Основные характеристики усилителей

Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических сигналов без изменения их формы и частоты. Основным усилительным элементом является транзистор. Все усилители усиливают мощность, но так как I. U. P между собой взаимосвязаны и часто нужно выделить один из них, то различают усилители тока, усилители напряжения и усилители мощности. Следует подчеркнуть, что мощность сигналов в электронных усилителях усиливается за счет энергии источников питания.

Электронный усилитель является наиболее распространенным устройством. Он непосредственно используется в проводной связи, в автоматике для усиления сигналов датчиков, измерения электрических и неэлектрических величин, в управляющих и регулирующих устройствах и многих других случаях. Кроме того, электронные усилители применяют в других электронных устройствах: электронных генераторах, преобразователях формы и частоты сигналов и др.

Усилители можно подразделить на ряд типов по различным признакам. Наиболее часто их классифицируют по диапазонам частот усиливаемых сигналов.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления напряжения постоянного тока или медленно изменяющихся сигналов. Их используют для усиления сигналов различных датчиков, называемых также первичными преобразователями.

Усилители переменного тока делятся на низкочастотные (УНЧ), работающие в диапазоне от 20 Гц до!00 кГц и высокочастотные (свыше 100 кГц). В зависимости от ширины диапазона частот усиливаемых сигналов усилители делятся на широкополосные и узкополосные (избирательные) усилители.

Избирательные, или резонансные усилители усиливают сигналы в сравнительно узкой полосе частот. Наиболее часто их используют в радиоэлектронной аппаратуре, в частности для усиления высокочастотных колебаний в радиоприемниках.

Для них характерно отношение граничных частот, отвечающих условию

.

Широкополосные усилители предназначены для усиления широкого спектра частот. Для них характерно отношение

.

Усилители различают еще по типу усилительных элементов (на транзисторах биполярных, на полевых), по типу связи между каскадами (с реостатно–емкостной связью, с трансформаторной связью, с гальванической связью) и т.д.

Обычно при проектировании усилителя задаются величина нагрузочного сопротивления R_н, мощность, которую надо в ней получить Р_вых, входной сигнал U_вх и частота f. Сначала по величине R_н и Р_вых рассчитывается усилитель мощности, т.е. оконечный каскад всего усилителя (рис.4.1). В результате этого расчета определяется сигнал, который должен быть подан на вход усилителя мощности U_вхКр, чтобы обеспечить в нагрузке требуемую мощность. Практически всегда этот сигнал значительно больше сигнала, заданного в условии на проектирование.

U_вхКр >> U_вх.

Поэтому усилитель должен содержать n каскадов усилителей напряжения с общим коэффициентом усиления К_uS = U_вхКр/ U_вх. На рис.4.1 представлена структурная схема усилителя.

Рис. 4.1 Структурная схема усилителя

Одним из наиболее важных параметров усилителя является его коэффициент усиления по напряжению К_u = U_вых/ U_вх,, по току К_i=I_вых/I_вх и по мощности К_р=Р_вых/Р_вх. В этих формулах взяты отношения соответствующих величин на входе и выходе каскада или всего усилителя. Если в усилителе несколько каскадов, то общий коэффициент усиления, например по напряжению К_u , может быть найден как произведение коэффициентов каскадов К_u = К_u1 К_u2... К_un.

В схемах усилителей переменного тока,как правило, имеются реактивные элементы (емкости, индуктивности), сопротивление которых зависит от частоты сигнала. Поэтому на разных частотах мы имеем как бы различную схему усилителя, а значит и разные коэффициенты усиления. Отличие усиления на каких – либо частотах от усиления на средних частотах К_о оценивается коэффициентами искажений на нижних М_н= К_о/ К_н и верхних М_в= К_о/ К_в частотах; в этих формулах К_н – это коэффициент усиления на самой нижней рабочей частоте, а К_в – на самой верхней. Графическая зависимость К=F(f) (рис. 4.2а) называется частотной или амплитудно – частотной (АЧХ) характеристикой. Частотные искажения вносят главным образом каскады усиления по напряжению (см. рис.4.1). Полоса пропускания f = f_в – f_н в усилителях звуковой частоты составляет диапазон 20 Гц... 15 кГц, в широкополосных может достигать десятков мегагерц, в частотно-избирательных усилителях f_н » f_в , в усилителях постоянного тока (УПТ) f_н=0, а f_в может составлять десятки мегагерц.

 

 

Рис. 4.2 Характеристики усилителя

 

Выходная динамическая характеристика транзистора также может быть причиной появления нелинейных искажений. Это объясняется тем, что одинаковые приращения базового тока на различных участках динамической характеристики вызывают различные изменения коллекторного тока. Таким образом, нарушается линейная зависимость коллекторного тока от базового.

Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник

,

где U₂, U₃... действующее значение напряжений соответствующих гармоник.

В высококачественных усилителях g < 1 %, для усилителей телефонной связи g < 15 %, при g >15 % речь становится неразборчивой.