Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики

Основные технические показатели усилителей

Классификация усилителей.

Классификация и основные показатели усилителей.

Усиление сигнала с помощью усилительного элемента. Работа усилительного элемента с нагрузкой.

Усиление. Работа усилительного элемента с нагрузкой.

Рабочим режимом для транзисторов является динамический режим работы, когда во входную цепь кроме источника смещения, включен генератор сигнала Uвх, а в выходную – нагрузка Rн.

Основное свойство транзистора – усилительное, которое заключается в следующем: сопротивление эмиттерного перехода мало и небольшое смещение сигнала приводит к большому изменению величины входного тока, а, следовательно, и на выходе. Сопротивление коллекторного перехода велико, сопротивление нагрузки тоже велико, поэтому на нагрузке выделится гораздо большее переменное напряжение, чем поданное на вход напряжение сигнала, а также и большая мощность, то есть транзистор будет работать как усилительный элемент. Усиление, таким образом, сводится к преобразованию постоянного тока источника питания в переменный, изменяющийся по закону подаваемого сигнала.

Для того чтобы рассмотреть работу транзистора в нагрузочном режиме, необходимо обратиться к выходному контуру схемы и записать 2-ой закон Кирхгофа для участка цепи: сумма ЭДС, действующих на контуре (Ек), равна сумме падений напряжения на отдельных участках цепи (Urн, Uкэ), то есть

Ек = Urн + Uкэ,

Uкэ = Ек + Iк Rн.

Эта формула носит название уравнение нагрузочной прямой. Эта прямая строится по точкам пересечения с осями координат Iк и Uкэ на семействе выходных характеристики транзистора и выражает зависимость тока коллектора от напряжения коллектора в рабочем режиме.

Рабочая точка или точка покоя находится в месте пересечения нагрузочной характеристики со статической характеристикой, соответствующей величине входного тока при отсутствии Uвх =0 – входного сигнала. Положение нагрузочной прямой относительно осей координат зависит от выбранных значений Ек и Rн – нагрузочного сопротивления.

Усилитель – это устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов с сохранением их формы.

В электронных усилителях усиление сигнала, то есть увеличение мощности, тока и напряжения сигнала происходит за счет активных усилительных элементов – биполярных и полевых транзисторов, электронных ламп.

Простейший усилитель – это один усилительный каскад.

Усилительный каскад – это один или два усилительных элемента и несколько пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, трансформаторов и т.д.). Пассивые элементы необходимы для подачи питания на усилительный элемент, осуществления связи с нагрузкой и т.д.

Усилительные свойства усилительного каскада оцениваются коэффициентом усиления по напряжению, току и мощности.

Структурная схема представляет собой последовательно соединенные блоки:

ИС – источник сигнала;

ВхУС – входное устройство, предназначено для связи источника сигнала со входом усилителя;

КПУ – каскады предварительного усиления, предназначены для предварительного усиления сигнала до величины, необходимой для работы оконечного каскада. КПУ может содержать от одного и более каскадов, которые нумеруются по порядку следования;

ПОК – предоконечные каскады, предназначены для соединения КПУ и оконечного каскада;

ОК – оконечный каскад, каскад, работающий на нагрузку усилителя, чаще всего это каскад мощности усилителя КМУ, предназначенный для отдачи заданной мощности в нагрузку;

ВыхУС – выходное устройство, предназначено для связи выхода усилителя с нагрузкой;

Н – нагрузка;

Е – источник питания, обеспечивающий работу усилительных элементов.

В большинстве случаев усиление, которое способен обеспечить один усилительный каскад, бывает недостаточен для выполнения технических требований электронной аппаратуры и приходится использовать несколько усилительных каскадов. Количество каскадов зависит от назначения усилителя. В многокаскадных усилителях нас интересует усиление всего усилителя, которое характеризуется коэффициентом усиления усилителя:

Uвых ус

Кус = --------------

Uвх ус

А так же сквозным коэффициентом усилителя, если необходимо учесть напряжение источника сигнала:

Uн

Кскв = ---------

Uис

Усилительные каскады могут быть различными как по схемному решению так и по выполняемым функциям.

Сигнал, поступающий с иточника сигнала имеет очень небольшой уровень и чтобы увеличить его по току, напряжению и мощности используют КПУ.

Если КПУ имеет несколько каскадов, то рассчитывается коэффициент усиления предварительного усилителя:

Uвых n (последнего каскада)

Ккпу = ---------------------------------------

Uвх 1 (первого каскада)

Усилительный каскад, работающий на внешнюю нагрузку называется оконечным. В некоторых усилителях из-за схемного решения оконечного каскада сигнал с КПУ не может поступить на ОК, тогда используют специальный предоконечный каскад ПОК.

Источником сигнала в электронных усилителях может быть микрофон, проводная линия, передающая телевизионная трубка, кабельная линия и т.д. Все эти источники относятся к числу высокоомных, т.е. имеют большое внутреннее сопротивление, порядка сотен кОМ.

Входное сопротивление усилителей на биполярный транзисторах низкоомное – единицы – сотни Ом. Это осложняет передачу сигнала так как не выполняется условие согласованности:

Rис = Rвх ус

Поэтому используют входное устройство в качестве которого могут быть использованы трансформаторы или разделительные цепи.

В качестве нагрузки применяют динамик, громкоговоритель, проводная или кабельная линия и т.д. – низкоомные устройства. Для их согласования с усилителем также необходимо выполнять условие согласования:

Rвых ус = Rн.

Усилители классифицируются по виду электрического сигнала и полосе усиливаемых частот:

- электронные усилители гармонических колебаний на дискретных элементах;

- электронные усилители гармонических колебаний на интегральных схемах;

- электронные усилители импульсных колебаний на дискретных элементах;

- электронные усилители импульсных колебаний на интегральных схемах;

- широкополосные;

- усилители постоянного тока.

Для того, чтобы сигнал от источника сигнала полностью поступил на вход усилителя, необходимо условие согласования усилителя на входе, то есть Rвх.ус = Rис. Источники сигнала в усилителях (микрофон, проводная или кабельная линия связи, детектор радиоприемного устройства и т.д.) имеют сопротивление в несколько раз большее, чем входное сопротивление усилителя (Rис>>Rвых.ус). Решая вопрос подключения источника сигнала ко входу усилителя, надо непременно знать его входные данные или входные показатели. К ним относятся:

1. Rвх.ус – входное сопротивление;

Uвх.ус. – входное напряжение усилителя;

Iвх.ус.- входной ток усилителя;

Pвх.ус.-входная мощность усилителя.

Эти входные данные связаны между собой следующими формулами:

Uвх.ус. Iвх.ус. Uвх.ус

Rвх.ус = ----------- Pвх.ус. = ----------------------

Iвх.ус. 2

Для полной передачи сигнала с выхода усилителя на нагрузку необходимо, чтобы со стороны выхода усилителя также соблюдалось условие согласования, то есть†††††††Р = Rн. Нагрузка усилителя (динамик, проводная линия и так далее) имеет сопротивление много раз большее, чем выходное сопротивление усилителя (Rн<<Rвых.ус). Решая вопрос о подключении нагрузки усилителя к его выходу, надо знать выходные данные усилителя и их соотношения:

2. Rвых.ус – выходное сопротивление;

Uвых.ус. – выходное напряжение усилителя;

Iвых.ус.- выходной ток усилителя;

Pвых.ус.-выходная мощность усилителя.

Эти входные данные связаны между собой следующими формулами:

Uвых.ус. Iвых.ус. Uвых.ус

Rвых.ус = ------------ Pвых.ус. = -------------------------

Iвых.ус. 2

В зависимости от типа источника сигнала на входе усилителя могут действовать различные по величине (от очень малых до очень больших) и по полосе рабочих частот сигналы.

3. К техническим показателям усилителя относится чувствительность усилителя – это минимальный сигнал на входе, при котором на выходе появляется сигнал с заданными выходными параметрами. Способность усилителя принимать сколь угодно малые сигналы определяет его чувствительность.

4. Важным показателем усиления при выборе его схемы является полоса частот или диапазон рабочих частот (ДРЧ), он задается двумя частотами:

Fн – нижней частотой рабочего диапазона;

Fв – верхней частотой рабочего диапазона.

С расширением ДРЧ усложняется схемное решение усилителя. Для различных сигналов ДРЧ различен:

Речевой сигнал – 300 Гц – 3,4 МГц;

Радиовещание – 20 Гц – 20 кГц;

Телевидение - 50 Гц – 6-9 Мгц.

5. Главным показателем усилителя, оценивающим его усилительные свойства является коэффициент усиления:

К – коэффициент усиления по напряжению;

Кт – коэффициент усиления по току;

Км – коэффициент усиления по мощности.

Все эти коэффициенты связаны между собой по формуле:

Км = К Кт

Коэффициент усиления выражается в относительных единицах или децибеллах:

КдБ=20lgК

6. Показателем эффективности использования источника сигнала питания для преобразования его энергии в энергию усиленного сигнала служит коэффициентом полезного действия усиления (КПД). Он имеет условное обозначение:

P

n ус = ------------

Pо

Где Р – выходная мощность сигнала, отдаваемая усилителем;

Ро – суммарная потребляемая усилителем мощность от источника питания.

КПД зависит от режима работы усилительного элемента.

Идеальный усилитель должен усиливать сигнал без каких либо искажений. Реально – выходной сигнал усилителя всегда отличается от сигнала на его входе. Это объясняется наличием в усилителе линейных и нелинейных элементом, соответственно которые внося линейные и нелинейные искажения. К линейным искажениям относятся частотные и фазовые искажения.

Частотные искажения (ЧИ) – искажения выходного сигнала относительно сигнала на входе усилителя, вызываемые неоднократным усилением различных частот.

Причиной возникновения ЧИ является наличие в схемах усилителей конденсаторов, индуктивностей, усилительных элементов, сопротивления которых зависят от частоты.

Xc = -------------- X = 2 n f L

2 n f C

Xc и X - реактивные сопротивления емкости и индуктивности.

ЧИ в усилителях могут вносить все усилительные каскады, входные и выходные устройства усилителя.

Оцениваются ЧИ Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), которая представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты.

Реальная АЧХ показывает, что в середине РДЧ коэффициент усиления постоянен, а к краям АЧХ – уменьшается. Эти две крайние области называют: область нижних и область высоких частот.

Величина ЧИ определяется коэффициентом частотных искажений М. А так как искажения имеются лишь в областях нижних и высоких частот, то и коэффициент частотных искажений соответственно будет:

Мн – коэффициент частотных искажений нижних частот;

Мв – коэффициент искажений высоких частот.

Они определяются по формулам:

Кср Кср

Мн = ------------- Мв = ----------------

Кн Кв

Кср

Коэффициент ЧИ на любой частоте Мf = ---------

Кf

Коэффициент частотных искажений измеряется в относительных единицах или децибеллах

Фазо-частотные искажения – это искажения выходного сигнала, вызываемые неоднократными фазовыми сдвигами между выходным и входным сигналами различных частот.

Причина возникновения фазо-частотных искажения (ФЧИ) – наличие реактивных элементов схемы (С и L). Оценивают фазовые искажения по фазо-частотной характеристике (ФЧХ), представляющей собой графическую зависимость фазового сдвига Uвых и Uвх от частоты:

- фазовый сдвиг между входным и выходными напряжениями усилителя, является одним из показателей видеоусилителей и определяется по фазо-частотной характеристике.

В усилителях звуковых частот фазовые искажения не нормируются, так как на слух они не воспринимаются. Фазовая и частотная характеристики тесно связаны между собой, поэтому обеспечив заданную АЧХ, можно считать, что и ФЧХ будет находиться в допустимых пределах.

Дата добавления: 2014-01-06