Лекция № 1

Тема № 1 Аналоговые элементы и узлы. Использование аналоговых электронных устройств в системе автоматического управления

«Усилитель, его назначение, основные параметры и характеристики. Классификация усилителей»

Усилитель - это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагруз­ке. Причем, мощность, требующаяся для управления, на­много, как правило, меньше мощности, отдаваемой в на­грузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 1).

Рисунок 1

Все усилители можно классифицировать по следую­щим признакам:

- по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц; широкополосные усилите­ли, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

- по роду усиливаемого сигнала: усилители постоян­ного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

- по функциональному назначению: усилители напря­жения, усилители тока и усилители мощности в зависи­мости от того, какой из параметров усилитель усиливает.

Основным количественным параметром усилителя яв­ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци­онального назначения усилителя различают коэффициен­ты усиления по напряжению К_U току K_I или мощности K_P:

где - амплитудные значения переменных состав­ляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U_вых, I_вых - амплитудные значения переменных сос­тавляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

P_вх, Р_вых - мощности сигналов соответственно на вхо­де и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логариф­мических единицах – децибелах:

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов: К= К₁·К₂·…К_n. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где - модуль коэффициента усиления.

φ – сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_вх и U_вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия

где Р_ист – мощность потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное и выходное сопротивления усилителя:

где U_вх и I_вх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

Δ U_вх и Δ I_вх – приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вх=0, точка 2 - минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. После точки 3 наблюдается нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

Рисунок 2

где U_1m, U_2m, U_}m, U_nm - амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и п-й гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина характеризует динамический диапазон усилителя.

Рассмотрим пример возникновения нелинейных иска­жений (рис. 3).

Рисунок 3

При подаче на базу транзистора относительно эмитте­ра напряжения синусоидальной формы u_бэ в силу нели­нейности входной характеристики транзистора i_б = f (u_бэ) входной ток транзистора i_б (а следовательно, и выход­ной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник. Из приведенного при­мера видно, что нелинейные искажения зависят от амп­литуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в много­каскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя. АЧХ - это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ - это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ при­ведена на рис. 4. Частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_н-f_в) - полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно ма­лой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, со­держащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются уси­лителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: где К_f – модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Рисунок 4

Коэффициенты частотных искажений и называют, соответственно, коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом мас­штабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 5), ко­эффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интер­вал частот между 10 f и f). Обычно в качестве точек отсче­та выбирают частоты, соответствующие f =10 ⁿ. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Рисунок 5

Типовая ФЧХ приведена на рис. 6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения ми­нимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Рисунок 6

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 7, где показано усиление входного сигнала, со­стоящего из двух гармоник (пунктир), которые при уси­лении претерпевают фазовые сдвиги.

Рисунок 7

Переходная характеристика усилителя - это зависи­мость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики уси­лителя однозначно связаны друг с другом. Области верх­них частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот - переход­ная характеристика в области больших времен.

Рисунок 8

Дата добавления: 2014-11-09