Лекция № 8 - Усилители электрических сигналов

18.1. Основные определения

    Устройства, с помощью которых путем затраты небольшого коли­чества электрической энергии управляют энергией существенно большей, называют усилителями.

      Усилители находят широкое применение в различных областях науки и техники. В состав усилителя входят усилительный (активный) элемент, пассивные элементы и источник питания. Назначение усилительного элемента — преобразование электри­ческой энергии источника питания в энергию усиливаемых сигналов. Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования этой энергии. В результате вы­ходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выход­ного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов вы­деляется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя. Пассивные элементы усилителя служат для обеспечения нужного режима работы усилительного элемента и для некоторых других целей.

Усилитель можно представить в виде четырехполюсника 2, к вход­ным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным — нагрузка 3 (рис. 18.1). Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сиг­нала, используют несколько усили­тельных элементов, соединяя их меж­ду собой с помощью тех или иных элементов связи: резисторов, трансформаторов и др. Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называютусилительным кас­кадом.

Усилители можно условно подразделить на три типа: усилители напряжения, тока и мощности. Условность такого подразделения связана с тем, что любой усилитель в конечном итоге усиливает мощность.

По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармо­нических и импульсных сигналов. По диапазону и абсолютным значениям усиливаемых частот сигнала — усилители постоянного тока (полоса частот от нулевой до верхней рабочей точки), переменного тока, высо­кой частоты, промежуточной частоты, низкой частоты (усилители звуковой частоты), широкополосные усилители. В зависимости от исполь­зуемых усилительных элементов — транзисторные, ламповые, диодные, магнитные и др. В зависимости от используемых межкаскадных связей бывают усилители с гальванической связью (это непосредственная, или потенциометрическая связь; каскады с этим видом связи могут усиливать не только переменные составляющие тока и напряжения сигнала, но и постоянную составляющую); с резисторно-емкостной (RC) связью (конденсатор является разделительным элементом, который не про­пускает постоянную составляющую напряжения из выходной цепи кас­када на вход следующего каскада); с трансформаторной связью; со связью через колебательный контур.

18.2. Основные показатели усилителей

При усилении электрических сигналов неизбежно возникают неко­торые отклонения формы выходного сигнала от формы входного, кото­рые называют искажениями. Свойства усилителя и вносимые им иска­жения характеризуют рядом величин, которые обычно называют показа­телями. К основным показателям относятся следующие.

Входные данные усилителя — входное напряжение U_вх, токI_вх, и мощность P_вх, при которых усилитель отдает в нагрузку заданные мощность, напряжение или ток, а также входное сопротивление усили­теля Z_вх, которое в некоторых случаях можно считать активным, рав­ным R_вx.

Выходные данные усилителя — выходная мощность сигнала Р_н, вы­деляемая в нагрузке, выходные напряжение U_н или ток I_н при работе усилителя на расчетное сопротивление нагрузки Z_H, выходное сопротив­ление усилителя Z_выx. Обычно считают, что нагрузка не комплексная, т. е. ее сопротивление активное R_н. Тогда

В зависимости от типа усилителя различают: коэффициент усиления по напряжению

(•18.1)

коэффициент усиления по току

(18.2)

и коэффициент усиления по мощности

(18.3)

Коэффициенты К_U и K_I — комплексные величины, поскольку выходные и входные напряжения и токи сдвинуты по фазе относительно друг друга из-за реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и нагрузки:

(18.4)

где К — модуль коэффициента усиления; φ — фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями (токами) усилителя.

Если усилитель является многокаскадным, то общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

(18.5)

Часто модули коэффициентов усиления выражают в логарифмических единицах — децибелах (дБ):

Общий коэффициент усиления усилителя, если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, равен сумме коэффициентов отдель­ных каскадов: 

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) выходной цепи усилитель­ного элемента — отношение мощности сигнала на выходе Р_Н к потребляе­мой выходной цепью мощности от источника питания выходной цепи:

(18.6)

Линейные искажения вызываются наличием в схеме усилителя реак­тивных элементов — конденсаторов и катушек индуктивности, сопротив­ление которых зависит от частоты. Поскольку это линейные элементы, искажения называют линейными.

Входной сигнал любой формы можно представить как сумму гармо­нических составляющих сигнала, имеющих различные частоты и усиливаю­щихся неодинаково, т. е. с различными коэффициентами усиления. Такие искажения называют частотными. Кроме того, гармонические составляющие сигнала проходят через усилитель в течение неодинако­вого времени, что приводит к их временным сдвигам на выходе уси­лителя, т. е. возникают искажения, которые называют фазовыми.

Частотные искажения оцениваются по амплитудно-частотной (частотной) характеристике (АЧХ) усилителя, представляющей собой зависи­мость модуля коэффициента усиления К от частоты f (или от угловой частоты ω) (рис. 18.2). Если бы в усилителе не было искажений, АЧХ представляла бы прямую линию 1, параллельную оси абсцисс, т. е. одинаково усиливались бы сигналы с частотой от 0 до ∞.

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обес­печивает заданное значение модуля коэффициента усиления, называют полосой пропускания. Диапазон частот ограничивается нижней f_нч и верх­ней f_вч граничными частотами, которые определяются назначением усилителя. Звуковые колебания в диапазоне частот f = 50 ÷ 10000 Гц обеспечивают достаточно хорошее качество звучания, в телефонной связи используется диапазон частот 300—3400 Гц. Частотные искажения, вноси­мые усилителем на какой-то частоте f, оценивают коэффициентом частотных искажений:

(18.7)

Если М = 1, частотных искажений нет. Чем М больше единицы, тем больше вносимые усилителем искажения. Коэффициент частотных иска­жений выражают как в относительных единицах, так и в логарифми­ческих. Соотношение между ними:

(18.8)

Обычно в зависимости от назначения усилителя допустимые частот­ные искажения лежат в интервале сотые доли децибела — несколько децибел.

Фазовые искажения оцениваются по фазочастотной характеристи­ке (ФЧХ) — зависимости угла сдвига фазы φ между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f (или от угловой часто­ты ω) (рис. 18.3). Пунктиром на рис. 18.3 показана ФЧХ усилителя без фазовых искажений — это прямая линия, проходящая через начало координат. В усилителях звуковых сигналов фазовые искажения не играют существенной роли, поскольку они не воспринимаются на слух при прослушивании речи и музыки. В усилителях импульсных сигналов они влияют на форму усиливаемых сигналов.

Переходные искажения. В усилителях импульсных сигналов линейные искажения вызываются переходными процессами в цепях усилителя, содержащих реактивные элементы, а также некоторой инерционностью усилительного элемента. Они называются переходными искажениями и оцениваются по переходным характе­ристикам, представляющим собой зави­симость мгновенного значения выход­ного напряжения u_вых (или тока i_вых) сигнала от времени t при подаче на вход усилителя мгновенного скачка напряже­ния или тока. На рис. 18.4, а показан им­пульс, поступающий на вход усилителя. Переходная характеристика представ­лена на рис. 18.4, б. Переходные искаже­ния подразделяют на искажения фрон­тов и искажения вершин импульса. Для удобства их принято рассматривать для разных частотных областей: по пере­ходной характеристике в области малых времен (верхних частот) судят об искаже­ниях фронта (рис. 18.4, в), по переходной характеристике в области больших вре­мен (нижних частот) судят об искаже­ниях вершин (рис. 18.4, г).

Искажения фронта характеризуются временем установления t_уст и выбросом фронта импульса δ_ф. Время установления — это отрезок времени, в течение которого напряжение выходного импульсного сигнала возрастает от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения U_уст:

(18.9)

Выброс фронта δ_ф характеризуется отношением разности между максимальным U_mах и установившимся U_уст значениями напряжения выходного сигнала к установившемуся значению U_уст:

(18.10)

Искажения плоской вершины импульса характеризуют отношением разности между установившимся в момент времени t₀ значением напряжения выходного сигнала U_уст и значением напряжения U_min в момент t₁, достигаемым через время T=t₁-t₀, к установившемуся значению выходного напряжения:

(18.11)

Допустимые переходные искажения зависят от назначения усилителя и указываются в технических требованиях на него.

Амплитудно-частотная, фазовая и переходная характеристики линей­ных электрических цепей однозначно связаны между собой (одна из характеристик определяет две другие), поэтому с помощью графических методов по экспериментально полученным, например, амплитудно-частотной и фазовой характеристикам можно построить переходную характеристику.

Собственные шумы (помехи) усилителя. Это сигналы на выходе усилителя, существующие и при отсутствии усиливаемых сигналов на его входе. Напряжение собственных шумов усилителя ограничивает его чувствительность, из-за наличия шумов нельзя усиливать сколь угодно малые сигналы.

Собственные шумы возникают в основном за счет теплового, бес­порядочного движения электронов в элементах схемы и хаотического теплового движения носителей заряда в области базы биполярных транзисторов. Собственные шумы оценивают по коэффициенту шума, равному отношению мощности шума на выходе усилителя Р_ш.вых к мощности шума на его входе P_ш.вх, умноженному на коэффициент усиления по мощности K_p:

(18.12)

Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряже­ний сигнала, которые данный усилитель может усилить без внесения помех и искажений сверх нормы и равен отношению максимального напряжения входного сигнала U _{вх max} к его минимальному напряжению U_вх min:

(18.13)

Обычно D_ус выражают в децибелах, тогда D_{ус дБ} = 20lg D_ус.

Динамический диапазон усилителя определяют по амплитудной ха­рактеристике усилителя — зависимости установившегося значения вы­ходного напряжениясигнала от входного(рис. 18.5). В идеаль­ном случае эта характеристика должна быть прямолинейной, угол ее наклона к оси абсцисс равен arctgK_U на данной частоте. При малых и больших значениях входного напряжения характеристика отклоняется от прямолинейной: в первом случае выходное напряжение усилителя определяется напряжением собственных шумов в выходной цепи U_ш, во втором — амплитудная характеристика искажается потому, что коэффициент уси­ления усилителя уменьшается из-за нелинейных искажений, вносимых усилительны­ми элементами усилителя. Из рис. 18.5 следует, что усилитель целесообразно ис­пользовать в интервале от U_вх min до U_вх max. Обычно для обеспечения передачи звуко­вых колебаний достаточно, чтобы дина­мический диапазон был равен 60 дБ.

Нелинейные искажения. Это искажения формы усиливаемого сигнала на выходе вследствие нелинейности вольт-амперных характеристик отдельных элементов схемы усилителя (усилительных элементов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, трансформаторов и т. д.). Причиной появления значитель­ных нелинейных искажений могут быть и неправильный выбор началь­ного положения рабочей точки транзистора, чрезмерно большая ампли­туда входного сигнала, неправильно рассчитанная индуктивность. Нелинейные искажения при подаче на вход усилителя чисто синусои­дального сигнала вызывают появление на его выходе высших гармо­нических составляющих, которые искажают форму входного сигнала. Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармоник (в процентах):

(18.14)

где — соответственно действующие (амплитудные) значения первой, второй, третьей, ..., n-й гармоник вы­ходного тока и напряжения. Допустимое значение коэффициента гармо­ник зависит от назначения усилителя. Для усиления речи и музыки среднего качества коэффициент гармоник около 2%.