Как найти усиление сигнала

Коэффициент усиления по напряжению, току или мощности показывает, во сколько раз установившееся напряжение (ток или мощность) на выходе усилителя больше, чем на входе, и определяется как отношение напряжения (тока или мощности) на выходе усилителя к его одноименному значению на входе: Ku = Uвых/Uвх.; Кa =Iвых/Iвх; Кp = Рвых/Pвх. Зависимость К от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя.

Здесь по горизонтали отложена обычная частота f. Вместо f можно откладывать и угловую частоту Омега w (обозначается не совсем так, лучше посмотреть латинский алфавит). w= 2пf, где п – константа равная 3.14.

Для АЧХ типичным является наличие области средних частот, в которой коэффициент усиления почти не зависит от частоты и обозначается Ко.

Как правило так же обозначается и максимальный коэффициент усиления, часто эти два понятия приравнивают друг к другу. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления.

Чаще всего на АЧХ во вертикальной оси используют относительный масштаб, откладывая нормированное значение коэффициента усиления. Км=К/Ко, тогда Ко в действительности примет значение равное 1. И тогда АЧХ Км(f) называется нормированной.

Частоты, на которых относительное усиление уменьшается до условного уровня, равного 0.707 или 0.7, называют граничными: fв и fн – соответственно верхняя и нижняя. Диапазон частот от fн и fв называется полосой пропускания П= fв-fн.

Коэффициент усиления мощности можно выразить в более мелких единицах – децибелах (дБ): Кp, ДБ= 10 lgKp.

Эту запись можно преобразовать для нахождения коэффициента усиления по напряжению. Отсюда,

10 lg((U^2вых/R)/(U^2вх/R) = 20 lg Uвых/Uвх.

Уровень граничных частот можно также найти по уровню сигнала измеряемого в дБ. Чтобы найти граничные частоты, необходимо опуститься на 3 дБ.

Фазочастотная характеристика

Зависимость от частоты фазового сдвига “фи”, вносимого усилителем, называется его фазочастотной характеристикой.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала, функция, выражающая (описывающая) эту зависимость, также — график этой функции. Для линейной электрической цепи, зависимость сдвига по фазе между гармоническими колебаниями на выходе и входе этой цепи от частоты гармонических колебаний на входе.

Она показывает, что время прохождения через усилитель различных спектральных составляющих сложного колебания различно. Это приводит к искажению его формы, которые называются фазочастотными или фазовыми.

На практике ФЧХ используется реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости и сравнительной сложности измерений фазовых сдвигов. Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют.

Амплитудная характеристика

Так же существует еще такой параметр как амплитудная характеристика (АХ), не стоит путать с АЧХ.

Амплитудная характеристика (АХ) — зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала устройства.

Как правило, амплитудная характеристика определяется при гармоническом входном сигнале и используется для оценки линейности устройств.

Нелинейность АХ приводит к искажению формы сигнала на выходе канала из-за влияния появляющихся гармоник. Поэтому рабочую точку (РТ) выбирают на линейном участке АХ.

Стоит пояснить, что “бета” называю коэффициентом связности или коэффициентом передачи. Остальное должно быть понятно исходя из сокращений.

Переходная характеристика

Переходная характеристика (ПХ) – отражает зависимость мгновенного значения выходного напряжения или коэффициента усиления от времени при подаче на вход усилителя единичного скачка напряжения.

Зная одну из характеристик, всегда можно получить оставшиеся две. Физически это означает, что форма АЧХ, ФЧХ, ПХ определяется одними и теми же элементами схемы. Так, эквивалентные схемы, описывающие поведение каскада в области верхних частот (ВЧ), соответствуют схемам для области малых времен. А схемы для области нижних частот (НЧ) – схемам для области больших времен.

Коэффициент усиления.

В
зависимости от целевого назначения
усилители имеют коэффициенты:

а)
усиления по току Кi
=Iвых/Iвх;

б)
усиления по напряжению Кu
= Uвых/Uвх;

в)
усиления по мощности Кр
= Pвых/Pвх,
где Iвых
– ток в нагрузке, Iвх
– ток, потребляемый от входного источника
сигнала ec , Рвых
мощность, выделяемая в нагрузке, Pвх
– мощность, потребляемая от входного
источника ec.

Для
многокаскадных усилителей общий
коэффициент усиления равен произведению
коэффициентов усиления отдельных
каскадов:

К=K₁
К₂
…
К_n, (13.1)

где
n
– число каскадов.

Часто
коэффициенты усиления выражают в
логарифмических единицах децибелах –
дБ, что позволяет заменить произведение
коэффициентов усиления суммой их
логарифмов и строить логарифмические
амплитудно–частотные характеристики
(ЛАЧХ) усилителей. Такой подход позволяет
исследовать и синтезировать усилители
с заданными амплитудными и частотными
характеристиками.

Коэффициенты
усиления в децибелах:

Ku=20lgKu=20
lg(Uвых/Uвх);

Ku=20lg(Iвых/Iвх);

Ku=10lg(Pвых/Pвх); (13.2)

Полоса
пропускаемых частот (полоса пропускания)
усилителя. Полосой
пропускания называются тот диапазон
частот, в пределах которого усилитель
обеспечивает заданную величину
коэффициента усиления (не ниже чем в
корень из 2–х раз от максимального).

Диапазон
частот ограничивается верхней и нижней
граничной частотами, за пределами
которых частотная характеристика
усилителя снижается ниже допустимого
уровня. Снижение (завал) частотной
характеристики происходит из–за наличия
в схеме усилителя реактивных элементов,
сопротивление которых зависит от частоты
сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Идеальная
амплитудно–частотная характеристика
усилителя имеет форму прямоугольника
с основанием равным полосе пропускания
усилителя и высотой равной Ко.
Реальная частотная характеристика в
силу указанных выше причин приобретает
вид, изображенный на рис. 2-2

Рис13-2
Амплитудно-частотная характеристика
усилителя

На
амплитудно–частотную характеристику
усилительного каскада наибольшее
влияние оказывают две емкости: емкость
разделительного конденсатора
и паразитная емкость, нагружающая каскад
по переменной составляющей выходного
сигнала –Первая
из них включена последовательно с входом
каскада, вторая – параллельно выходу
каскада.

Поскольку
емкостное сопротивление конденсатора
определяется частотой сигнала:

,
(13.3)

то
ёмкость C₁
снижает усиление каскада в области
нижних частот, а емкость С₂
– в области верхних частот. На средних
частотах влиянием емкостей С₁
и С₂
можно пренебречь и поэтому усиление
каскада будет максимальным.

Чувствительность
усилителя.Чувствительность
усилителя определяется той минимальной
величиной тока или напряжения на входе
усилителя, при которой на выходе усилителя
создается номинальная мощность. Под
номинальной мощностью обычно понимают
мощность, при которой искажения не
превышают допустимой величины при
работе на расчетную нагрузку.

Собственные
шумы усилителя. Собственными
шумами усилителя называются сигналы
на выходе усилителя, которые существуют
и при отсутствии полезных сигналов на
входе усилителя.

Возникают
собственные шумы в результате теплового
перемещения зарядов на сопротивлениях
и хаотического движения носителей
зарядов в области базы транзистора.

Оцениваются
собственные шумы по шумовому фактору,
равному отношению мощности шума на
выходе усилителя к произведению к
мощности шума на входе усилителя,
помноженному на коэффициент усиления:

Динамический
диапазон частот. Динамическим
диапазоном усилителя называется
отношение величины максимального
допустимого сигнала на входе усилителя
к минимально – допустимому сигналу на
его входе и обычно оценивается в
децибелах. Определяется
он по линейной части амплитудной
характеристики усилителя рис. (2-3)

Амплитудная
характеристика усилителя не линейна
как в области малых, так и в области
больших сигналов. В области малых
сигналов отклонения от прямой линии
связаны с собственными шумами усилителя,
в области больших сигналов – с нелинейными
искажениями, вносимыми активными
усилительными элементами (в основном
– перегружающимися транзисторами) при
выходе рабочей точки за пределы линейного
участка характеристики.

Нелинейные
искажения. Нелинейными
искажениями называют искажения формы
усиливаемого сигнала в результате
нелинейности вольтамперных характеристик
отдельных элементов схемы усилителя
(например, транзисторов, катушек
индуктивности с ферромагнитными
сердечниками и т.д.). Причиной появления
значительных нелинейных искажений
может быть или неправильный выбор
начального положения рабочей точки
транзистора, или чрезмерно большая
величина входного сигнала, или неправильно
рассчитанная индуктивность.

Проявляются
нелинейные искажения в том, что при
подаче на вход усилителя чисто
синусоидального сигнала, на его выходе
появляются новые гармонические
составляющие, искажающие форму
первоначального сигнала.

Оцениваются
нелинейные искажения по коэффициенту
гармонии, равному отношению геометрической
суммы n напряжений высших гармоник Ui к
амплитуде первой гармоники U₁
на выходе усилителя:

(13.4)

В
практических расчетах обычно ограничиваются
несколькими первыми гармониками,
поскольку амплитудные значения гармонии
более высоких порядков незначительны.

Линейные
искажения. К
линейным искажениям относятся частотные
и фазовые искажения. Частотные искажения
оцениваются по амплитудно–частотной
характеристике усилителя (см. рис.2-2).

Мерой
частотных искажений служит коэффициент
частотных искажений, определяемый как
отношение коэффициента усиления на
средних частотах к коэффициенту усиления
на данной частоте.

Обычно
при расчетах значения коэффициентов
на данных граничных частотах принимаются
равными друг другу. В этом случае
коэффициент частотных искажений
определяется как:

(5)

Фазовые
искажения возникают в результате
неодинакового времени прохождения
отдельных гармонических составляющих
сложного сигнала через реактивные
элементы схемы усилителя.

В
результате на выходе усилителя образуются
фазовые (во времени) сдвиги гармонических
составляющих

График
зависимости угла сдвига фаз от частоты
усиливаемого сигнала называется фазовой
характеристикой усилителя.(рис.13-4)

Рис13-3Амплитудная
характерисика усилителя

Рис.13-4
Фазовая характеристика усилителя.

Переходные
искажения. Переходные
искажения играют существенную роль в
импульсном усилителе. Эти искажения
вызваны переходными процессами в цепях
усилителя содержащих реактивные
элементы, а также инерционностью активных
усилительных элементов (рис. 13-5).

Переходные
искажения оцениваются по переходным
характеристикам усилителя, представляющим
собой зависимость мгновенного значения
выходного напряжения от времени при
подаче на вход усилителя единичной
ступени напряжения (скачка напряжения)
Uвх.

Переходные
искажения подразделяются на искажения
фронтов и вершин усиливаемых импульсов.
Искажения фронтов импульса характеризуются
временем установления – t_ф
, т.е. временем, в течение которого
амплитуда выходного сигнала возрастает
от 0,1 до 0,9 своего максимального значения.
Искажения плоской вершины выходного
импульса характеризуются выбросом 
и спадом плоской вершины импульса
.

Рис.13-5.
Переходная характеристика усилителя

Перед
рассмотрением вопроса принципа работы
усилителного каскада необходимо
рассмотреть динамические характеристики
усилительного каскада, в котором
транзистор включен по схеме с ОЭ и когда
вход и выход схемы подключены к источникам
смещения
и.(рис
13-6)

Рис.
13-6 Простейшая схема усилительного
каскада, включенного по схеме с ОЭ.

Если
на вход не подан сигнал, то
по второму закону Киргофа

(13.6)

или

(13.7)

Это
уравнение динамического режима или
уравнение нагрузочной прямой.

Принцип
работы усилительного каскада. Принцип
работы усилителя рассмотрим на примере
усилительного каскада (рис. 13-7)

Здесь
происходит усиление как по току, так и
по напряжению.

а

,
следовательно

,
т.е.
и

Рис.
13-7 Принцип работы усилительного каскада

Пусть
на выход подаётся синусоидальный сигнал.

(13.8)

Если
на вход подаётся положительный потенциал,
то транзистор закрыт (отсечка), тогда
,
т.к.(см. уравнение 7.) Если на базу подаётся
отрицательный потенциал (участок ав),
то транзистор открыт (насыщение), тогдаповторяет,
но с большей амплитудой и в противофазе

(13.9)

Итак,
при подаче на вход усилительного каскада
небольшого переменного напряжения
на выходе получается усиленный источником
питаниясигнал той же формы. Однако амплитудане может превысить.
Таким образом, имея транзистор можно
при помощи маломощного источника
переменного входного напряжения,
управлять энергией источника питания
().
Если к усилительному каскаду добавитьRб₁,
а так же термостабилизирующую цепочку
Rэ
и Сэ, то получают полную схему одиночного
усилительного каскада. (рис. 13-8). Также
усилители имеют частотный спектр сигнала
от десятков Гц до десятков кГц и называются
усилителями низкой частоты (УНЧ).

Рис.
13-8. Полная схема одиночного усилительного
каскада с общим эмиттером (УНЧ).

силенный
источником питания нияа на бациал
(0ф00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

1)
и– резисторы, которые образуют делители
напряжения питания.

Прежде
чем подать на вход схемы переменное
входное напряжение, необходимо обеспечить
определённый режим работы транзистора
по постоянному току. Эммитерный p-n
– переход смещен в прямом направлнии
(,
а коллекторный – в обратном.
Напряжение от,
падающее на,
создает,
определяющее рабочую точку А.

Обычно
.
В этом случае при изменениинапряжение смещения на базе остается
постоянным, что обеспечивает активный
режим транзистора.

Сопротивление
делителя:

;


(13.10)

2)

–
резистор нагрузки, обемпечивающий режим
работы транзистора. На
выделяется мощность усиливаемого
сигнала.

3)
и– разделительные конденсаторы.не дает возможности постоянному току
протекать через источник входного
сигнала.–
на пропускает постоянную составляющую
тока в следующий усилителный каскад.

4)
–
цепочка предназначена для термостабилизации
режима работы усилительного каскада.

Усилитель
низкой частоты с двумя каскадами усиления
(УНЧ). На
рис. 13-9 представлена схема УНЧ, которая
состоит из двух усилительных каскадов
с электроёмкостной связью и применяется
в уселителях переменного напряжения.
Разделительные конденсаторы С₁
и С₂
служат для того, чтобы на вход следующего
каскада подавалась только переменная,
составляющая коллекторного напряжения,
предыдущего каскада. Остальные элементы
имеют такое же назначение как и элементы
полной схемы усилительного каскада
(рис. 2-8).

Рис.
13-9. Схема усилителя низкой частоты с
двумя каскадами.

Схема
замещения усилительного каскада.
На рис. 13-10 представлена эквивалентная
схема усилительного каскада с ОЭ.

Рис.
13-10. Схема замещения усилительного
каскада с ОЭ. (А – управляющий источник
тока базы, Rн-
эквивалентное сопротивление нагрузки).

В
этой схеме
–
это эквивалентное сопротивление
усилителя. Сопротивление первого каскадаRн,
которое равно входному сопротивлению
второго каскада легко можно рассчитать
пользуясь рис.13-20.

Динамическая
характеристика каскада усилителя и
режимы его работы.
Рабочая точка. Построение выходной
характеристика позволяет определить
ток, протекающий по цепи и, следовательно,
падение напряжений на каждом участке
цепи.

Для
построения выходной характеристики
(нагрузочной линии) (рис. 13-11а) на семействе
выходных статических характеристик
можно воспользоваться методом холостого
хода и короткого замыкания. При коротком
замыкании транзистора ток в цепи
нагрузки будет равен
(точка
на оси ординат), а при холостом ходе ток
в цели будет равен 0, на резисторе R
не будет падения напряжения и напряжение
на коллекторе транзистора будет равно
напряжению питания
(точка
на оси абсцисс).

Прямая,
соединяющие точки 
и 
и будет динамической характеристикой
(или нагрузочной линией). Рабочая точка
А – это точка пересечения нагрузочной
прямой с выбранным значением Iб.

Для
определения входного напряжения (Uбэ)
строят входную динамическую характеристику
на семейство входных статистических
характеристик (рис. 13-11а).

В
состоянии покоя (Uвх=0),
в цепи БЭ протекает ток покоя Iбо,
а напряжение Uбэ=Uбо.
Это электрическое состояние входной
цепи каскада можно изобразить в виде
точки С на входной динамической
характеристике и ей соответствует
выходной динамической характеристике
также точка С (Uко,
Iко).
Также точка называется рабочей точкой.
Если Uвх
превышает величину, составляющую
линейному участку 1,2 входной динамической
характеристики, то возникает искажение
форм входного сигнала.

РИС.13-11.Режимы
работы усилительного каскада.

Пересечение,
полученной нагрузочной линии и
вольтамперной характеристики транзистора
по заданным базовым током Iбр,
определяемым величиной резистора в
цепи базы Rб
, задает начальное положение рабочей
точки С,
координаты которой характеризуют ток
покоя Iкр,
протекающий по цепи и падение напряжений
на каждом из участков цепи (на активном
сопротивлении U_Rk
и на транзисторе Uкэп.

При
появлении на входе усилительного каскада
сигнала переменного напряжения Uвх,
постоянный ток в цепи базы начнет
алгебраически суммироваться с изменяющимся
током входного сигнала. Рабочая точка
С
при этом начнет перемещаться по
нагрузочной линии в пределах, определяемых
амплитудой тока входного импульса.
Перемещение рабочей точки С
будет вызывать изменение коллекторного
тока Iк
и коллекторного напряжения Uкэ.
Если
перемещение рабочей точки не достигнет
пределов, отмеченных цифрами 1 и 2 на
нагрузочной линии, то усиленный ток в
выходной цепи транзистора будет протекать
через резистор Rk
в течение всего периода изменения
входного сигнала. Транзистор при этом
будет работать в активной области, без
отсечки или насыщения коллекторного
тока. Такой режим работы транзистора
называется режимом усиления малого
сигнала или режимом усиления класса
«А»
(иногда режим усиления называют классом).

Если
же рабочая точка в результате
соответствующего выбора ее начального
положения или слишком большой амплитуды
входного сигнала окажется в области
насыщения, то на оба перехода транзистора
попадет смещение в прямом направлении,
оба р–n
перехода транзистора полностью откроются
и транзистор почти целиком будет
пропускать коллекторный ток. Причем
дальнейшее увеличение амплитуды входного
сигнала уже не будет вызывать дальнейшего
увеличения коллекторного тока. При
положении рабочей точки в области
отсечки оба р–n
перехода транзистора закроются. Он
скажется в запертом состоянии и
практически не будет пропускать
коллекторный ток.

Рис.13-11а.
Работа каскада в режиме усиления класса
«А»

Таким
образом, в зависимости от начального
положения рабочей точки и амплитуды
входного сигнала, ток в нагрузке может
протекать либо в течение всего периода
изменения входного сигнала, либо в
течение какой–то определенной части
этого периода.

В
зависимости от этого различают три
основных режима усиления классов: «А»,
«В»,
«С»,
«АВ», «Д».

Количественно
режимы усиления характеризуются
величиной угла отсечки .
Под углом отсечки понимают половину
той части периода, в течение которой
протекает ток через выходную цепь
усилительного элемента.

Очевидно,
что для режима усиления класса «А»,
рассмотренного выше, угол отсечки 
составляет 180°. В режиме усиления класса
«В»
угол отсечки составляет 
– 90°, в режиме усиления класса «С» угол
отсечки 
меньше 90°.

Режим
усиления класса «А»
обеспечивает минимальные искажения
усиливаемого сигнала, однако он
неэкономичен по расходованию энергии
источников питания, поскольку в этом
режиме постоянная составляющая тока
все время проходит через выходную цепь
усилительного каскада. Поэтому
транзисторные схемы, работающие в режиме
усиления класса«А»,
применяются в основном каскадах
предварительного усиления.

В
каскадах усиления мощности, в тех
случаях, когда в нагрузку требуют отдать
наибольшую мощность усиливаемого
сигнала при минимальном расходовании
энергии источников питания, применяется
режим усиления класса«В»,
обладающий высоким коэффициентом
полезного действия (до 70–75%).

Поскольку
усилительные каскады, работающие в
режиме усиления класса «В»,
пропускают только одну полуволну
усиливаемого напряжения, то в выходных
каскадах усилителей применяют двухтактные
симметричные каскады, позволяющие
получить высокий коэффициент полезного
действия при допустимых нелинейных
искажениях. (рис. 13-12).

Рис.
13-12. Работа усилительного каскада в
режиме усиления класса «В».

Режим
класса «С» применяют в мощных усилителях.
Этот режим характерен тем, что ток
коллектора протекает в течении промежутка
времени, которое меньше периода входного
сигнала, а ток покоя не наблюдается ()
рис. 13-13.

Рис.
13-13. Работа каскада в режиме усиления
класса «С».

Стабилизация положения рабочей точки.
Основные свойства усилительного
каскада определяются положением начала
рабочей точки, которые задаёт ток покоя
выходной цепиIок. Поэтому
при изменении температуры, замене
активного элемента и т.д. положение
рабочей точки не должно изменяться.

Эмиттерная стабилизация.Такая
стабилизация осуществляется ООС по
постоянному току. Напряжение ОС снимается
с резистораRэ, который
включен в цепь эмиттера. С изменением
температуры изменяется ток коллектораIок и ток покоя эмиттераIоэ и, например, они
увеличиваются. Рабочая точка должна
подняться вверх, но этого не произойдёт,
т.к. напряжение смещенияUоб
уменьшится и при этом уменьшатся и токи
транзистора, а рабочая точка останется
на месте.

Коллекторная стабилизация. Такая
стабилизация осуществляется ООС по
напряжению. Если напряжение подать
черезRб, который находится
между коллектором и базой, тоUоб
очень мало и им можно пренебречь, а при
увиличении, например, температуры, и
следовательно увеличениюIок,
напряжение на резисторе (Rб*Iоб)
уменьшится, т.е. уменьшитсяIоб,
а это в свою очередь не допустит увеличение
токаIок.

Обратная связь в усилителях. Обратной
связью в усилителях (ОС) называют передачу
электрического сигнала с выхода усилителя
на его вход (рис. 13-14).

Коэффициент передачи цепи обратной
связи:

, (13.11)

который показывает, какая часть выходного
сигнала передаётся на вход усилителя.

Рис. 13-14. Обратная связь в усилителях.

Коэффициент усиления по напряжению при
отсутствии обратной связи:

………………………………………………………….(13.12)

Различают в усилителях положительную
и отрицательную связь.

ОС называется положительной, если Uос
совпадает по фазе сUвх и
суммируется с ним. Коэффициент усиления
усилителя……………………….(13.13)

При ПОС коэффициент усиления увеличивается,
но увеличиваются все виды искажений.
ОС называется отрицательной, если Uос
иUвх находятся в противофазе
и взаимно вычитаются.

……………………………(13.14)

При ОС коэффициент усиления уменьшается
и уменьшает все виды искажений, увеличивает
Rbxи стабилизирует работу
схемы.

В зависимости от присоединение ОС к
входу усилителя различают: ОС
последовательную по напряжению (рис.
13-15А), последовательную по току (рис.
13-15В), параллельную по напряжению (рис.
13-15Б), параллельную по току (рис13-15Г) и
последовательную комбинированную
(рис.13-15д).

Рис. 13-15 . Обратная связь в усилителях.

Трансформаторные усилители мощности.
Усилители мощности используются для
передачи в нагрузку максимальной
мощности и в этой связи следует иметь
в виду, что важным параметром схемы
является коээициент полезного действия
(КПД). КПД таких устройств должен быть
высоким, что достигается при определённом
соотношении между сопротивлением
нагрузки и выходным сопротивлением.
Эти соотношения достигаются при включении
в схему усилителя трансформаторов и в
конечном итоге усиление мощности зависит
от коэффициента трансформации выходного
трансформатора. Трансформаторные
усилители мощности работают в режиме
А,В и АВ.

Однотактный трансформаторный усилитель
мощности. Однотактные усилители
мощности применяются для относительно
малых выходных мощностях (4-5 Вт). Примером
усилителя мощности является однотактный,
который включается по схеме с ОЭ. (рис.
13-16).

рис. 13-16. Однотактный трансформаторный
усилитель мощности.

Однотактные усилители мощности работают
в режиме усиления «А», который
характеризуется тем, что через транзистор
ток проходит в течение всего периода.
Максимальное мгновенное коллекторное
напряжение Uкm(рис.13-11)может значительно превышать
(почти в 2 раза)Ekза счёт
ЭДС самоиндукции в обмотках трансформатора.
Тогда на первичную обмотку ТР₂будет подаваться мощность равна:

Р=0,5 Ukm/Ikm……………………….(13.15)

Мощность на нагрузке составляет

Pн=P*КПД, ………………………..(13.16)

где КПД трансформатора составляющая
0,75÷0,95.

Мощность, которая потребляется усилителем
от источника питания

Рп=EкIкн ………………………..(13.16а)

Отношения Р к Ру для реальных схем
составляет 0,3÷0,35.

Тогда КПД усилителя есть отношение Pн
кPп.

Как показывают расчёты теоретический
КПД усилителя равен 50%, а реальный КПД
30%÷35%.

Двухтактные трансформаторные усилители
мощности. Двухтактный трансформаторный
усилитель мощности может работать в
схемах с ОЭ и с ОБ и в режимах классов
А, В, АВ. рассмотрим схему двухтактного
усилителя мощности в схеме с ОЭ и в
режиме класса В (рис.13-17).

Рис. 13-17. Двухтактный трансформаторный
усилитель мощности.

Если на базу подаётся отрицательная
полуволна входного сигнала, то транзистор
открыт, а при подаче положительной
полуволны – транзистор заперт и таким
образом в режиме класса В через транзистор
проходит ток только в течение полупериода.
Электрические токи в первичной обмотке
выходного трансформатора за оба
полупериода будут направлены встречно
и поэтому во второй обмотке ток будет
синусоидальным заданной увеличенной
амплитуды. Применение класса В позволяет
увеличить КПД схемы до 80% за счёт
уменьшения потерь мощности в транзисторах.
Нелинейные искажения могут быть уменьшены
за счёт создания незначительного
смещения входной цепи в цепи базы.

Следует заметить, что для снижения
нелинейных искажений следует применять
для усилителей режим класса АВ, но КПД
при этом снижается.

Бестрансформаторный усилитель
мощности. Схема двухтактного усилителя
мощности на транзисторахp-n-pиn-p-nпоказана на рис. 13-18.

Рис. 13-18. Схема двухтактного усилителя
мощности.

Транзисторы VT1 иVT2
усилителя работают в режиме класса В
аналогично как в двухтактном
трансформаторном усилители. При
поступлении на вход положительной
полуволныVT1 работает в
режиме усиления, аVT2 в
режиме отсечки. При подаче на вход
отрицательной полуволны транзисторы
меняются ролями. Максимальная мощность
на нагрузкеRн:

(13.17)

Чтобы уменьшить нелинейные искажения
следует применять для таких усилителей
режим класса АВ.

3.1. Коэффициент усиления усилителя

3.2. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Помехи в усилителях

3.3. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики

3.4. Нелинейные искажения

3.5. Временные характеристики усилителя

3.1. Коэффициент усиления усилителя

Всякий усилитель имеет две пары входных клемм и его можно представить в виде четырёхполюсника связи рис. 2.2 и рис. 2.6:

Рис. 2.6. Усилитель как четырёхполюсник связи

Отношение выходного напряжения U_ВЫХ к входному напряжению принято называть коэффициентом усиления по напряжению:

где: ; φ_н = φ_н.вых – φ_н.вх — учитывает изменение фазы сигнала при усилении. Аналогично, коэффициент усиления по току К_Т равен:

;

φ_т = φ_т.вых – φ_т.вх — учитывает изменение фазы тока при усилении.

Выходной ток I_ВЫХ, как видно из рис. 2.6, равен:

Влияние выходного сопротивления усилителя учитывается с помощью коэффициента усиления по ЭДС (сквозной коэффициент усиления)

Сквозной коэффициент усиления можно определить и по другому:

;

где – коэффициент передачи входной цепи. Приведённые коэффициенты усиления по напряжению и току являются безразмерными величинами. Иногда используются величины:

и

Называется сопротивление передачи (Z_T) и крутизны (D) усилителя и имеющие размерность [Ом] и [См]. Усиление усилителя по мощности К_М равно:

;

В технике связи коэффициенты усиления обычно выражают в логарифмических единицах (децибелах) обозначая их соответственно:

3.2. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Помехи в усилителях

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ). Она имеет вид, показанный на рис. 2.7:

Рис. 2.7. Амплитудная характеристика усилителя

Как видно из рис. 2.7амплитудная характеристика имеет три участка: два нелинейных (I и III) и линейный участок (II). Первый участок обусловлен влиянием собственных помех усилителя, а третий – нелинейностью характеристик усилительных элементов. Рабочим участком является второй. Он позволяет определить минимальное U_{ВХ. min} и максимальное значение входного сигнала. Отношение входных напряжений определяет динамический диапазон усилителя:

;

По амплитудной характеристике можно найти напряжение собственных помех U_{ПОМ.ВЫХ} усилителя при U_ВХ = 0. Это напряжение представляет сумму напряжений собственных шумов усилительных элементов усилителя, напряжение тепловых шумов резисторов, наводок, пульсаций источника питания (питание от сети). Собственные помехи усилителя характеризуют часто коэффициентом шума:

[дБм]

где Р_{ПОМ.ВЫХ.ИД.} – мощность собственных помех на выходе усилителя, элементы которого обладают помехами теплового происхождения.

Угол наклона характеристики α характеризует усилительные свойства усилителя. При большом коэффициенте усиления амплитудная характеристика идёт круче (угол α больше).

Коэффициент усиления и фаза любого усилителя зависят от частоты. Зависимость коэффициента усиления K(f) называется амплитудно-частотной характеристикой, а аргумента φ(f) фазо-частотной характеристикой. Их часто обозначают сокращенно: АЧХ и ФЧХ соответственно.

Форма сигнала после его усиления может быть сохранена в том случае, если усилитель является идеальным (т.е. не вносит искажений). Искажения будут отсутствовать, если в диапазоне частот, соответствующем спектру этого сигнала (от f_Н до f_В) АЧХ и ФЧХ будут иметь вид показанный на рис.2.8 и 2.9 соответственно.

В реальных усилителях эти условия обычно не выполняются. Отличие реальных характеристик от идеальных определяют амплитудно-частотные фазо-частотные искажения усилителя.

Рис. 2.10. Зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты

Количественно амплитудно-частотные искажения на любой частоте f_i определяются коэффициентом амплитудно-частотных искажений M_i (индекс i показывает частоту f_i):

;

Здесь К_Ф = К₀ – коэффициент усиления в области средних частот. Часто коэффициент амплитудно-частотных искажений определяют в логарифмических единицах:

М_i = 10^0,05·∆Si

В технике МСП часто используют усилители, частотные характеристики усиления которых имеют заданную форму, отличную от идеальной. В данном случае задаются допустимым отклонением коэффициента усиления реального усилителя от номинального значения на различных частотах рабочего диапазона. На рис. 2.11 показана заданная частотная характеристика (пунктирная линия) и характеристика реального усилителя (сплошная линия).

Рис. 2.11. АЧХ группового усилителя МСП ∆S – допустимые отклонения АЧХ

Во многих случаях допустимые фазо-частотными искажениями усилителя вообще не задаются, поскольку они не имеют значения. Чаще используют характеристику неравномерности группового времени распространения ∆t_ГР(f):

∆t_{ГР. i} = t_{ГР. i} – t_{ГР. МИН.}

Где t_{ГР. i} – абсолютное время задержки сигнала усилителем на данной частоте; t_{ГР. МИН.} – абсолютное время задержки, определённое на той частоте рабочего диапазона, усилителя, где оно минимально. Величина t_ГР(f) связана с ФЧХ уравнением:

Т.о. t_ГР(f) соответствует крутизне ФЧХ усилителя на данной частоте.

3.4. Нелинейные искажения

Элементы схемы усилителя в определённой степени зависят от воздействующего на них напряжения (тока) и, следовательно, обладают некоторой нелинейностью. Наиболее значительной нелинейностью обладают усилительные элементы, индуктивности и ферромагнитными сердечниками, трансформаторы. Нелинейность элементов схемы приводит к тому, что зависимость выходного напряжения усилителя от входного также становится нелинейной, рис. 2.12:

Рис. 2.12. Влияние нелинейности характеристик усилительного элемента на форму выходного сигнала.

В результате на выходе усилителя появляются спектральные составляющие, которые отсутствовали в исходном сигнале.

В многоканальной системе передачи нелинейность характеристик не только искажает передаваемую информацию, но вызывает дополнительные помехи, т.к. сигналы одних каналов могут образовывать спектральные составляющие, попадающие в полосу частот сигналов других каналов. Количественная оценка нелинейных искажений в усилителе производится с помощью коэффициента нелинейных искажений К_Г, равно:

;

где U1_Г, U_2Г, … , U_nГ – амплитуды напряжений 1, 2, … , n-й гармоник, возникающих на выходе усилителя при подаче на его вход синусоидального напряжения.

В технике МСП часто оценивают степень нелинейности по 2-ой и 3-ей гармоникам:

; ;

или в логарифмических единицах – затуханием нелинейности (в децибелах) по соответствующим гармоникам:

Установлено, что при возрастании уровня сигнала на выходе усилителя на ∆p:

затухание по i-ой гармонике уменьшается на величину (i – 1)·∆p, дБ:

На рис. 2.13 приведены зависимости затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам от выходного уровня сигнала.

Рис. 2.13. Зависимость затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам от выходного уровня сигнала

Отметим, что затухание A’_i2 справедливо лишь при малой нелинейности усилителя, т.е. до определённого значения Р_{ВЫХ. МАКС}. Нужно иметь ввиду, что основная доля нелинейных искажений возникает за счет выходного каскада усилителя, поэтому нелинейными искажениями за счет предварительных каскадов, обычно приобретают. Заметим, что величины А_2Г0 и А_3Г0 соответствуют выходной мощности Р_ВЫХ = 1 мВт.

3.5. Временные характеристики усилителя

При передачи импульсных сигналов в усилителях возникают искажения, обусловленные нестационарными (переходными) процессами из-за наличия в нём реактивных элементов (емкостей и индуктивностей). Для оценки этих искажений пользуются временными характеристиками: переходной и импульсной.

Переходной характеристикой h(t) усилителя называется зависимость мгновенного значения напряжения на его выходе от времени U_ВЫХ(t) при подаче на вход напряжения в виде единичной функции 1(t). Различают переходную характеристику для малых и больших времён. На рис. 2.14 приведена h(t) для малых времён.

Рис. 2.14. Зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на вход единичной функции 1(t) в области малых времен

Характеристика для малых времён определяет вид искажений фронтов импульсного сигнала. Реальная переходная характеристика для малых времён чаще всего изменяется по закону экспоненты, рис. 2.14 а). Реже переходный процесс сопровождается колебательным процессом, рис.2.14 б). Меру искажения импульсного сигнала определяют по времени установления t_УСТ. Время в течение которого напряжение на выходе изменяется от 0,1 до 0,9 от установившегося значения:

t_УСТ = t₂ – t₁;

При колебательном процессе t_УСТ меньше, но при этом появляются дополнительные искажения в виде выброса δU_ВЫХ:

.

Отметим, что искажение фронтов заметны при усиление импульсов малой длительности. При усилении импульсов большой длительности важно знать – насколько долго усилитель может сохранять постоянное напряжение на выходе, после подачи на вход усилителя единичной функции 1(t), рис 2.15.

Рис. 2.15. Зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на вход единичной функции 1(t) в области больших времен.

Реальная h(t) для больших времён чаще всего спадает плавно. Искажения оцениваются величиной спада:

Искажения импульсных и гармонических сигналов взаимосвязаны. Те и другие обусловлены реактивными элементами схем и инерционностью работы усилительных элементов. Поэтому эти искажения называются линейными.

1