Stfw.RuВыходные данные. К ним относятся: выходная мощность , напряжение и ток , отдаваемые усилителем на нагрузку . К выходным данным относится также выходное сопротивление .
в общем случае является комплексным, но , и обычно определяют при условиях, когда нагрузку можно считать активной и равной .
Коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:
по напряжению ; (3.1)
по току ; (3.2)
по мощности . (3.3)
Обычно коэффициенты усиления определяют в установившемся режиме при подаче на вход синусоидального сигнала.
Модули коэффициентов усиления часто выражают в логарифмических единицах – дециБелах или Неперах, определяемых соотношениями:
; ; (3.4)
; ; (3.5)
Логарифмическая мера оценок усиления особенно удобна при анализе многокаскадных усилителей. При обычной оценке общий коэффициент усиления n-каскадного усилителя , а при использовании логарифмической меры
.
Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя определяется выражением:
, (3.6)
где – мощность сигнала, отдаваемая усилителем в нагрузку;
– суммарная мощность, потребляемая усилителем от источников питания.
Искажения формы усиливаемых сигналов.
Форма сигналов на выходе усилителя отличается от формы входного сигнала. Искажения формы бывают двух типов – линейные и нелинейные.
Линейные искажения возникают, если:
спектральные составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково, т.е. искажается амплитудный спектр (изменения формы сигнала, вызванные этой причиной, называют частотными искажениями);
вносимые усилителем фазовые сдвиги изменяют взаимное расположение спектральных составляющих в выходном сигнале, т.е. искажается фазовый спектр (искажение, обусловленное этой причиной, называют фазовыми искажениями).
Характерная особенность: при линейных искажениях не возникает новых спектральных составляющих.
Для оценки вносимых усилителем частотных искажений используют его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), представляющую собой график зависимости модуля коэффициента усиления К от частоты.
Идеальной АЧХ, при которой усилитель не вносит частотных искажений, является прямая, параллельная оси абсцисс. Реальные АЧХ усилителей переменного и постоянного тока приведены на 3.1.
3.1. АЧХ усилителей переменного тока (а) и постоянного (УПТ) (б).
Вносимые усилителем частотные искажения определяются неравномерностью его АЧХ в диапазоне рабочих частот, количественно оцениваемой коэффициентом частотных искажений:
, (3.7)
где – коэффициент усиления на частоте f; – коэффициент усиления на частоте ; – коэффициент частотных искажений на частоте f.
Величину М часто выражают в дБ: .
Если частотные искажения отсутствуют, .
Полоса пропускания усилителя – диапазон рабочих частот (или ), в пределах которого коэффициент частотных искажений не превышает заданного значения. Часто полосу пропускания определяют как диапазон частот, в пределах которого коэффициент усилителя не снижается ниже уровня 0,707Кmax, что соответствует уменьшению коэффициента усиления на 3 дБ.
Фазовые искажения, вносимые усилителем, характеризуются его фазовой характеристикой, представляющей собой зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями.
Идеальной фазовой характеристикой усилителя, при которой он не вносит фазовых искажений формы сигнала, является прямая, проходящая под любым углом через начало координат ( 3.2). Это следует из материала п.2.4, где рассматривался вопрос о спектре сигнала, сдвинутого во времени относительно исходного на величину t0.
3.2. Фазовая характеристика усилителя.
Получен результат: если фазовая характеристика усилителя линейна и проходит через начало координат, то это приводит только к задержке сигнала без искажения его формы, что в большинстве случаев не является существенным в устройствах, содержащих усилители. В связи с этим вносимые усилителем фазовые искажения оцениваются не по абсолютному значению угла сдвига фазы , а по разности ординат фазовой характеристики и касательной к ней, проведенной через начало координат.
Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. Так, например, в УНЧ среднего класса радиовещательной аппаратуры допустимая величина . В специализированных измерительных усилителях величина М может иметь значения, равные сотым долям дБ.
Требования к фазовой характеристике усилителя также зависят от его назначения. Так, например, в УНЧ радиовещательной аппаратуры фазовые искажения не ограничиваются, так как слух не реагирует на изменение фазовых соотношений между гармоническими составляющими сложного сигнала. В видеоусилителях и усилителях электронных осциллографов фазовые искажения приводят к искажению формы усиливаемых сигналов, поэтому всегда ограничиваются.
Линейные искажения в импульсных усилителях
Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики усилителя определяются в установившемся режиме, поэтому не могут быть использованы для оценки искажений импульсных сигналов. Для оценки линейных искажений в импульсных усилителях используют переходную характеристику, представляющую собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при скачкообразном изменении напряжения во входной цепи усилителя. Общий вид переходной характеристики усилителя переменного тока представлен на 3.3.
Переходные искажения разделяют на искажения фронтов и искажения вершины усиливаемых импульсов.
Искажения фронта импульса характеризуют временем установления tуст и коэффициентом выброса : , где – установившееся напряжение на выходе усилителя;
, где – амплитуда первой полуволны выброса.
3.3 Переходная характеристика усилителя.
Для линейного усилителя (небольшая амплитуда на выходе) время установления и выброс на переднем и заднем фронтах импульса примерно одинаковы. При большой амплитуде, когда усилитель является существенно нелинейным устройством, tуст и Кв переднего и заднего фронтов могут существенно отличаться.
Искажение вершины оценивается коэффициентом спада вершины импульса ( п.1.2 – дополнительные параметры импульсных сигналов).
Переходная характеристика усилителя однозначно связана с его частотной и фазовой характеристиками. Однако строгие аналитические соотношения в большинстве случаев оказываются слишком громоздкими, поэтому переходные характеристики определяют либо экспериментально, либо по приближенным соотношениям.
Нелинейные искажения возникают в основном из-за нелинейности характеристик транзисторов.
3.4. Искажения, обусловленные нелинейностью входной характеристики.
3.5. Искажения, обусловленные неэквидистантностью выходных характеристик.
В обоих случаях входные сигналы являются гармоническими, а выходные, как видно из 3.4 и 3.5, – негармонические. Искажение формы сигнала приводит к искажению его спектра, при этом, чем больше искажение формы, тем больше относительная величина высших гармоник в выходном сигнале. Поэтому нелинейные искажения оценивают коэффициентом гармоник kг, представляющим собой отношение действующего значения всех высших гармоник выходного сигнала к действующему значению его первой гармоники при подключении ко входу усилителя источника гармонического сигнала:
(3.8)
В высококачественных усилителях речи и музыки . В усилителях среднего качества . В импульсных усилителях нелинейность приводит к изменению соотношения между амплитудами поступающих сигналов. В телевизионных видеоусилителях это приводит к искажению световых градаций изображения ( 3.6).
При усилении пилообразных и трапецеидальных импульсов нестабильность приводит к искажению линейных участков.
3.6. Влияние нелинейности на соотношение между амплитудами выходных сигналов.
Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя
Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость амплитуды напряжения сигнала на его выходе от амплитуды сигнала на входе.
У идеального усилителя амплитудная характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат ( 3.7).
3.7. Амплитудная характеристика усилителя.
В реальном усилителе , где – уровень собственных шумов усилителя.
При слишком больших амплитудах входного сигнала также происходит отклонение от линейности из-за перегрузки активных элементов.
Обозначим границы линейного участка амплитудной характеристики и . Тогда динамический диапазон усилителя определится выражением:
(3.9)
.
Рассмотрение динамического диапазона усилителя имеет смысл, так как входной сигнал, подлежащий усилению, имеет свой динамический диапазон . Всегда должно выполняться условие .
Примеры динамических диапазонов различных сигналов:
динамический диапазон симфонического оркестра ;
динамический диапазон человеческого голоса не превышает 50 дБ;
на выходе телефонного аппарата ;
на выходе приемника среднего качества с АМ – 30-40 дБ.
Динамический диапазон усилителей обычно составляет 40-60 дБ.
Амплитудно-фазовая характеристика – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты.
Если отложить вектор в плоскости комплексных чисел, то при изменении частоты сигнала от 0 до ∞ конец вектора опишет кривую, называемую амплитудно-фазовой характеристикой.
3.8. Амплитудно-фазовая характеристика. Рассмотренная харак-теристика используется при анализе устойчивости усилителей с отрицательной обратной связью.
