Основные параметры и характеристики усилителей.

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления, который различают

по напряжению Ku = Uвых/ Uвх (1)

по току Ki = Iвых/ Iвх (2)

по мощности Kp = Pвых/ Pвх (3)

 

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов усиления, но принципиально то, что Kp>1 всегда. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, т. е.

 

Kn = K1*K2*…*Kn-1*Kn (4)

 

Часто коэффициент усиления представляют в децибелах (дБ)

Ku = 20lg(Uвых/ Uвх) = 20lgKu, (дБ) (5)

Ki = 20lg(Iвых/ Iвх) = 20lgKi, (дБ) (6)

Kp = 10lg(Pвых/ Pвх) = 10lgKp, (дБ) (7)

Если коэффициент усиления каждого каскада выражают в дБ, то общее усиление многокаскадного усилителя равно сумме коэффициентов усиления каскадов.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы. При этом допускается некоторый сдвиг сигнала по времени. Отклонение форм входного и выходного сигналов принято называть искажениями. Они бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход синусоидального сигнала выходной сигнал будет не чисто синусоидальной формы, а будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто получается с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, который имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Уровень нелинейных искажений численно оценивается коэффициентом гармоник Kг, который пропорционален мощности, развиваемой высшими гармоническими составляющими. Так как мощность в свою очередь пропорциональна квадрату тока и напряжения, то

(8)

где P1, U1, I1 – мощность, ток и напряжение первой (основной) гармоники, n – номер гармоники. Для многокаскадного усилителя

(9)

Рис. 2.1

 

Для оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.1), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного сигнала Uвх неизменной частоты. Угол наклона характеристики определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменения угла наклона при больших Uвх указывают на появление искажений формы сигнала. Если входное напряжение не превышает значения Uвхmin, то напряжение на выходе усилителя Uвыхmin определяется напряжением его собственных шумов, которое «глушит» полезный выходной сигнал. При выходном напряжении, превышающем Uвхmax, активный элемент усилителя работает на нелинейных участках характеристик, что обуславливает ограничение амплитуды выходного сигнала и искажение его формы.

С амплитудной характеристикой связан один из важнейших параметров усилителя – динамический. Диапазон Д, определяемый отношением

 

Д = Uвхmax/ Uвхmin (10)

 

где Uвхmin и Uвхmax – минимальное и максимальное входное напряжение (рис.1), при которых нелинейные искажения усиливаемого сигнала и его различие на фоне шумов лежат в допустимых пределах.

Если динамический диапазон выражается в дБ, то Д (дБ) = 20lgД.

С качественной стороны динамический диапазон показывает способность усиливать минимальные и максимальные сигналы с допустимым уровнем их искажений и способностью различия их на фоне шумов.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, графическое изображение которой для наиболее распространенного класса усилителей переменного напряжения с емкостной связью показано на
рис. 2.2, а.

Рис. 2.2 Частотные характеристики усилителя переменного напряжения

 

Поскольку модуль коэффициента усиления на разных частотах имеет разные значения, гармонические составляющие сложного выходного сигнала усиливаются неодинаково, и следовательно, форма выходного сигнала отлична от формы входного. Такие искажения усиливаемого сигнала называют частотными искажениями. Причиной частотных искажений являются реактивные элементы усилителя (индуктивности и емкости), сопротивления которых зависят от частоты, а также зависимость от частоты физических параметров полупроводниковых приборов, как активных элементов усилителя. К примеру параметр h21э (или h21б) с ростом частоты усиливаемого сигнала уменьшаются.

Мерой частотных искажений, которые вносит усилитель на частоте, служит коэффициент частотных искажений М, равный отношению модулей коэффициентов на средней и данной рабочей частотах:

 

M = Ko/ Kf (11)

 

где Ko – коэффициент усиления на средней частоте

Kf – коэффициент усиления на рабочей частоте.

Коэффициент М также может быть выражен в дБ –

 

M = 20lg(Ko/Kf) = 20lgM