Виды усилителей по диапазону частот

· Усилитель постоянного тока (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

· Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

· Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике

· Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот

· Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот

· Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот

· Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Виды усилителей по типу нагрузки

С резистивной; с ёмкостной; с индуктивной; с резонансной.

Также есть специальные виды усилителей и функциональные виды

Характеристики электронных усилителей.

Коэффициент усиления

Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной.В качестве таких величин могут быть использованы напряжение, сила тока и мощность (U, I, P). Им соответствуют коэффициенты:

где U_вых - выходное напряжение, U_вх - входное напряжение, I_вых - выходной ток и I_вх - входной ток.

Из-за наличия в схемах усилителя реактивных элементов (индуктивности L и емкости C) коэффициенты усиления по току и напряжению (K_I , K_U) являются комплексными и зависят от частоты f.

Коэффициент усиления по мощности K_р показывает, во сколько раз активная мощность Р_{акт. вых}, отдаваемая усилителем в нагрузку, больше активной мощности Р_{акт.вх .}, подводимой по входным зажимам.

где P_вых – выходная мощность; P_вх - мощность на входе.

K_р выражается в логарифмических единицах:

В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл только K_U, так как входной ток очень мал. В биполярных транзисторах определяют обычно K_I , K_U, K_P, однако, наиболее часто используется K_U. Поэтому обычно U опускают и пишут K.

 

Амплитудно-частотная, фазочастотная и переходная характеристики усилителей

Усиление сигнала обычно сопровождается изменением формы сигнала. Поэтому любой усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления Кус, но и мерой искажения выходного сигнала, по сравнению со входным.

Искажения делятся на линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты f. Из-за этого отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителей оцениваются с помощью амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной и переходной характеристик.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению (току) в общем случае является комплексной величиной, то он может быть представлен в виде:

,

где - модуль коэффициента усиления; - аргумент коэффициента усиления.

Под АЧХ усилителя понимается зависимость │ К │= f (ω). Пример АЧХ представлен на рисунке 12.2.

 

Иногда АЧХ называют зависимость U_mвых = f (ω) при U_вх =const.

При анализе усилителя часто пользуются нормированной характеристикой

.

Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты f.

Переходной характеристикой усилителя U_вых(t) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения U от времени t при единичном скачкообразном изменении входного напряжения.

Эта характеристика отражает переходные процессы в схеме и позволяет судить об искажении усиливаемого импульсного сигнала.

На практике проще осуществить расчет искажения и сравнивать свойства усилителей, если характеристику нормировать. Тогда за переходную характеристику следует принимать соотношение

.

Ее график показан на рисунке 12.3.

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителях.

Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармоническими составляющими входного сигнала, которых не было в спектре входного сигнала. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) К_Г. Этот коэффициент измеряется на выходе усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением:

,

где Р ₂, Р ₃,..., Р _n - мощность второй, третьей и n-ой гармоник.

При резистивной нагрузке допустимый уровень определяется:

,

где U_{m 2}, U_{m 3}, U_mn – амплитуды второй, третьей и n-ой гармоники.

Амплитудная характеристика, динамический диапазон,КПД усилителя

О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (рисунок 12.4), то есть зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения.

.

Амплитудная характеристика (АХ) снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания.Реальные АХ - нелинейные, что наиболее ярко выражено при низких и высоких напряжениях U_вх. Начальный нелинейный участок обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые

приводят к появлению напряжения на входе усилителя при отсутствии входного сигнала.При больших напряжениях U_вх сказывается нелинейность ВАХ активных элементов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.В усилителях мощности (УМ) под АХ чаще понимается зависимость выходной мощности от входной мощности (Р_вых = f (P_вх)) или зависимость коэффициента передачи.Количественно мера нелинейности (рисунок 12.5) оценивается как отношение отклонения АХ от линейной характеристики:

.

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений.

В этом случае коэффициент усиления К не зависит от амплитуды и может быть определен, как тангенс угла α наклона АХ к оси абсцисс.

Динамический диапазон усилителя оценивается как:

.

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

В усилителях мощности динамический диапазон определяется с помощью характеристики К (Р_вх).

Выходная мощность Р_{вых max} соответствует уменьшению усиления на 1 дб под верхней границей линейности АХ.

Отношение Р_{вых max} к выходной мощности собственных шумов Р_{вых шум} на входе усилителя принимается за динамический диапазон:

При оценке мощных усилителей используют параметр КПД, который определяется как отношение мощности Р_вых полезного сигнала на выходной нагрузке к мощности Р ₀, потребляемой от источника:

.

Входная и выходная проводимости

 

Под входной проводимостью усилителя понимается проводимость между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе:

.

Входная проводимость является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от ее величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала.

Выходной проводимостью называют проводимость между выходными клеммами при подключенном источнике сигнала на входе:

.

Иногда удобнее оценивать не проводимости, а сопротивления:

.

Знание проводимостей и сопротивлений позволяет правильно согласовать усилитель с источником сигнала и последующим каскадом.

Все перечисленные характеристики одинаково важны для различных типов усилителей.

Помимо названых, существуют и другие характеристики: устойчивость, стабильность, коэффициент шума, шумовая температура, конструкционные и эксплуатационные характеристики.

 

№22. Основные параметры Электронных усилителей

Свойства усилителей во многом определяются областью их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры. К ним кроме коэффициента усиления относятся чувствительность, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивления, коэффициент нелинейных искажений и некоторые другие.
Выходной является мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку. Различают номинальную и максимальную выходную мощность. Номинальной (P_ном) называют такую наибольшую выходную мощность, при которой искажения усиливаемого сигнала не превышают некоторого оговоренного заранее значения (обычно 3...5%). С возрастанием выходной мощности увеличиваются и искажения усиливаемого сигнала. Наибольшую мощность, которую можно получить от усилителя при уровне искажений усиливаемого сигнала до 10 %, называют максимальной (Р_макс). Максимальная выходная мощность может в 2..10 раз превышать номинальную.
Чувствительностью усилителя называют напряжение низкочастотного сигнала в милливольтах или микровольтах, подаваемого на его вход, при котором усилитель отдает в нагрузку номинальную мощность.
Чем меньше это входное напряжение, тем выше чувствительность. Например, усилитель, на который сигнал подается,от микрофона, должен обладать чувствительностью 1...2 мB, а для усилителя, воспроизводящего грамзаписи от пьезоэлектрических звукоснимателей, достаточна чувствительность 100...200 мВ.
Диапазон усиливаемых частот — это область рабочих частот усилителя, в границах которой его коэффициент усиления изменяется, в пределах, заданных техническими условиями.
Усилитель по-разному усиливает электрические колебания различных частот.
График зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемых сигналов называют амплитудно-частотной. характеристикой (АЧХ)усилителя.

Диапазон частот ΔF, в пределах которого коэффициент усиления уменьшается не более, чем в 0,7 раз от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя.
По значению полосы пропускания усилители подразделяются на широкополосные и узкополосные.
Ширина полосы пропускания зависит от вида нагрузки.
Узкополосные усилители, в качестве коллекторной нагрузки обычно имеют колебательный контур и называются резонансными или избирательными.
Такие усилители широко применяются в супергетеродинных радиоприемниках для выделения из множества сигналов, принятых антенной, сигналов нужной радиостанции.
Входное сопротивление — сопротивление переменному току, протекающему между входными зажимами усилителя. Оно зависит от схемы усилителя, частоты переменного входного напряжения, его амплитуды и некоторых других факторов.
Выходное сопротивление характеризует внутреннее сопротивление усилителя переменному току.
От правильного выбора входного и выходного сопротивления во многом зависят входная и выходная мощность усилителя и работа всего устройства.
Коэффициент нелинейных искажений, называемый иногда коэффициентом гармоник, отображает уровень нелинейных искажений усилителя. Усилитель не является линейным элементом, поэтому при поступлении на его вход гармонического сигнала, изменяющегося с частотой f₁ в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f₂=2f₁, f₃=3f₁ и т. д. Чем больше амплитуда этих дополнительных составляющих, тем выше коэффициент нелинейных искажений усилителя. Допустимая величина вносимых усилителем нелинейных искажений определяется назначением и областью применения усилителя.
Человеческое ухо представляет собой высококачественный анализатор спектра, сразу же обнаруживающий появление новых гармонических составляющих в выходном сигнале. Оно очень чувствительно даже к небольшим нелинейным искажениям. Поэтому в усилителях радиоаппаратуры высокого качества коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 1...2%.

 

№23 Структурная схема усилителя с источником тока и напряжения -?

№24 Режимы работы усилительного каскада по постоянному току