Основные параметры и характеристики усилителей

 

 

Понятие усилительного устройства

 

Усилительным устройством (УУ) называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Входной сигнал УУ управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

 

Функциональная схема УУ представлена на рис. 1.1.

 

Источник		Усилитель		Нагрузка
сигнала (ИС)

 

 

Источник питания (ИП)

 

Рис.1.1 Функциональная схема УУ

 

Источники сигнала имеют разные свойства и параметры (например,

 

импульсный сигнал, сигнал постоянного тока) поэтому при анализе усилителей они представляются источниками ЭДС или тока. Различают: источник тока,

 

управляемый током; источник напряжения, управляемый напряжением;

 

источник напряжения, управляемый током и источник тока, управляемый напряжением.

 

Источником питания является внешний источник энергии, мощность которого используется для усиления полезного сигнала.

 

Основным свойством электронного усилителя является его способность увеличивать мощность входного сигнала при допустимых искажениях сигнала.

Следует отметить, что в пассивных и активных элементах усилителя происходят потери энергии, которые определяют снижение КПД УУ.

 

Вследствие указных потерь электрическая энергия преобразуется в тепловую.

 

Отсюда следует, что при меньших потерях энергии в усилителе (большем КПД)

 

упрощается отвод тепла, что весьма существенно в интегральных усилителях.

 

Проблема отведения тепла в усилителях усложняется с повышением степени

 

интеграции (уменьшения размеров) каскадов и с увеличением мощности выходного сигнала.

 

Основные характеристики УУ

 

Коэффициенты усиления. Основной характеристикой любого усилителяявляется его коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

 

­ коэффициент усиления по мощности – это отношение мощности сигнала на выходе усилителя к мощности входного сигнала:

Kp	^P Вых
	.	(1.1)
Р
	Вх

 

­ коэффициент усиления по напряжению – это отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

K	^U Вых	.	(1.2)
	^U Вх

­ коэффициент усиления по току – это отношение тока сигнала на выходе усилителя к току сигнала на его входе:

KI	^I Вых	.	(1.3)
	I	Вх
При последовательном соединении нескольких усилительных каскадов
общий коэффициент передачи Kp рез определяется по формуле:
	m
^Kp рез ^Kpi ^,	(1.4)
	i 1

 

где K_pi – коэффициент усиления i -го каскада усилителя, K_{p рез} – коэффициент усиления всех каскадов.

 

Коэффициент усиления является безразмерной величиной. В радиотехнике коэффициент усиления часто выражают в децибеллах:

	^P Вых
Kp дБ10 lg		.	(1.5)
^P Вх
	^U Вых
K дБ20 lg			.	(1.6)
^U Вх

 

Если коэффициент усиления выражен в децибеллах, то результирующий коэффициент усиления нескольких последовательно соединенных каскадов вычисляется как сумма:

m
K p рездБ Kpi.	(1.7)
i 1

 

Коэффициент полезного действия (КПД). Основной энергетическойхарактеристикой любого устройства является КПД. Для электронного усилителя КПД представляет собой отношение мощности, выделяемой в нагрузке P _н, к мощности P _ИП, потребляемой от источника питания:

	P н	.	(1.8)
	^P ИП

КПД характеризует эффективность использования энергии источника питания. Разность P _ИП P _н P _ИП 1 P _потерь определяет мощность потерь,

 

которая превращается в тепло.

 

Эффективность использования энергии источника питания часто оценивают по току I ₀, потребляемому от источника питания в режиме покоя,

 

т.е. при отсутствии сигнала.

 

АЧХ. Амплитудно-частотной характеристикой(АЧХ)усилителяназывается зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Пример такой характеристики для широкополосных усилителей представлен на рис. 1.2.

 

 

Рис.1.2. АЧХ широкополосного усилителя

 

 

Как видно из рис. 1.2, идеальная АЧХ сильно отличается от реальной. Это связано с тем, что в реальных усилителях за счет наличия паразитных емкостей и индуктивностей происходит завал усиления на высоких частотах. Условие физической реализуемости усилителя записывается следующим образом:

 

K f 0,при f.

 

На АЧХ выделяют область средних частот (СЧ), в которой коэффициент усиления не зависит от частоты. Коэффициент усиления в области СЧ называется номинальным коэффициентом усиления K ₀. Полосой пропускания называется диапазон частот между граничными частотами f _в и f _н. Типовым уровнем определения полосы пропускания является уровень

 

0,707 K 0			K 0,который соответствует уровню половины мощности

сигнала. Спад АЧХ на граничных частотах может задаваться не хуже заданного: для УЗЧ допускается спад АЧХ не более 3 дБ (в 1,41 раза), для усилителей измерительных приборов не более 0,1 дБ.

ФЧХ. Фазово-частотной характеристикой усилителя(ФЧХ)называетсязависимость сдвига фаз между входным и выходным сигналами усилителя от частоты. На рис. 1.3 представлены идеальная и пример реальной ФЧХ усилителя.

 

Рис.1.3. ФЧХ

 

Тангенс угла наклона касательной к ФЧХ определяет время задержки

 

выходного сигнала относительно сигнала на входе – ^d t _зад. Различные d

 

спектральные составляющие сигнала задерживаются усилителем с реальной ФЧХ на разное время, что приведет к отличию формы выходного сигнала от формы сигнала на входе.

ПХ. Переходная характеристика(ПХ)усилителя это зависимость значениянапряжения (тока) на выходе от времени U _вых f (t), при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

 

ПХ усилителя однозначно связана с его АЧХ и ФЧХ. ПХ позволяет оценить искажения формы прямоугольных импульсов при их усилении. При подаче на вход прямоугольного импульса форма выходного сигнала может быть получена вычитанием переходных характеристик, сдвинутых на время длительности импульса, в результате получается импульсная характеристика

 

(рис.1.4) усилителя.

 

U Вых (t)	Плоская часть
вершины импульса
	Фронты
	t
Рис.1.4. Импульсная характеристика

Линейные искажения полезного сигнала. Усиление сигнала–этоповышение его уровня (мощности) при сохранении формы. Однако усилить сигнал и в точности сохранить его форму невозможно, поэтому усиленный сигнал принято характеризовать уровнем искажений.

 

Искажения –это отклонения формы выходного сигнала от формывходного. Эти отклонения, вызваны несовпадением реальных характеристик усилителя с идеальными. Искажения делят на линейные и нелинейные.

 

Различают три вида линейных искажений: частотные, фазовые и переходные.

 

­ Частотные искажения. В усилителе частотные искажения возникают в томслучае, когда коэффициент усиления на разных частотах в полосе пропускания отличается от идеального.

Если представить усилитель в виде четырехполюсника, то комплексный коэффициент усиления по напряжению в этом случае можно записать в виде:

	U Выхexp j	Вых
K				.	(1.9)
	U Вхexp j	Вх

Частотные искажения оцениваются по отклонению АЧХ от номинального усиления с помощью коэффициента частотных искажений. Коэффициент частотных искажений как правило записывают на нижней и верхней граничных частотах:

М н	K f н	и М в	K f в
		.	(1.10)
^K 0
		^K 0

Для многокаскадного усилителя результирующий коэффициент частотных искажений определяется произведением:

m
^М н (в)рез ^М н(в) i ^,	(1.11)
i 1

 

где М _{н(в) i} – частотные искажения i -го каскада.

 

­ Фазовые искажения. В усилителе фазовые искажения возникают в томслучае, когда реальная ФЧХ не совпадает с идеальной (рис. 1.3).

Для идеальной ФЧХ – a, следовательно, возникает задержка

 

выходного сигнала, по отношению ко входному на время задержки:

^t зад	a	. Для реальной ФЧХ время задержки будет зависеть от частоты

сигнала.

 

Численная оценка фазовых искажений имеет вид:

 

d	d
max			min		.	(1.12)
d	d

 

 

­ Переходные искажения. При усилении импульсных сигналов на выходеусилителя наблюдается переходный процесс, так как частоты в спектре импульсного сигнала выходят за пределы участков, где АЧХ и ФЧХ можно считать идеальными. Изменение формы импульса при усилении обусловлено действием реактивных элементов и на практике оценивается с помощью переходной характеристики (или нормированной импульсной характеристики). На рис. 1.5 представлен импульсный сигнал на выходе усилителя с переходными искажениями.

U Вых (t)	Выброс	Плоская часть
вершины импульса
U Вых		Спад вершины импульса
0,9 U Вых
		Фронты
0,1 U Вых
	t ф	t
Рис.1.5. Импульсная характеристика с переходными искажениями

Переходные искажения характеризуются тремя параметрами:

 

­ временем нарастания (или время фронта) – t _y t _ф, в течение которого

 

нормированная импульсная характеристика изменяется от 0,1 до 0,9;

 

­ относительным значением выброса U, возникающим при колебательном характере переходного процесса;

 

­ неравномерностью вершины прямоугольного импульса (спад вершины импульса) за время импульса.

 

 

В соответствии с ФЧХ реального усилителя спектральные составляющие импульсного сигнала будут поступать на выход усилителя с различным временем задержки. Максимальная скорость нарастания ПХ пропорциональна площади усиления:

^dU Вых		K 0	.	(1.13)

dt

 

При последовательном соединении каскадов усилителя с временем фронта t _{ф i} и неравномерностью вершины импульса _i результирующие значения

 

времени нарастания фронта и неравномерность вершины импульса можно оценить по формулам (1.14) и (1.15):

m
^t ф рез ^t ф i	2 ,	(1.14)
i 1
m
рез i ^.	(1.15)
i 1

Как уже было сказано ранее, ПХ имеет однозначную связь с АЧХ и ФЧХ.

 

На рис.1.6 проиллюстрирована связь частотных и временных искажений.

			U Вых (t)	Выброс	Плоская часть
K			вершины импульса
	Идеальный усилитель	U Вых
			Спад вершины импульса
K 0			0,9 U Вых
					Фронты
НЧ	СЧ	ВЧ	0,1 U Вых
		f		t ф	t
	Рис.1.6. Связь частотных и временных искажений

 

Длительность фронтов зависит только от поведения АЧХ на ВЧ(малые времена – высокие частоты). Спад плоской части импульса определяется НЧ составляющей АЧХ (большие времена – низкие частоты). Область СЧ определяет номинальный коэффициент усиления, т.е. амплитуду импульса.

 

 

Связь ВЧ искажений на АЧХ и искажений фронтов ПХ иллюстрирована на рис.1.7.

 

K		U Вых
K 0

w t

 

Рис.1.7. Связь ВЧ искажений на АЧХ и искажений фронтов ПХ

 

Форма третьего варианта АЧХ на рис.1.7 в области ВЧ напоминает АЧХ колебательного контура.

 

Связь НЧ искажений на АЧХ и искажений плоской части импульса показана на рис.1.8.

K	U Вых	3 2

K 0

			t
w

Рис.1.8. Связь НЧ искажений на АЧХ и искажений плоской части импульса

 

Линейные искажения являются обратимыми, их можно скомпенсировать при дальнейшей обработке сигналов.

 

Нелинейные искажения полезного сигнала. Нелинейные искажения–этоизменения формы сигнала, обусловленные нелинейностью характеристик элементов схемы (как активных, так и пассивных). Нелинейные искажения полезного сигнала принято оценивать по амплитудной характеристике (АХ)

 

усилителя – U _Вых f U _Вх.

 

 

 

 

Рис.1.9. Амплитудная характеристика усилителя: идеального – слева, реального – справа

 

Тангенс угла наклона АХ tg равен коэффициенту усиления.

 

Загиб в нижней части обусловлен: шумами, наличием нелинейности активного элемента. Загиб верхней части характеристики обусловлен:

 

насыщением активного элемента (как правило, оконечного каскада), в

 

результате чего начинается ограничение выходного сигнала.

 

Нелинейные искажения полезного сигнала принято оценивать

 

коэффициентом гармоник (или коэффициентом нелинейных искажений):

K Г	^U Вых		2 f U Вых ^2	3 f... U Вых		n f	(1.16)
							,
		U Вых f
где U Вых f	–	основная гармоника, U Вых		n f –	комбинационные

частоты, возникающие вследствие нелинейности обработки сигнала.

 

На практике обычно ограничиваются рассмотрением 2-х и 3-х гармоник сигнала, если K _Г 2 3%.

 

Динамический диапазон (ДД) усилителя. Динамическим диапазономусилителя по входу называется отношение максимального уровня сигнала на его входе к минимальному на его входе:

^U Вх max .
D Вх				(1.17)
^U Вх min
Соответственно, ДД по выходу:
^U Вых max .
^D Вых			(1.18)
^U Вых min

Следует различать динамический диапазон усилителя и динамический диапазон сигнала. Динамическим диапазоном сигнала называется превышение его максимального уровня над минимальным:

D с	^U с max .	(1.19)
^U с min

Шумы и помехи.

 

Шумами называют помехи,которые появляются в результате хаотическоготеплового движения свободных электронов, дробового шума и пр. В

 

усилителях источником шума являются как пассивные, так и активные элементы. Уровень этих шумов сказывается на способности усилителя усиливать слабые по уровню сигналы.

Тепловой шум связан с хаотическим движением носителей зарядов,

 

вызванных температурой абсолютного нуля Кельвина. Если имеется некоторое сопротивление R в усилителе, внешняя температура равна T, а полоса усиления

 

f,то напряжение теплового шума на этом сопротивлении определяетсяформулой (1.20).

 

E ш	4 k T R f.	(1.20)
Из формулы следует,	что средствами борьбы с этими шумами,	помимо

охлаждения, является уменьшение сопротивления R, уменьшение полосы усиления (здесь мы ограничены полосой полезного сигнала). Спектральная плотность теплового шума равномерна.

 

Специфические шумы –это шумы активных элементов,избыточные шумы,

 

фликкер шумы, шумы мерцания, сверхнизкочастотные шумы, шумы типа 1 f.

 

Спектральная плотность шума типа 1 f представлена на рис.1.10 –чем меньшечастота, тем выше интенсивность шума.

 

 

Рис.1.10. Спектральная плотность шума типа 1 f

 

К помехам усилителя относят электромагнитные наводки. Их причина заключается в наличии паразитных индуктивных и емкостных связей между цепями усилителя и цепями помех. Особенно сильно такие наводки сказываются в ВЧ усилителях большой мощности. Такие помехи устраняют путем экранировки сигнальных цепей, их трассировки таким образом, чтобы паразитные параметры были минимальными.

 

Специфический вид помех (фон сети) выражается в появлении напряжения на выходе усилителя с частотами, кратными частоте сети переменного тока. Фон возникает в результате питания усилителя от сети переменного тока с большой пульсацией выпрямленного напряжения, а также в результате наведения ЭДС электромагнитными полями сети, силового трансформатора в межэлементных соединениях усилителя. Для борьбы с сильным фоном используют режекторные фильтры.

 

Для оценки шумовых свойств усилителя используют коэффициент шума:

 

	^Р сигн	^Р шум				Р
K ш				Вых		или K ш Kр	шум Вх	.	(1.20)
	Р			Р
						шум Вых
	сигн
			^Р шум Вх

1.3. Классификация усилителей

 

Усилители классифицируют по нескольким признакам:

 

 

По виду АЧХ:

 

­ усилитель постоянного тока (УПТ);

 

­ широкополосный усилитель – здесь выполняется условие: ^{f в} _{f н} 1. Частным случаем таких усилителей являются звуковые усилители и УВЧ в приемниках.

 

­ полосовые или избирательные усилители (верхние и нижние частоты близки друг к другу) – ^{f в} _{f н} 1.

 

 

Рис.1.11. АЧХ усилителей: слева – УПТ, в центре – широкополосный усилитель, справа –

 

полосовой усилитель

 

По назначению:

 

­ усилители напряжения. Входное сопротивление усилителя значительно превышает внутреннее сопротивление источника сигнала. В этом случае источник сигнала работает практически в режиме холостого хода (ХХ ), а входным сигналом является напряжение, равное напряжению входного сигнала. Таким образом, данный усилитель является источником напряжения, управляемым напряжением (ИНУН).

 

­ усилители тока. Здесь входное сопротивление усилителя намного меньше входного сопротивления источника сигнала. Заданной входной величиной является ток, а сам источник сигнала работает в режиме короткого замыкания (КЗ). Такой усилитель является источником тока, управляемым током (ИТУТ).

 

­ усилители мощности.

 

Один и тот же усилитель с неизменным входным сопротивлением может быть либо усилителем тока, либо усилителем напряжения в зависимости от внутреннего сопротивления источника сигнала. Таким образом, тип усилителя

 

по назначению устанавливается в зависимости от параметров источника

 

сигнала и нагрузки.

 

По типу активного элемента:

 

­ ламповые усилители. В настоящее время ламповые усилители используются только в том случае, если к ним предъявляется ряд специальных требований. Например, устойчивость к воздействию радиоактивного излучения.

 

­ полупроводниковые усилители. Их разделяют на транзисторные (используют биполярные и полевые транзисторы), а также усилители на интегральных микросхемах.

 

­ прочие усилители, например, квантовые (лазеры), параметрические.

 

По технологии изготовления:

 

­ на дискретных элементах – это транзисторные усилители;

 

­ на интегральных микросхемах – это операционные усилители.

 

­ комбинированные – сочетают использование двух предыдущих.