Основні характеристики і параметри підсилювачів

Електронним підсилювачем називають пристрій, який використовують для підвищення потужності вхідного електричного сигналу до номінального значення, що забезпечує нормальне функціонування кінцевого вузла, пристрою або електронної системи. При цьому підсилення малопотужного вхідного сигналу досягається за рахунок енергії зовнішнього джерела живлення значно більшого рівня потужності.

До вхідних клем 1, 2 приєднують джерело вхідного сигналу у вигляді джерела напруги (рис. 10.1, а) або джерела струму (рис. 10.1, б). Зовнішнє навантаження R _н, на якому виділяється енергія підсиленого сигналу, під'єднується до виходу підсилювача (клеми 3, 4).

Найважливішим параметром будь-якого підсилювача є коефіцієнт підсилення, який визначають відношенням напруги (або струму, потужності) на виході підсилювача до напруги (або струму, потужності) на його вході і показує, як змінюється вихідний сигнал порівняно із вхідним. У загальному вигляді для коефіцієнта підсилення запишемо

де К=А _вих /А _вх – модуль коефіцієнта підсилення; φ = φ_вих - φ_вх - фазовий зсув між вхідною та вихідною напругою, або між вхідним і вихідним струмами. В області середніх частот j = 0 і тому в подальшому коефіцієнтом підсилення будемо вважати його модуль К. Згідно з призначенням підсилювача розрізняють коефіцієнти підсилення за напругою , за струмом і за потужністю .

Структурну схему електронного підсилювача показано на рис. 10.1.

Для п -каскадного підсилювача

(10.1)

 

Рис. 10.1. Структурні схеми електронних підсилювачів керованих:

а – джерелом напруги; б – джерелом струму

 

За способом зв'язку між каскадами розрізняють підсилювачі з гальванічним (безпосереднім), ємнісним і трансформаторним зв'язком. Трансформаторний зв'язок застосовують лише в кінцевих каскадах підсилення потужності для узгодження підсилювача з навантаженням, і то лише в специфічних випадках. Найпоширенішим є ємнісний зв'язок між каскадами (рис. 10.2), який дозволяє розв'язати і зробити незалежними окремі каскади за постійною складовою струму без введення додаткових засобів узгодження каскадів.

Рис. 10.2. Схема ємнісного міжкаскадного зв’язку

 

Для підсилення сигналів постійного струму принципово необхідний гальванічний зв'язок між каскадами, використовуваний в підсилювачах постійного струму.

Амплітудно-частотну характеристику резистивного підсилювача – залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти показано на рис. 10.3 (суцільна лінія 1 для підсилювача з ємнісним зв'язком). В області середніх частот опір роздільного (перехідного) конденсатора С _р незначний, X_c=1/wC_p=1/2p f C_p вихідна напруга U _вих1 ≈ U _вх2(рис. 10.2) і коефіцієнт підсилення не змінюється при зміні частоти інформаційних сигналів.

Рис. 10.3. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача з

RC- зв`язком

 

З переходом в область нижніх частот опір конденсатора С _р збільшується, що викликає збільшення падіння напруги на конденсаторі і зменшення U _вх2 , а отже, зменшення К_u. Очевидно, що при f = 0, К_u = 0 (див. 9.1). Зі збільшенням ємності роздільного конденсатора С _р, або вхідного опору R _вх2 збільшується стала часу t_Н, а відтак – зменшується нижня гранична частота f ^/_н < f _н (суцільна лінія 2 на рис. 10.3). Наявність роздільного конденсатора С _р зумовлює появу диференціюючого RC -кола з постійного часу t_Н = С _р R _вх2. Властивості такого кола досліджувались в лабораторній роботі 9 (розд. 1.2, 1.4, рис. 9.1, а; 9.2; 9.7; 9.8). Ці властивості визначають частотні та перехідні спотворення RC -підсилювачів в області низьких частот.

Зменшення модуля коефіцієнта підсилення в області верхніх частот є наслідком зменшення коефіцієнта передачі струму бази h ₂₁ транзистора при підвищенні частоти і зростанням шунтуючої дії ємності колекторного переходу С _к. У загальному випадку властивості підсилювача в області верхніх частот визначається сумарною паразитною ємністю С ₀, яка складається з вихідної ємності С _к, ємності навантаження С _н та ємності монтажу. Паразитна ємність С ₀ разом з вихідним опором підсилювача створює інтегруюче RC -коло (див. лабораторну роботу 9). Зміна K_v визначає граничну частоту f _В на якій його значення зменшується в раз відносно K_{v 0}, дійсній для області середніх частот.

Властивості інтегруючого RC- кола с постійною t_В = С ₀ R _вих визначають частотні та перехідні спотворення підсилювачів в області високих частот.

Оскільки модуль коефіцієнта підсилення на різних частотах має різні значення, гармонічні складові вхідного сигналу підсилюються неоднаково і форма вихідного сигналу відмінна від форми вхідного сигналу. Це явище називається частотним спотворенням і оцінюється коефіцієнтом частотних спотворень M. Він дорівнює відношенню коефіцієнтів підсилення на середній і даній робочій частоті:

M=K_{v 0} /K_vf. (10.2)

Зважаючи на те, що частотні спотворення зумовлені лінійними елементами схеми (конденсаторами), тому їх ще називають лінійними спотвореннями.

Для n -каскадного підсилювача:

(10.3)

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять на граничних частотах f _Н та f _В умовної смуги пропускання підсилювача, яка являє собою діапазон частот D f = f _В – f _Н, в межах якого зміна модуля коефіцієнта підсилення не перевищує заданої величини М _Н = K_v0/K_{v Н} і М _В =K_{v 0} /K_{v В}. В ідеальному випадку, коли підсилювач не вносить частотних спотворень (М= 1), частотна характеристика повинна бути прямою, паралельною осі частот (рис.10.3, штрихова лінія).

Ще однією суттєвою характеристикою підсилювача є амплітудна: залежність U _вих= f(U _вх), яку відтворюють на деякій сталій частоті смуги середніх частот (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Амплітудна характеристика

 

Амплітудна характеристика реального підсилювача (рис. 10.4, суцільна лінія) не проходить через початок координат, оскільки напруга на виході при U _вх< U _{вх min} визначається рівнем власних шумів підсилювача і завадами. Мінімальний вхідний сигнал U _{вх min}/ K_{v 0}, який можна виділити на фоні шумів, визначає чутливість підсилювача. При великих вхідних напругах (U _вх> U _{вх max}) між реальною та ідеальною амплітудними характеристиками виникає розбіжність (показаною пунктиром), що обумовлюється перевантаженням підсилювальних пристроїв з боку входу. Максимальна амплітуда вихідних інформаційних сигналів обмежується значенням напруги джерела живлення (E_C). Наприклад, у разі підсилення гармонічного сигналу U _{вих max}» E_C/2. Подальше збільшення вхідного сигналу викликає обмеження вихідного на рівні E_C/2. Тобто гармонічний сигнал перетворюється в складний. На виході підсилювача появляються гармонічні складові, яких немає у вхідному сигналі. Це явище називають нелінійними спотвореннями підсилювального сигналу. У робочому діапазоні амплітуд вхідного сигналу U _вхmin– U _вхmax амплітудна характеристика прямолінійна (відрізок а­­–б), а кут її нахилу визначається коефіцієнтом підсилення на даній частоті.

Кількісно динамічний діапазон (у обкладках) оцінюється як

(10.4)

де U _вхmax – максимальна вхідна напруга, за якої нелінійні спотворення підсилюваного сигналу лежать в допустимих межах.

Рівень нелінійних спотворень чисельно оцінюється коефіцієнтом гармонік К_Г, що пропорційний потужності, яка розвивається вищими гармоніками. Оскільки потужність, в свою чергу, пропорційна квадратові струму або напруги, то

де P ₁, u ₁, I ₁ – потужність, напруга та струм першої гармоніки; n - номер гармоніки.