Характеристика критериев работы усилителя

1. Структурная схема усилителя

Электронным усилителем называется устройство, обеспечивающее увеличение мощности электрических сигналов, поступающих на его вход.

В состав усилителя входят:

1) усилительный (активный) элемент - это нелинейный элемент (транзистор, электронная лампа и др.);

2) пассивные элементы: резистивные, емкостные, колебательный контур и др.;

3) источник питания (постоянного тока, реже переменного тока).

Источником входных сигналов являются: микрофон, фотоэлемент, термопара, химический источник тока, предыдущий усилитель и др.

Нагрузкой усилителя может быть: резистор, колебательный контур, трансформатор, электродвигатель, динамик и др.

Назначение усилительного элемента - преобразовывать электрическую энергию источника питания в энергию усиливаемых сигналов.

Простейший усилитель содержит один активный элемент с присоединенными к нему пассивными элементами, и он называется усилительным каскадом.

Процесс усиления заключается в преобразовании энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Входной сигнал является функцией входного сигнала, причем мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания значительно больше мощности входного сигнала.

Классификация усилителей включает следующие признаки:

1. По характеру усиливаемых сигналов:

усилители гармонических сигналов;

импульсные усилители.

2. По назначению:

усилители напряжения;

усилители тока;

усилители мощности.

3. По роду усилительных элементов:

транзисторные усилители (на биполярных или полевых транзисторах);

ламповые усилители (на электронных лампах);

усилители магнитные и др.

4. По диапазону частот электрических сигналов:

Усилители низкой частоты (УНЧ); от десятков Гц до десятков кГц.

Усилители постоянного тока (УПТ); точнее усилители медленно меняющихся сигналов: от 0 Гц до десятков и сотен кГц.

Избирательные или селективные усилители - усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней к нижней частотам: f_в/ f_н

f_в/ f_н<1,1.

Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот (от нескольких кГц до нескольких МГц).

5. По типу межкаскадных связей:

Усилители с гальванической связью;

Усилители с резистивно-емкостной связью;

Усилители с трансформаторной связью;

Усилители со связью через колебательный контур.

2. Основные показатели усилителей

1. Коэффициент усиления - отношение сигнала на выходе к сигналу на входе усилителя.

Различают коэффициент усиления

напряжения ; тока ;

мощности .

Это безразмерные коэффициенты. Бывают очень большие значения и это неудобно. Поэтому применяют коэффициенты усиления в логарифмических единицах - децибелах (дБ).

Связь между размерными и безразмерными коэффициентами следующая:

.

Так как , то

; .

Обратный переход

.

Если K_U,дБ=1 дБ, то K_U=10^1/20 = 1,12, т.е. усиление на 12 %.

Значения коэффициентов K_U или просто K составляют десятки…сотни. Иногда этого недостаточно. Тогда используют последовательное соединение усилительных каскадов.

Структурная схема многокаскадного усилителя

Общий коэффициент усиления

или .

Действительно ,

т.к.

Для размерных коэффициентов: .

2. Выходная мощность. При активной нагрузке выходная мощность усилителя

.

Это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении. Увеличение ее ограничено искажениями из-за нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов.

Мощность, при которой искажения не превышают допустимой величины, называют номинальной выходной мощностью.

3. КПД ,

где P₀ - мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания.

4. Номинальное входное напряжение - чувствительность. Это напряжение, которое необходимо подвести ко входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Иначе - будут сильные искажения сигнала.

5. Диапазон усиливаемых частот или полоса пропускания - та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.

Расширение полосы пропускания приводит к увеличению стоимости и усложнению аппаратуры.

3. Усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Транзистор n-p-n. От этого зависит полярность источника питания Е_к. Его величину обычно принимают 10…15 В.

; ; , поэтому .

Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера.

Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении R_к.

Разделительный конденсатор С_р служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала (без С_р произойдет нагрев источника и изменение режима работы транзистора).

С помощью конденсатора С_с на выход каскада подается переменная составляющая напряжения U_кэ, изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине.

Резистор R_б обеспечивает выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяет режим работы каскада по постоянному току.

Для коллекторной цепи по 2-му закону Кирхгофа

.

ВАХ резистора : - линейная,

ВАХ транзистора VT: - нелинейная.

Для резистора строим линию нагрузки

Можно построить по двум точкам:

1) ;

2) .

Для данного и токов базы I_б можно найти ток I_к и напряжение U_кэ (по пересечению кривых).

При помощи резистора R_б можно получить в отсутствии входного сигнала ток I_б0 и напряжение U_б0, соответствующие середине линейного участка входной характеристики (точка А).

Сопротивление резистора R_б выбирают из уравнения:

- в режиме покоя.

.

Резистор R_б обеспечивает величину тока смещения в цепи базы. Такое смещение эмиттерного перехода обеспечивается фиксированным током базы.

Это усилитель с фиксированным током базы.

4. Температурная стабилизация усилителя

При увеличении температуры возрастает ток I_к за счет увеличения неосновных носителей заряда, что изменяет характеристики транзистора (рабочая точка смещается с точки А).

В данном усилителе смещение эмиттерного перехода обеспечивается фиксированным напряжением «база-эмиттер» и усилитель называется с фиксированным напряжением базы.

Режим покоя обеспечивается за счет постоянного напряжения смещения эмиттерного перехода с помощью делителя R'_б - R''_б.

Напряжение U_бэ0 (по постоянному току в отсутствии u_вх):

- начальное смещение базы.

По 2-у закону Кирхгофа:

.

При наличии резистора R_э увеличение тока из-за повышения температуры приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R_э, что вызывает уменьшение напряжения U_бэ, а следовательно и токов и :

.

Таким образом, резистор R_э играет роль обратной связи по постоянному току.

По переменному току при наличии u_вх: введение R_э создает падение напряжения , которое уменьшает усиливаемое напряжение.

- переменная составляющая эмиттерного тока.

.

Для ослабления этого негативного явления параллельно R_э устанавливают С_э. Емкость С_э такая, чтобы для всех частот усилителя и тогда усиливаемое напряжение практически равно входному:

,

т.е. мы устранили обратную связь по переменному току.

5. Собственные помехи и искажения усилителя

Причины возникновения помех на выходе усилителя можно разделить на 3 группы:

1) тепловые шумы;

2) шумы усилительных элементов;

3) помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электромагнитных полей.

Величина общих помех на выходе усилителя должна быть значительно меньше напряжения сигнала. Обычно полезный сигнал должен превышать уровень помех не менее, чем в 2…3 раза (на 6…10 дБ).

Амплитудная характеристика усилителя выражается так:

1 - идеальная характеристика;

2 - реальная характеристика.

При малом напряжении или при отсутствии на входе сигнала выходное напряжение определяется уровнем собственных шумов и помехами усилителя при .

При больших входных напряжениях характеристика искривляется из-за перегрузки усилительных элементов со стороны входа.

Оценивается динамическим диапазоном амплитуд в децибеллах:

.

Искажения могут быть: нелинейные, частотные и фазовые.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи усилителя (в основном из-за нелинейных характеристик транзистора).

Например, как появляются нелинейные искажения во входной цепи усилителя из-за транзистора:

На вход усилителя подан сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменение входного тока, форма которого не синусоидальна. Значит и выходной ток и выходное напряжение изменяют свою форму.

Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причина: наличие в усилителе реактивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, емкости монтажа и др.).

Частотные искажения оцениваются по амплитудно-частотной характеристике или .

f₀ - средняя частота пропускания;

f_н , f_в - нижняя и верхняя граничные частоты.

В области средних частот коэффициент усиления K не зависит от частоты.

Изменения коэффициента усиления K определяются частотными искажениями сигнала и оцениваются коэффициентом частотных искажений

,

где - модуль коэффициента усиления на некоторой частоте, лежащей за пределами области средних частот.

Фазовые искажения усилителя оцениваются по его фазочастотной характеристике: зависимости угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты .

Фазовые искажения отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.