Основні показники роботи підсилювачів

Основні показники роботи підсилювачів

Класифікація підсилювачів

Електронним підсилювачем називається пристрій, що дозволяє перетворювати вхідні електричні сигнали в сигнали більшої потужності на виході без суттєвого викривлення їх форми. Ефект збільшення потужності можливий при наявності в пристрої деякого зовнішнього джерела, енергія якого використовується для створення підвищеної потужності на виході. Це джерело енергії, що перетворюється підсилювачем в енергію посилених сигналів, називається джерелом живлення.

Енергія джерела живлення перетвориться в енергію корисного сигналу за допомогою підсилювальних, або активних елементів. Пристрій, що є споживачем посилених сигналів, називають навантаженням підсилювача, а ланцюг підсилювача, до якої навантаження підключена, - вихідний ланцюгом, або виходом підсилювача. Джерело вхідного сигналу, який потрібно підсилити, називається джерелом сигналу, або вхідним джерелом або генератором, а ланцюг підсилювача, в яку вводять вхідний сигнал, називається вхідний ланцюгом, чи входом підсилювача.

Будь-який підсилювач модулює енергію джерела живлення вхідним керуючим сигналом. Цей процес здійснюється за допомогою керованого нелінійного елементу.

Узагальнена структурна схема підсилювального пристрою наведена на малюнку 3.1. Для забезпечення посилення сигналу підсилювач (У), послідовно з яким з'єднаний джерело живлення Еп, повинен включати в себе нелінійний елемент, керований вхідним електричним сигналом U1. До вхідний (керуючої) ланцюга підсилювача підключено джерело ЄС підсилюється сигналу (при цьому Zc - комплексне значення внутрішнього опору джерела), а до вихідний - навантажувальний пристрій з опором Zн.

Малюнок 3.1. Узагальнена структурна схема підсилювального пристрою

Зазвичай, у першому наближенні, опору вважають активними, враховуючи їх комплексність тільки при розгляді специфічних питань.

Підсилювальні пристрої знаходять дуже широке застосування. Вони є основними вузлами різної електронної апаратури, широко використовуються в пристроях автоматики і телемеханіки, в стежать, керуючих і регулюючих системах, лічильно-обчислювальних та обчислювальних машинах, контрольно-вимірювальних приладах і т.п.

Розподіл підсилювачів на типи зазвичай здійснюють за призначенням підсилювача, характеру вхідного сигналу, смузі і абсолютним значенням підсилюються частот, виду використовуваних активних елементів.

За своїм призначенням підсилювачі умовно діляться на підсилювачі напруги, підсилювачі струму і підсилювачі потужності. Якщо основна вимога - посилення вхідного напруги до необхідного значення, то такий підсилювач відносять до підсилювачів напруги. Якщо основна вимога - посилення вхідного струму до потрібного рівня, то такий підсилювач відносять до підсилювачів струму. Слід зазначити, що в підсилювачах напруги і підсилювачах струму одночасно відбувається посилення потужності сигналу (інакше замість підсилювача досить було б застосувати трансформатор). У підсилювачах потужності на відміну від підсилювачів напруги та струму потрібно забезпечити в навантаженні заданий або максимально можливий рівень потужності сигналу. Нижче будуть наведені необхідні співвідношення, що характеризують посилення напруги, струму та потужності.

Залежно від характеру вхідного сигналу розрізняють підсилювачі гармонічних (безперервних) сигналів і підсилювачі імпульсних сигналів. До першої групи належать пристрої для посилення безперервних електричних сигналів, гармонійні складові яких змінюються багато повільніше всіх нестаціонарних процесів в ланцюгах підсилювача. До другої групи підсилювачів належать пристрої для посилення електричних імпульсів різної форми і амплітуди з допустимими спотвореннями їх форми. У цих підсилювачах вхідний сигнал змінюється настільки швидко, що процес встановлення коливань є визначальним при знаходженні форми вихідного сигналу. У межах даного курсу ми будемо вивчати підсилювачі гармонічних сигналів.

Смуга і абсолютні значення підсилюються частот дозволяють розділити підсилювачі на такі типи.

Підсилювачі постійного струму (ППС) (точніше, підсилювачі повільно мінливих напруг і струмів) призначені для посилення електричних коливань у межах від нижчої частоти fн, рівною нулю, до верхньої робочої частоти fв підсилювача, складовою нерідко десятки і сотні кілогерц. Ці підсилювачі широко застосовуються у вимірювальній апаратурі, пристроях автоматики та обчислювальної техніки. Вони дозволяють посилювати як змінні складові сигналу, так і його постійну складову.

Підсилювачі змінного струму призначені для посилення лише змінних складових вхідного сигналу. У залежності від граничних значень робочого діапазону частот підсилювачі змінного струму можуть бути низької та високої частоти. Для підсилювачів низької частоти (УНЧ) справедливо нерівність fв - fн>> fн. Частотний спектр (УНЧ) лежить в межах від десятків герц до десятків (сотень) кілогерц. У підсилювачах високої частоти посилення сигналу здійснюється в діапазоні частот, визначених нерівністю fв - fн <<fв.

По ширині смуги підсилюються частот виділяють виборчі підсилювачі, що підсилюють електричні сигнали у вузькій смузі частот fв / fн <1,1. З а межами цієї смуги посилення різко падає. Ці підсилювачі можуть використовуватися як на низьких, так і на високих частотах і виступають в якості своєрідних частотних фільтрів, що дозволяють виділити (або придушити) заданий діапазон частот електричних коливань. Вузька смуга частотного діапазону у багатьох випадках забезпечується застосуванням як навантаження таких підсилювачів одного або декількох коливальних (резонансних) контурів. У зв'язку з цим виборчі підсилювачі часто називають резонансними, або смуговими.

Широкосмугові підсилювачі, що підсилюють електричні сигнали в дуже широкому діапазоні частот fв / fн> 1000. Ці підсилювачі призначені для посилення сигналів в пристроях імпульсної зв'язку, радіолокації і телебачення. У багатьох випадках посилені сигнали відтворюються на екрані електронно-променевої трубки і реєструються візуально. Тому часто широкосмугові підсилювачі називають відеопідсилювачах. Крім свого основного призначення, ці підсилювачі з успіхом використовуються також у пристроях автоматики, та обчислювальної техніки.

За родом застосовуваних активних елементів підсилювачі діляться на транзисторні, магнітні, діодні, лампові, параметричні та ін В якості активних елементів в даний час в підсилювачах частіше використовуються польові або біполярні транзистори або інтегральні схеми. Широко застосовувалися раніше підсилювальні лампи в розробці нової підсилювальної апаратури практично не використовуються. Значно рідше, ніж транзистори й інтегральні схеми, застосовуються активні елементи у вигляді нелінійних ємностей або індуктивностей і спеціальні типи напівпровідникових діодів.

Наведена класифікація розглядає підсилювальні пристрої з різних позицій. Тому для повної характеристики конкретного підсилювача необхідно знання всіх його основних ознак.

Основні технічні показники підсилювачів

Найважливішими технічними показниками підсилювача є: коефіцієнти підсилення (по напрузі, струму і потужності), вхідний і вихідний опору, вихідна потужність, коефіцієнт корисної дії, номінальна вхідна напруга (чутливість), діапазон частот підсилюються, динамічний діапазон амплітуд і рівень власних перешкод, а також показники, що характеризують нелінійні, частотні та фазові спотворення підсилюється сигналу.

Коефіцієнт посилення - відношення сталих значень вихідної та вхідної сигналів підсилювача. Залежно від типу підсилюється величини розрізняють коефіцієнти підсилення:

по напрузі Ku = D U2 / D U1;

по току Ki = D I2 / D I1;

за потужністю Кр = Р2 / Р1,

де U 1, U 2, I 1, I 2 - діючі (або амплітудні) напруги і струми.

Так як P 1 = U 1 I 1 і P 2 = U 2 I 2, то коефіцієнт підсилення по потужності Kp = Ku Ki.

Значення коефіцієнта посилення К у різних підсилювачів напруги може мати величину порядку десятків і сотень. Але і цього в ряді випадків недостатньо для отримання на виході підсилювача сигналу необхідної потужності. Тоді вдаються до послідовного (каскадного) включенню ряду підсилювальних каскадів (рисунок 3.2). Для багатокаскадних підсилювачів ¹ загальний коефіцієнт посилення дорівнює добутку коефіцієнтів посилення окремих каскадів. При послідовному з'єднанні декількох підсилювальних пристроїв твір їх коефіцієнтів підсилення визначає загальний коефіцієнт посилення системи, тобто

Кобщ = К1 К2 .... . До n. (3.1)

Малюнок 3.2. Структурна схема багатокаскадного підсилювача

Коефіцієнт підсилення, обчислений за формулою (3.1), являє собою безрозмірну величину. Враховуючи, що в сучасних підсилювальних схемах коефіцієнт посилення, виражений в безрозмірних одиницях, виходить досить громіздким числом, в електроніці отримав поширення спосіб вираження підсилювальних властивостей у логарифмічних одиницях - децибелах (дБ). Коефіцієнт посилення по потужності, виражений в децибелах, дорівнює

KP [дБ] = 10 lg (P 2 / P 1) = 10 lg KP. (3.2)

Оскільки потужність пропорційна квадрату струму або напруги, для коефіцієнтів підсилення по струму і напрузі можна записати відповідно:

KI [дБ] = 20 lg (I2/I1) = 20 lg KI,

KU [дБ] = 20 lg (U2/U1) = 20 lg KU. (3.2 *)

Зворотний перехід від децибел до безрозмірного числа проводиться за допомогою виразу

,

де N = 10 при розрахунку коефіцієнта посилення по потужності і N = 20 - при розрахунках по напрузі і струму.

Широкому використанню логарифмічного подання коефіцієнтів посилення сприяє і те, що багато напрямків, у яких застосовуються підсилювачі, пов'язані з технікою, що впливає на почуття людини. А сприйняття людини описуються логарифмічними залежностями. Наприклад, гучність звукового сигналу, по відчуттях людини, збільшиться в два рази при збільшенні його потужності в 10 разів.

Якщо прийняти К u = 1 дБ, то при визначенні коефіцієнта посилення по напрузі

.

Отже, посилення одно одному децибел, якщо напруга на виході підсилювача в 1,12 рази (на 12%) більше, ніж напруга на вході.

У техніці електронних підсилювачів найбільш часто розглядають коефіцієнт посилення по напрузі, тому при його написанні індекс часто опускається. Це буде робитися також у даному посібнику надалі.

Корисно пам'ятати, що подвоєння коефіцієнта посилення До означає збільшення цього показника в децибелах KдБ на 6 дБ, а збільшення K в 10 разів - збільшення КДБ на 20 дБ. Зміна коефіцієнта підсилення на 3 дБ відповідає його збільшення в Ö 2 разів, а на мінус 3 дБ - зменшення в Ö 2 разів (приблизно 0,707 від вихідної величини).

Логарифмічна міра оцінки зручна при аналізі багатокаскадних підсилювачів. Дійсно, загальний коефіцієнт посилення багатокаскадного підсилювача при переході до логарифмічним одиницям вимірювання визначається на відміну від (3.2) сумою коефіцієнтів посилення окремих каскадів, тобто

K заг [дБ] = K 1 [дБ] + + К2 [дБ] + ... + К n [дБ].

Коефіцієнти підсилення по напрузі й струму є величинами комплексними, що відображає наявність фазових зрушень підсилюється сигналу. Наприклад, для коефіцієнта посилення по напрузі маємо:

,

або

,

де Кm = (U вих / Uвх) - модуль коефіцієнта підсилення;

j = (j вих - j вх) - кут зсуву фаз між вихідним і вхідним напругами.

Зазвичай, коли розглядають коефіцієнт посилення, мають на увазі його модуль. Фазовий зсув (аргумент коефіцієнта посилення) аналізують окремо. Значення, як модуля, так і фази залежать як від величини параметрів схеми підсилювача, так і від частоти підсилюється сигналу. Для їх опису використовують так звані амплітудно-частотну і фазо-частотну характеристики.

Частотна і фазова характеристики

Амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) називається залежність модуля коефіцієнта посилення До підсилювача від частоти вхідного сигналу f (або від кругової частоти w = 2 p f).

Зразковий вид частотної характеристики зображено на рис.1.4, a.

Для осі абсцис зазвичай використовують логарифмічний масштаб. Це викликано тим, що частотний діапазон сучасних підсилювачів може бути дуже великий і, якщо застосувати лінійний масштаб по частоті, то така характеристика буде незручна для використання, так як всі нижні частоти будуть стислі біля початку координат, а область верхніх частот виявиться занадто розтягнутою. Тому при побудові амплітудно-частотних характеристик частоту по осі абсцис зручніше відкладати не в лінійному, а в логарифмічному масштабі - для кожної частоти фактично по осі відкладається величина lg f, а підписується значення частоти f.

Малюнок 3.3. Амплітудно-і фазочастотная характеристики підсилювача

Коефіцієнт посилення на графіку може бути представлений по-різному - або в абсолютних, або у відносних значеннях. Застосування відносних значень обумовлено значним технологічним розкидом значень коефіцієнта підсилення окремих зразків реальних підсилювачів. Тому для зручності взаємного зіставлення АЧХ підсилювачів з різними значеннями Км їх зазвичай нормують, представляючи вихідний параметр у вигляді відносної величини, тобто

N (ω) = K (ω) / Kmax,

де К (ω) і Km - коефіцієнт підсилення на частоті ω і максимальне значення коефіцієнта підсилення.

Дуже часто коефіцієнт посилення відкладений в децибелах. У цьому випадку, по суті, по осі ординат також використовується логарифмічний масштаб стосовно до відносного коефіцієнту підсилення (коефіцієнту підсилення, висловленим у «разах»).

Як видно з малюнка 3.3, а, при зміні частоти вхідного сигналу від нуля до нескінченності модуль коефіцієнта посилення спочатку зростає, досягаючи поступово на деякій частоті максимальної величини К0, а потім знову зменшується. Основна причина цих змін - наявність у схемі реактивних елементів. Причиною частотних спотворень є присутність у схемі підсилювача реактивних елементів - конденсаторів, котушок індуктивності, міжелектродного ємностей підсилювальних елементів, ємності монтажу і т.п. Залежність величини реактивного опору від частоти не дозволяє отримати постійний коефіцієнт посилення в широкій смузі частот.

Фазочастотного характеристикою (ФЧХ) називають залежність фазового зсуву вихідного сигналу відносно вхідного від частоти вхідного сигналу. Типовий вид фазової характеристики показаний на малюнку 3.3, б. По осі абсцис відкладаються значення частоти вхідного сигналу в логарифмічному масштабі, а по осі ординат - аргумент комплексного коефіцієнта посилення підсилювача (в градусах або радіанах) в лінійному масштабі.

На частотах, рівних нулю і прагнуть до нескінченності, створюються кінцеві фазові зрушення, так як підсилювач має у схемі кінцеве число реактивних елементів. В області середніх частот робочої смуги підсилювача фазові зрушення, як правило, незначні; в області нижніх і верхніх частот фазові зрушення зростають.

Вхідний і вихідний опору. Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних затискачів якого підключається джерело підсилюється сигналу, а до вихідних - опір навантаження. На малюнку 3.4. показана одна з можливих еквівалентних схем підсилювального каскаду, де підсилювач (>) представлений у вигляді чотириполюсника. Джерело сигналу (генератор G), що підключається до входу підсилювача, характеризується величиною ЕРС U р. і внутрішнім опором Rг. Підсилювач одночасно є навантаженням для джерела сигналу і джерелом сигналу для зовнішнього навантаження Rн.

При побудові схеми використана теорема про еквівалентному джерелі, згідно з якою будь-яку, як завгодно складну схему, завжди можна представити у вигляді джерела напруги (ЕРС) і включеного послідовно з ним резистора, відповідного вихідного опору. Це застосовано при зображенні генератора і вихідний ланцюга підсилювача. З іншого боку, вхідний ланцюг будь-якого каскаду завжди можна представити у вигляді резистора, відповідного еквівалентному вхідному опору такого каскаду, що зроблено стосовно вхідного ланцюга підсилювача і навантаження.

Малюнок 3.4. Підсилювач як чотириполюсник

Вхідний і вихідний опору - найважливіші параметри підсилювальних пристроїв. Їх значення повинні враховуватися при узгодженні підсилювального пристрої як з джерелом вхідного сигналу (датчиком), так і з навантаженням. У загальному вигляді значення вхідного і вихідного опорів носять комплексний характер і є функцією частоти. Ці залежності необхідно враховувати при аналізі впливу на вхід підсилювального пристрою неперіодичного сигналу, який характеризується широким спектром гармонійних складових. На практиці зазвичай для більшості випадків обмежуються розглядом тільки активних складових вхідного і вихідного опорів. Для них справедливі наступні вирази:

R вх = R 1 = (U 1 / I 1) при R н - const,

R вих = U 2 X / I 2 K,

де R 2 X - напруга холостого ходу на виході підсилювача (R н = ∞); I 2К - струм короткого замикання (R н = 0).

При практичному використанні підсилювачів велике значення має співвідношення величин R р. і R вх. Якщо R р <<R вх то U вх »U р. Якщо Rг>> Rвх, то Iвх »Іг. Якщо ж R вх і R г сумірні, то необхідно знати значення їх опорів для того, щоб визначити, який рівень сигналу буде діяти безпосередньо на вході підсилювача.

Розглянемо узгодження каскадів більш докладно. Скористаємося структурною схемою малюнка 3.4, вважаючи, що на ньому зображений один каскад багатокаскадного підсилювача. Джерелом сигналу (генератором G) може бути як зовнішнє джерело, так і попередній каскад. Навантаженням підсилювача може бути не тільки кінцевий пристрій (споживач), але і вхід наступного каскаду підсилювача.

З малюнка 3.4. Видно, що на вході каскаду утворюється дільник напруги генератора з резисторів R вих і R вх. Напруга U вх = I вх R вх, звідки

. (3.3)

З аналізу останнього виразу можна зробити висновок, що Uвх, завжди буде менше Uг. Для узгодження каскадів по напрузі необхідно, щоб (R вх / (R г + Rвх)) не набагато відрізнялося від 1. Цього можна домогтися, якщо буде виконуватися умова R вх>> R р. На практиці зазвичай вважають достатнім, щоб R вх> 10 Rг. Таке співвідношення між R вх і Rг відповідає погодженням каскадів по напрузі.

Для того щоб забезпечити узгодження генератора сигналу і підсилювача по струму, необхідно забезпечити умову R вих>> R вх.

При ідеальному погодження каскадів по напрузі або по струму потужність, що передається на вхід наступного каскаду, дорівнює нулю, так як за таких узгодженнях або вхідний струм, або вхідна напруга буде дорівнює нулю, отже, буде дорівнює нулю в обох випадках і вхідна потужність. Якщо ж необхідно погоджувати каскади по максимуму переданої потужності, то умова узгодження будуть іншим.

Вхідна потужність, яка надходить на вхід каскаду, дорівнює Pвх = Uвх * I вх. Висловивши U вх і Iвх через величини малюнка 3.4. отримаємо:

(3.4)

Для знаходження максимуму Рвх в залежності від співвідношень між R вх і R вих, знайдемо приватну похідну дРвх / д R вх і прирівняємо її нулю. Після простих перетворень можна отримати, що екстремум Pвх досягається, якщо R вх = R р. При такому співвідношенні між вхідним і вихідним опорами досягається максимум передачі потужності, при цьому, підставивши отримане співвідношення в (3.4), можна отримати: Pвх = U вх2 / 4 R вх або Pвх = Pг / 2.

Вихідний опір підсилювача, як зазначалося вище, комплексно, але для більшості практичних розглядів можна вважати його активним Rвих Опір навантаження підсилювача в загальному випадку позначається Rн. Для практичного використання підсилювачів велике значення має співвідношення величин R вих і Rн аналогічне співвідношенню величин Rг і Rвх у вхідному ланцюзі. Очевидно, якщо Rн>> Rвих, то у вихідному ланцюзі забезпечується узгодження по напрузі (робота в режимі холостого ходу), а при Rн <<Rвих - режим узгодження по струму (робота в режимі короткого замикання). При рівності цих величин забезпечується максимальна передача потужності в навантаження.

Як приклад розглянутої на малюнку 3.5. показана еквівалентна схема трехкаскадного підсилювача, на якій кожен каскад представлений активним чотириполюсником.

Спотворення в підсилювачах. При посиленні електричних сигналів можуть відбутися спотворення сигналу. Під спотвореннями розуміють зміну форми сигналу на виході у порівнянні з формою сигналу на вході. При цьому зміна величини сигналу в результаті його посилення (ослаблення) не враховують.

Існують досить багато причин, а відповідно до них, і типів спотворень. Найбільш важливими з них є частотні, фазові спотворення і нелінійні.

Частотними називаються спотворення, зумовлені зміною величини коефіцієнта підсилення на різних частотах.

Припустимо, що вхідний сигнал містить три частотних складових:

.

Після проходження підсилювача він буде мати вигляд:

, (3.5)

де К1, К2, К3 - коефіцієнти підсилення на частотах f 1, f 2 і f 3, відповідно;

q 1, q 2, q 3 - зсув по фазі на цих же частотах.

Якщо К1 ¹ К2 ¹ К3, то вихідний сигнал буде мати форму, відмінну від вхідного.

Частотні спотворення, що вносяться підсилювачем, оцінюють за його амплітудно-частотній характеристиці, що є залежність коефіцієнта посилення від частоти підсилюється сигналу.

Ступінь спотворень на окремих частотах виражається коефіцієнтом частотних спотворень М, рівним відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті КСР до коефіцієнта посилення Kf на аналізованій частоті f

(3.6)

Звичайно найбільші частотні спотворення виникають (допускаються) на межі діапазону частот fн і fв. Коефіцієнти частотних спотворень в цьому випадку дорівнюють

, (3.7)

де Кн, Кв - відповідно коефіцієнти підсилення на нижніх і верхніх частотах діапазону.

З визначення коефіцієнта частотних спотворень випливає, що якщо М> 1, то частотна характеристика у сфері аналізованої частоти має завал, а якщо М <1, - то підйом. Для підсилювача ідеальної частотною характеристикою є горизонтальна пряма.

Коефіцієнт частотних спотворень багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів частотних спотворень окремих каскадів

М = М1 М2 М3 ... Мп. (3.8)

Отже, частотні спотворення, що виникають в одній каскаді підсилювача, можуть бути компенсовані в іншому так, щоб загальний коефіцієнт частотних спотворень не виходив за межі заданого.

Коефіцієнт частотних спотворень, так само як і коефіцієнт підсилення, зручно виражати в децибелах:

У разі багатокаскадного підсилювача

Допустима величина частотних спотворень залежить від призначення підсилювача. Для підсилювачів контрольно-вимірювальної апаратури, наприклад, допустимі спотворення визначаються необхідною точністю вимірювання широкосмугового сигналу і можуть складати десяті і навіть соті частки децибели.

За зростанню частотних спотворень до припустимої величини, що відповідає спаду K (ω), визначають так звані нижню w н (або f н) і верхню w в (f в) граничну частоти підсилювача. Інакше, це частоти, на яких модуль коефіцієнта посилення підсилювача зменшується до допустимої (заданою) величини відносно КСР. Допустима величина спаду визначається призначенням підсилювача і може бути різною для w н і w в. Найбільш часто в якості критерію використовують спад коефіцієнта підсилення до 0,707 у порівнянні з КСР, що відповідає спаду на 3 дБ.

Смуга частот у межах від w н до w у називається робочою смугою частот, або смугою пропускання підсилювача:

ω = ω В - ω Н або D f = f в - f н

Якщо при проектуванні багатокаскадного підсилювача задана смуга пропускання підсилювача (D Fус), то смуга пропускання окремого каскаду (D Fкас) повинна бути більш широкою. При приблизно однаковою смузі пропускання каскадів повинні виконуватися наступні співвідношення:

Як видно з виразу (3.5), додатковий фазовий зсув при проходженні частотних складових сигналу через підсилювач також може призвести до спотворень, які в цьому випадку носять найменування фазових. При цьому під фазовими спотвореннями зазвичай мають на увазі лише зрушення, створювані реактивними елементами підсилювача, а поворот фази самим підсилювальним елементом до уваги не береться. Наприклад, не враховується зміна фази на 1800, яке характерне для багатьох типів, так званих, инвертирующих підсилювачів. У підсилювачах з кількома входами при подачі сигналу на одні входи зміна фази на 1800 може відбуватися, а при подачі на інші - ні ^2. Разом з тим, сигнал, проходячи по кожному з входів отримує додатковий фазовий зсув, що залежить від частоти.

Фазові спотворення, що вносяться підсилювачем, оцінюються за його фазочастотного характеристиці, що представляє собою графік залежності кута зсуву фази між вхідним і вихідним напругами підсилювача від частоти (рисунок 3.3). Фазові спотворення в підсилювачі відсутні, коли фазовий зсув лінійно залежить від частоти:

q i = t fi. (3.9)

У цьому випадку, вираз (3.5), в припущенні відсутності частотних спотворень, набуде вигляду:

,

з якого видно, що посилені частотні складові просто придбають однаковий зсув, і спотворення будуть відсутні. Коефіцієнт пропорційності t носить найменування групового часу затримки.

Ідеальною фазочастотного характеристикою є пряма, в межах робочої смуги частот (пунктирна лінія малюнка 3.3).

Нелінійні спотворення представляють собою зміну форми кривої підсилюються коливань, викликане нелінійними властивостями ланцюга, через яку ці коливання проходять. Основною причиною появи нелінійних спотворень у підсилювачі є нелінійність характеристик підсилювальних елементів, а також характеристик намагнічування трансформаторів або дроселів з сердечниками.

Поява спотворень форми сигналу, викликаних нелінійністю вхідних характеристик транзистора, ілюструє малюнок 3.6. Припустимо, що на вхід підсилювача поданий випробувальний сигнал синусоїдальної форми. Потрапляючи на нелінійний ділянку вхідної характеристики транзистора, цей сигнал викликає зміни вхідного струму, форма якого відрізняється від синусоїдальної. У зв'язку з цим і вихідний струм, а значить, і вихідна напруга змінять свою форму в порівнянні з вхідним сигналом.

Малюнок 3.6. Виникнення нелінійних спотворень

Чим більше нелінійність підсилювача, тим сильніше спотворюється їм синусоїдальна напруга, що подається на вхід. Відомо (теорема Фур'є), що всяка несинусоїдних періодична крива може бути представлена ​​сумою гармонічних коливань основної частоти та вищих гармонік. Таким чином, в результаті нелінійних спотворень на виході підсилювача з'являються вищі гармоніки, тобто абсолютно нові коливання, яких не було на вході. Ступінь нелінійних спотворень підсилювача зазвичай оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік):

, (3.10)

де Р2 + Р3 ... + Рп - сума електричних потужностей, що виділяються на навантаженні гармоніками, що з'явилися в результаті нелінійного підсилення; Р1-електрична потужність першої гармоніки.

У тих випадках, коли опір навантаження має одну і ту ж величину для всіх гармонійних складових посиленого сигналу, коефіцієнт гармонік визначається за однією з формул:

(3.11)

де I1, I2, I3 і т.д. - Діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої і т.д. гармонік струму на виході; U2, U3 і т.д. - Діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої і т.д. гармонік вихідної напруги.

Коефіцієнт гармонік звичайно виражають у відсотках, тому знайдене за формулами (3.10) і (3.11) значення Кг слід помножити на 100. Загальна величина нелінійних спотворень, що виникають на виході підсилювача та створених окремими каскадами цього підсилювача, визначається за наближеною формулою:

, (3.12)

де КГ1, Кг2 - нелінійні спотворення, що вносяться кожним каскадом підсилювача.

Нелінійні спотворення кожного каскаду, перш за все, визначаються величиною підсилюється сигналу. Тому максимальні спотворення зазвичай вносить останній крайовий каскад.

Допустима величина коефіцієнта гармонік цілком залежить від призначення підсилювача. У підсилювачах контрольно-вимірювальної апаратури, наприклад, допустиме значення становить десяті частки відсотка.

Вихідна потужність. Вихідна потужність - це корисна потужність, що розвивається підсилювачем у нагрузочном опорі. При активному характері опору навантаження вихідна потужність підсилювача дорівнює

, (3.13)

де U т вих I т вих - амплітуди вихідних гармонійних коливань.

Збільшення вихідний потужності підсилювача призводять до росту нелінійних спотворень, які виникають за рахунок нелінійності характеристик підсилювальних елементів при великих амплітудах сигналів. Тому найчастіше підсилювач характеризують максимальною потужністю, яку можна отримати на виході за умови, що спотворення не перевищують заданої (допустимої) величини. Ця потужність називається номінальною вихідною потужністю підсилювача.

Коефіцієнт корисної дії (К.П. Д). Цей показник особливо важливо враховувати для підсилювачів середньої та великої потужності, так як він дозволяє оцінити їх економічність. Чисельно К.П.Д. дорівнює

, (3.14)

де Р0-потужність, споживана підсилювачем від усіх джерел живлення.

Амплітудна характеристика. Графічна залежність амплітуди (або діючого значення) вихідної напруги підсилювача від амплітуди (або діючого значення) його вхідної напруги на деякій незмінній частоті сигналу отримала назву амплітудної характеристики (рисунок 3.7).

Амплітудна характеристика реального підсилювача не проходить через початок координат: при відсутності вхідного напруги напруга на виході не дорівнює нулю. Величина цієї напруги в реальних підсилювачах напруга визначається рівнем власних шумів підсилювача і перешкодами ^3. Основними складовими шумів підсилювача є: шуми підсилювальних елементів, теплові шуми різних ланцюгів підсилювача; шуми мікрофонного ефекту, викликані впливом на вузли і деталі підсилювача механічних поштовхів і вібрацій, фон, обумовлений впливом на ланцюзі підсилювача пульсацій напруги живлення, наведення, які визначаються впливом на ланцюзі підсилювача сторонніх джерел сигналів і джерел перешкод і т.п.

Малюнок 3.7. Амплітудна характеристика підсилювача

Шумові напруги, в силу своєї випадковості, мають самі різні частоти і фази і тому практично охоплюють всю смугу частот підсилювача. Отже, із збільшенням смуги пропускання підсилювача рівень шуму зростає. Крім того, шум тим більше, чим вище температура і більше величина опору кола, яка створює напругу теплових шумів. При температурі 20 - 25 ° С шумова напруга, що виникає в резисторі, можна знайти за формулою

, (3.15)

де частоту і опір виражають у кілогерцах і кілоомах, а результат у мікровольтах.

Всі ланцюга підсилювача створюють напругу теплових шумів, однак особливо великий вплив мають власні шуми перший підсилювальних каскадів, тому що ці шуми надалі посилюються усіма подальшими каскадами. Якщо, наприклад, вища і нижча робочі частоти підсилювача рівні 10 000 і 100 Гц, а активний опір вхідного ланцюга становить 500 Ом, то напруга теплових шумів дорівнюватиме

Рівень шумів транзисторів зазвичай оцінюють коефіцієнтом шуму, висловлюваним в децибелах і показує, на скільки децибел, транзистор, включений в ланцюг, підвищує рівень шумів в порівнянні з тепловими шумами ланцюга.

Наведені обчислення показують, що величина напруги теплових шумів дуже мала. Тому перешкоди від теплових шумів в підсилювачах позначаються лише при великих коефіцієнтах посилення і при малих величинах сигналу.

Величина загальних перешкод на виході підсилювача повинна бути значно менше напруги посиленого сигналу, інакше з хаотично змінюється напруги перешкод не можна буде виділити корисний сигнал. Зазвичай вважають, що корисний сигнал повинен перевищувати рівень перешкод не менш ніж у 2 - 3 рази (на 6-10 дБ). Цим визначається рівень мінімального вхідного сигналу U вх хв.

При великих вхідних напругах реальна амплітудна характеристика також відхиляється від лінійної (ідеальної), викривляючись через перевантаження підсилювальних елементів. (Максимальна напруга вихідного сигналу визначається напругою живлення). Однак відступ передавальної характеристики від лінійності призводить до збільшення нелінійних спотворень. Тому максимальним вхідним сигналом є сигнал, при якому нелінійні спотворення не перевищать допустимий (заданий) значення. При такому сигналі підсилювач розвиває номінальну вихідну потужність. Відповідне вихідна напруга часто називають номінальним вихідним напругою (аналогічно і - номінальна вхідна напруга, див. далі).

Таким чином, реальний підсилювач може посилювати без помітних спотворень напруги не нижче U вхмін і не вище U вх мак. У межах цього діапазону амплітудна характеристика вважається лінійною, а кут її нахилу визначає коефіцієнт підсилення.

Відношення амплітуд найбільш сильного і найбільш слабкого сигналів на вході підсилювача називають динамічним діапазоном амплітуд D. Динамічний діапазон звичайно виражають в децибелах:

. (3.15)

Номінальна вхідна напруга (чутливість). Номінальним вхідною напругою називається напруга, яке потрібно підвести до входу підсилювача, щоб отримати на виході задану потужність. Чим менше величина вхідної напруги, що забезпечує необхідну вихідну потужність, тим вище чутливість підсилювача. Подача на вхід підсилювача напруги, що перевищує номінальну, призводить до значних спотворень сигналу і називається перевантаженням з боку входу. Якщо підсилювач призначений для роботи від декількох джерел, то його вхід розраховується зазвичай на найменше напруження, яке дає одне з джерел, а інші джерела сигналу включаються через дільники напруги.

Структурна схема підсилювача

Як було сказано раніше, більшість підсилювачів складаються з декількох каскадів (підсилювальний каскад - частина, що утворює одну щабель посилення). Їх узагальнена структурна схема була приведена на малюнку 3.2. На ній можна виділити вхідний, вихідний і проміжні каскалди, які розташовуються між першими двома.

Основним завданням вхідного каскаду є узгодження електричних характеристик джерела вхідного сигналу і підсилювача. Особливості його побудови багато в чому визначаються характеристиками джерела сигналу. Наприклад, дуже часто спільні точки («земля») датчиків не мають електричного з'єднання з загальною точкою («землею») підсилювача. У цьому випадку вхідний каскад повинен будуватися за схемою диференціального підсилювача, як це схематично зображено на малюнку 3.2. Більшість первинних датчиків є малопотужними, «добре» працюють на навантаження з великим опором. У деяких випадках, датчик побудований за схемою «генератора стабільного струму», для якого необхідна навантаження (вхідний опір водного каскаду підсилювача) з порівняно невеликим опором. Все це повинно враховуватися при виборі схеми і проектуванні вхідного каскаду.

Вихідний каскад повинен забезпечити подачу в навантаження заданої потужності сигналу. Тому він зазвичай називається підсилювачем потужності. При його проектуванні безсумнівно враховуються особливості реального навантаження. Наприклад, ізольована (не допускає заземлення) навантаження може призвести до використання спеціальних схемотехнічних рішень. Так як сигнал у вихідному підсилювачі досягає максимальних величин, то при проектуванні велика увага приділяється отриманню мінімальних спотвореннях його форми.

Всі каскади між вхідним і вихідним називаються проміжними чи каскадами попереднього підсилення. Для зменшення енергетичних втрат (отримання більшого К.П. Д) виявилося вигідним покласти на них функцію максимального посилення по напрузі. Найчастіше сигнал, що приходить на крайовий каскад, має напругу такої ж величини, як і в навантаженні. Тому основна частина нелінійних спотворень, якими характеризується підсилювач, виникає в крайовому каскаді, що повинно враховуватися при його проектуванні. Кількість каскадів попереднього підсилення визначається необхідним підсиленням. Зазвичай в попередніх каскадах здійснюється необхідна обробка вхідного сигналу, наприклад, регулювання посилення, фільтрація вхідного сигналу і т.п.

Дуже часто між каскадами попереднього посилення і каскадом підсилення потужності включається так званий предоконечного каскад, завдання якого полягає в забезпеченні нормального функціонування підсилювача потужності. Наприклад, предоконечного каскад у вигляді фазоінверсного каскаду забезпечує роботу двотактного підсилювача потужності. У деяких випадках його об'єднують з підсилювачем потужності і проводять спільний розрахунок.

Характерною особливістю сучасних електронних підсилювачів є виключне різноманіття схем, за якими вони можуть бути побудовані. Однак серед цього різноманіття можна виділити найбільш типові схеми, що містять елементи і ланцюги, які найчастіше зустрічаються в підсилювальних пристроях незалежно від їх функціонального призначення.

Сучасні підсилювачі виконуються переважно на біполярних і польових транзисторах в дискретному або інтегральному виконанні, причому підсилювачі в мікроісполненіі відрізняються від своїх дискретних аналогів, головним чином, конструктивно-технологічними особливостями, схемні ж побудови принципових відмінностей не мають. При побудові підсилювальних пристроїв найбільшого поширення набули каскади на біполярних і польових транзисторах, що використовують відповідно схеми включення транзистора із загальним емітером і загальним витоком. Рідше використовуються схеми включення з загальним колектором і загальним стоком. Схеми включення із загальною базою або загальним затвором знаходять застосування тільки у вузькому класі пристроїв, наприклад у вхідних ланцюгах радіоприймальних пристроїв, що працюють в діапазоні УКВ. Розгляд таких каскадів, в силу специфіки побудови, пов'язаної з сильним впливом на їх властивості паразитних параметрів реальної конструкції каскаду, вимагає самостійного розгляду і виходить за рамки цього курсу. Тому надалі будемо розглядати тільки специфіку побудови та основні параметри каскадів, які використовують відповідно схеми включення з загальним емітером і загальним колектором для біполярних і з загальним витоком і загальним стоком для польових транзисторів.

Найменування (позначення) підсилювача виробляється у відповідності зі схемою включення транзистора: підсилювач ОЕ, ОК, ПРО, ОІ і ОЗ.

До числа таких типових підсилювальних схем слід віднести каскади підсилювачів низької частоти. Тому вивчення підсилювальних пристроїв доцільно почати саме з розгляду схем УНЧ, з'ясування принципів їх побудови, призначення окремих елементів і порядку їх розрахунку.