Аналоговые
усилители. Классификация. Основные
характеристики и параметры усилителей
Аналоговые
усилители
– это устройство для усиления сигнала
по напряжению, току, мощности, за счет
преобразований энергии источника
питания в энергию выходного сигнала.
Аналоговые усилители. Классификация. Основные характеристики и параметры усилителей
Усилителемназывается устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.
Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом Uвх, источник питания Uп и нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.
Входной сигнал Uвх управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие
Рис. 47. Структурная схема усилительного устройства
Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй – инверсным.
Классификация усилителей производится по многим признакам:
-по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;
-по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;
– по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители. Последние обеспечивают усиление в узком диапазоне частот; по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.
Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.
В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом
Основными характеристиками любого усилителя являются:
1. амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость:
. Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат;
2. амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;
3.фазово-частотная характеристика . Отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала;
4.переходная характеристика – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1) либо аппериодичным (кривая 2).
Важнейшими параметрами усилителя являются:
1.коэффициенты усиления по току KI ,
2. коэффициент усиления по напряжению KU
3. коэффициент усиления по мощности KP :
4. полоса пропускания усилителя (2
f ) – характеризует частотные свойства усилителя.
5. Входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией от частоты: ;
6. Выходная мощность усилителя – это мощность, которая выделяется на нагрузке.
7. Искажения сигналов в усилителе – это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные). Нелинейные искажения возникают в умножителе за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений.
Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.
Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом как правило является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность. При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных с ОЭ (OU) или с ОК (OC).
Усилитель
– это электронное устройство, управляющее
потоком энергии, идущей от источника
питания к нагрузке. Причем, мощность,
требующаяся для управления, намного
меньше мощности, отдаваемой в нагрузку,
а форма входного (усиливаемого) и
выходного (на нагрузке) сигналов совпадают
(рис. 9.1).
Рис.
9.1. Функциональная схема усилителя
Классификация.
Все усилители можно классифицировать
по следующим признакам:
Основным
качественным параметром усилителя
является коэффициент
усиления. В
зависимости от функционального назначения
усилителя различают коэффициенты
усиления по напряжению KU,
току KI
или мощности
KP:
где
Uвх,
Iвх
– амплитудные значения переменных
составляющих соответственно
напряжения
и тока на входе;
Uвых,
Iвых
– амплитудные значения переменных
составляющих
соответственно
напряжения и тока на выходе;
Pвх,
Pвых
– мощности
сигналов соответственно на входе и
выходе.
Коэффициенты
усиления часто выражаются в логарифмических
единицах – децибелах:
KU(дБ)=20lgKU;
KI(дБ)=20lgKI;
КР(дБ)=10lgKP.
Обычно
в усилителе содержатся реактивные
элементы, в том числе и «паразитные», а
используемые усилительные элементы
обладают инерционностью. В силу этого
коэффициент усиления является комплексной
величиной:
–сдвиг
фаз между входным и выходным напряжениями
с амплитудами
Помимо
коэффициента усиления важным количественным
показателем является коэффициент
полезного действия
где
Pист
– мощность, потребляемая от источника
питания.
Роль
этого показателя особенно возрастает
для мощных, как правило, выходных каскадов
усилителя.
К
количественным показателям усилителя
относятся также входное Rвх
и выходное Rвых
сопротивления усилителя:
где
Uвх
и Iвх
– амплитудные значения напряжения и
тока на входе усилителя;
– приращения амплитудных значений
напряжения и тока на
выходе
усилителя, вызванные изменением
сопротивления нагрузки.
Рассмотрим
основные характеристики усилителей.
Амплитудная
характеристика
– это зависимость амплитуды выходного
напряжения (тока) от амплитуды входного
напряжения (тока) (рис. 9.2). Точка 1
соответствует напряжению шумов,
измеряемому при Uвх=0,
точка 2 – минимальному входному
напряжению, при котором на выходе
усилителя можно различать сигнал на
фоне шумов. Участок 2–3 – это рабочий
участок, на котором сохраняется
пропорциональность между входным и
выходным напряжением усилителя. После
точки 3 наблюдаются нелинейные искажения
входного сигнала. Степень нелинейных
искажений оценивается коэффициентом
нелинейных искажений (или коэффициентом
гармоник):
где
U1m,
U2m,
U3m,
Unm
– амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой
гармоник выходного напряжения
соответственно.
Рис.
9.2. Амплитудная характеристика усилителя
Амплитудно-частотная
характеристика (АЧХ) усилителя
– это зависимость модуля коэффициента
усиления от частоты (рис. 9.3). Частоты
fн
и fв
называются
нижней и верхней граничными частотами,
а их разность
(fн–fв)
– полосой пропускания усилителя.
Рис.
9.3. Амплитудно-частотная характеристика
усилителя
При
усилении гармонического сигнала
достаточно малой амплитуды искажения
формы усиленного сигнала не возникает.
При усилении сложного входного сигнала,
содержащего ряд гармоник, эти гармоники
усиливаются усилителем неодинаково,
так как реактивные сопротивления схемы
по-разному зависят от частоты, и в
результате это приводит к искажению
формы усиленного сигнала.
Такие
искажения называются частотными и
характеризуются коэффициентом частотных
искажений:
где
Кf
– модуль
коэффициента усиления на заданной
частоте.
называются
соответственно коэффициентами искажений
на нижней и верхней граничных частотах.
АЧХ
может быть построена и в логарифмическом
масштабе. В этом случае она называется
ЛАЧХ (рис. 9.4), коэффициент усиления
усилителя выражается в децибелах, а по
оси абсцисс откладываются частоты через
декаду (интервал частот между 10f
и f
).
Рис.
9.4. Логарифмическая амплитудно-частотная
характеристика
Обычно
в качестве точек отсчета выбирают
частоты, соответствующие f=10n.
Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной
области определенный наклон. Его измеряют
в децибелах на декаду.
Фазо-частотная
характеристика (ФЧХ) усилителя
– это зависимость угла сдвига фаз между
входным и выходным напряжениями от
частоты. Типовая ФЧХ приведена на рис.
9.5. Она также может быть построена в
логарифмическом масштабе.
В
области средних частот дополнительные
фазовые искажения минимальны. ФЧХ
позволяет оценить фазовые искажения,
возникающие в усилителях по тем же
причинам, что и частотные.
Рис.
9.5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)
усилителя
Пример
возникновения фазовых искажений приведен
на рис. 9.6, где показано усиление входного
сигнала, состоящего из двух гармоник
(пунктир), которые при усилении претерпевают
фазовые сдвиги.
Рис.
9.6. Фазовые искажения в усилителе
Переходная
характеристика усилителя
– это зависимость выходного сигнала
(тока, напряжения) от времени при
скачкообразном входном воздействии
(рис. 9.7). Частотная, фазовая и переходная
характеристики усилителя однозначно
связаны друг с другом.
Рис.
9.7. Переходная характеристика усилителя
Области
верхних частот соответствует переходная
характеристика в области малых времен,
области нижних частот – переходная
характеристика в области больших времен.
Обратные связи в усилителях. Классификация. Влияние ос на свойства усилителя
Обратные
связи в усилителях и их влияние на
характеристики
Обратная
связь — это подача части или всего
выходного сигнала на вход усилителя.
(Подача всего сигнала — 100% ОС (обратная
связь)).
Классификация
и виды ОС:
§
ООС — отрицательная обратная связь –
такая ОС, когда сигнал ОС вычитается из
входного или когда сигнал ОС находится
в противофазе с входным (Dj = p)
§
ПОС — положительная ОС — когда Uос
суммируется с Uвх,
или когда сигнал Uос
и Uвх
совпадают по фазе (Dj = 0)
ОС
— мощное схемотехническое средство,
позволяющее изменять свойства усилителей
в широком диапазоне в сторону необходимых
параметров.
2.
ОС могут быть по току (суммируются токи),
по напряжению (суммируются напряжения).
3.
Комбинированные (по току и напряжению).
Влияние
ОС на коэффициент усиления
Кос
= – коэффициент усиления с ОС
К
= – собственный коэффициент усиления
без ОС
b
= – коэффициент передачи по цепи ОС
Uвых
— Uoc
= U0
Uoc
= b* Uвых
Uвх
= U0
+ b*k* U0
ООС
уменьшает усиление усилителя
1+bk
— глубина обратной связи
bk
— петлевое усиление — это коэффициент
передачи по цепи усилитель
— цепь — ОС
Влияние
ООС на стабильность коэффициента
усиления
В
реальных усилителях коэффициент усиления
зависит от напряжения питания, от t0C,
от режима работы, старения элементов и
др. факторов.
ku
= kmin
¸ kmax
kmax
– kmin
= Dk
dk
= – относительная нестабильность
коэффициента усиления
dk
— известна, dkoc
-?
ООС
стабилизирует коэффициент усиления
независимо от причин, вызывающих его
изменения.
При
глубокой ООС усиление определяется
цепью ОС, а т. к. обычно в цепи ОС используют
пассивные R, C, L элементы со стабильными
характеристиками, т. е. сам усилитель в
целом остается стабильным.
Влияние
ООС на нелинейные искажения усилителя
Кни
— коэффициент нелинейных искажений
ООС
уменьшает нелинейных искажений усилителя
НИ
можно рассматривать как нестабильность
k в зависимости от величины Uвх.
ООС
стабилизирует k независимо от причин,
вызывающих его изменение Þ имеет место
и стабилизация k при изменении Uвх,
т. е. уменьшение НИ.
НИ
— это появление дополнительных гормоник
внутри самого усилителя.
При
наличии ООС гармоники, пройдя цепь ОС,
вычитаются на входе Þ уменьшается их
величина Þ уменьшается Кни.
Влияние
ООС на АЧХ
Зависимость
k от w – линейные искажения.
ООС
расширяет Dw (полосу пропускания усилителя)
на глубину ОС.
Зависимость
k от w можно рассматривать как нестабильность
k от частоты. Т. к. ООС стабилизирует k Þ
стабилизация k и при изменении w, т. е. в
более широкой полосе частот.
При
наличии ООС сигнал ОС вычитается из
входного.
поддерживается
в более широкой полосе частот.
