. На ω₀ эти влияния компенсируются.

Механизм изменения соотношения между амплитудами спектральных составляющих в спектре выходного сигнала по сравнению с их амплитудами в спектре e_u выглядит следующим образом. Чем больше неравномерность K в пределах спектра сигнала, тем больше частотные искажения. М – коэффициент частотных искажений.

Фазовые искажения.

Фазовые искажения – искажения усиливаемого сигнала, как функции времени, возникающие из-за различных фазовых сдвигов, для каждой из спектральных составляющих, что отражается в отличии фазовой характеристики от прямой линии. Фазовые искажения также линейные.

 

При прохождении сигнала через усилитель возможны нелинейные искажения, связанные с наличием в схеме усилителя нелинейных элементов (БПТ, ПТ, диоды, электронные лампы). Динамическая характеристика усилительного элемента линейна с определенной степенью точности, поэтому можно рассматривать усилитель как линейный преобразователь, да и то в пределах ограниченных значений входного сигнала. Из-за нелинейности характеристики входной сигнал с достаточно большим значением амплитуды будет приводить к нелинейным искажениям, т.е. преобразование будет нелинейным.

Пример: гармонический сигнал с достаточно большой амплитудой, спектр у него монохроматический, преобразование – нелинейное, выходной сигнал – не гармонический и в спектре уже несколько спектральных составляющих.

В результате нелинейного преобразования происходит обогащение спектра. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник.

 

- коэффициент гармоник.

Номинальная выходная мощность – мощность выходного сигнала, обеспечиваемая усилителем при заданном коэффициенте нелинейного искажения.

Усилитель характеризуется амплитудной характеристикой – зависимость модуля выходного напряжения от модуля входного на средней частоте для синусоидального сигнала. Она не учитывает параметры источника сигнала. Однако может быть сквозная амплитудная характеристика, которая зависит от e_u. Обе измеряются для номинального R_н.

Подавать U_вх<U_вхmin=U_вхшума нецелесообразно, т.к. сигнал будет маскироваться шумами.

Существует оценка усилителя – динамический диапазон.

Динамический диапазон усилителя должен быть больше динамического диапазона сигнала.

U_{вхномин.} – входное напряжение, при котором на выходе усилителя, при номинальном R_н, выделяется номинальная мощность усиленного сигнала.