Основные характеристики усилителей

Усилительные устройства находят своё применение во всех областях техники. Это происходит из-за несоответствия параметров электрического сигнала, полученного при преобразовании первичной физической величины (температуры, перемещения, давления и т.д.), и электрическими параметрами, необходимыми для нормальной работы исполнительного устройства (нагрузки).

Аналоговые усилительные устройства

В общем случае усилитель может и усиливать и ослаблять исходный сигнал. Например, мощность электрического сигнала на выходе датчика температуры ядерного реактора составляет десятки милливатт, а для стабилизации температурного режима требуется мощность сигнала 10 – 1000 кВт. Или чтобы усилить голос летучей мыши, надо ослабить сигнал.

Итак, усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по току, напряжению и мощности за счёт преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Суть процесса усиления состоит в преобразовании энергии источника питания в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим воздействием.

Для обеспечения усиления сигнала усилитель должен иметь нелинейный элемент, который управляется входным электрическим сигналом. К управляющей цепи усилителя подключен источник усиливаемого сигнала, к выходной – нагрузка.

Управляемый элемент современных усилителей выполняют на биполярных или полевых транзисторах. Он выполняет роль управляемого сопротивления усилителя – Żус, которое в зависимости от взаимного расположения сопротивлений Żус, Żн (нагрузки), Żс (источника усиливаемого сигнала) может быть параллельным (||), последовательным (––) и параллельно-последовательным (||––), следовательно выходное напряжение соответственно будет

Ú_2||= Én/(1 + Żс* (1/ Żн + 1/ Żус))

Ú_2––=Ėn* Żн/ (Żн +Żус)

Ú_2||––= Ėn /(1 + Żус* (1/ Żн + 1/ Żус)

В зависимости от того, совпадает ли фаза выходного сигнала с фазой входного или отличается на 180º, усилители бывают неинвертирующие и инвертирующие. Обычно неинвертирующие обозначаются знаком «+», инвертирующие знаком «–».

§8.1 Классификация усилителей

1. Коэффициент усиления

По напряжению:

По току:

По мощности:

U₁, U₂, I₁, I₂ – действующие напряжения и токи.

При каскадном соединении нескольких усилителей общий коэффициент усиления: , где п – количество каскадов

В общем случае k – комплексная величина, отражающая фазовые искажения.

Т.к. общий коэффициент усиления – величина очень большая, то в графической интерпретации используют логарифмическую шкалу, где все коэффициенты в отличие от обычных имеют размерность децибелы

k_p [дБ]= 10ℓg(Р₂/Р₁) = 10ℓg k_p

k_I =20ℓg k_I

k_v =20ℓg k_v,

2. Полоса пропускания – диапазон рабочих частот ∆ω, в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже Кmax/√2, а для характеристики построенной в децибелах не ниже, чем на три децибела. Зависимость коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой – АЧХ.

3. Входное и выходное сопротивления

Их значения необходимо учитывать при согласовании усилительного устройства с источником входного сигнала и с нагрузкой. Сопротивления являются функцией частоты.

Z _вх(ω) = U _вх (ω)/ I _вх (ω), при R _н = const

Z _вых(ω) =| U _{вых хх}(ω) – U _вых (ω)|/ I _вых (ω), где U _{вых хх} – напряжение выхода на холостом ходу.

Если учитывать только активную составляющую для определения КПД устройства

R_вх = U₁ / I₁

R_вых = (U_{вых х.х} - U_вых) / I_вых = U_{вых х.х} / I_{вых к.з.} , где I_{вых к.з}. выходной ток короткого замыкания

4. Выходная мощность – это та часть мощности, которая может быть приложена к нагрузочному устройству

P_вых = P₂ = I₂² R_н

5. Переходные характеристики: Зависимость мгновенного выходного тока или напряжения от перепада входного напряжения или тока.

Они определяют динамические свойства усилителя. В некоторый момент времени t₀ возникает перепад входного сигнала, тогда на выходе появляются колебания сигнала в течении некоторого времени – t_{установки}, после чего сигнал остается постоянным.

6. Искажение сигналов в усилителе связано с нелинейностью ВАХ – статистические искажения; и с амплитудой и фазовой зависимостью сигнала – динамические искажения.

Статические или нелинейные искажения, рассмотрим на примере переходной характеристики – зависимости значения выходного напряжения от входного.

Частотные искажения, рассмотрим АЧХ входной функции, состоящей из двух гармоник U₁ U₂, причем , амплитуды обоих сигналов равны U_m1=U_m2

График входного суммарного сигнала

График выходного суммарного сигнала

Из графиков видно, что суммарные сигналы на входе и выходе отличаются по форме. Отсюда возникают амплитудно-частотные искажения сигнала. Для получения меньших искажений надо чтобы коэффициент усиления был одинаков для всех входящих гармоник.

Фазовые искажения

Возникают из-за неравномерности фазо-частотной характеристики – ФЧХ. Рассмотрим фазо-частотную характеристику, то есть зависимость фазы сигнала от частоты:

То есть одна из гармоник входного сигнала сдвинута относительно другой на фазу ∆φ, получаем следующий график:

По графику видно, что фаза входного сигнала не постоянна, следовательно выходного тоже, следовательно возникают фазовые искажения.

В реальных усилителях частотные и фазовые искажения действуют одновременно.

Дата добавления: 2014-01-03