Главная | Обратная связь

Основні характеристики підсилювачів

Властивості підсилювача характеризують кількісні та якісні по­казники, які називають вторинними (вихідними) параметрами або функціями схеми. Розглянемо основні з них.

Коефіцієнт підсилення. Цей найважливіший параметр підсилювача визначається відношенням напруги або струму (потужності) на вихо­ді підсилювача до напруги або струму (потужності) на його вході і показує, як змінився вихідний сигнал порівняно із вхідним. Якщо напругу або струм на вході та виході підсилювача подати в загальному вигляді відповідно як

 

,

то

,

де - модуль коефіцієнта підсилення; j = j_вих- j_вх - фазовий зсув між вхідною та вихідною напругою або між вхідним і вихідним струмом .

Згідно з призначенням підсилювача розрізняют коефіцієнти підсилення

за напругою , за струмом і за потужністю :

; ; .

Якщо підсилювач має п каскадів, то:

.

Тут Кпі — коефіцієнт підсилення, виміряний за умови дії поперед­нього та наступного каскадів багатоканального підсилювача.

При великому числі каскадів коефіцієнт підсилення — число гро­міздке для практичного використання. Зручніша для цього логариф­мічна шкала Кп, одиницею якої є децибел — десята частина десятко­вого логарифма відношення потужностей на виході і вході підсилюва­ча (дБ):

,

Враховуючи, що потужність Р пропорційна U²або І², для коефіцієн­тів підсилення за напругою та струмом одержимо:

;

;

при цьому коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача

.

Амплітудно-частотна та фазо-частотна характеристики. Лінійні спотворення. Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти називається частотною характеристикою підсилювача, графічне зоб­раження якої для підсилювачів змінної напруги показане на рис.а. Оскільки модуль коефіцієнта підсилення на різних часто­тах має різні значення, гармонічні складові вхідного сигналу підсилю­ються неоднаково, і форма вихідного сигналу відмінна від форми вхід­ного сигналу. Це явище називається частотним спотворенням і спричи­нене реактивними елементами підсилювача, опір яких залежить від частоти. Крім того, від частоти залежать і фізичні параметри напівпро­відникових приладів — активних елементів схеми підсилювача.

Частотні спотворення, які вносить підсилювач на частоті f, врахо­вує коефіцієнт частотних спотворень М, що дорівнює відношенню модулів коефіцієнтів підсилення на середній і даній робочій частоті:

М = K_П0 /Knf.

Для багатокаскадного підсилювача

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять на граничних частотах fн.гр та fв.гр умовної смуги пропускання підсилювача, яка

 

РИС

 

являє собою діапазон частот Df=fв.гр—fн.гр. в межах якого зміна модуля коефіцієнта підсилення не перевищує заданої величини Mн = Кпо/Кп.н і Мв=Кпо/Кп.в. В ідеальному випадку, коли підсилювач не вносить частотних спотворень (М = 1), частотна характеристика повинна бути прямою (рис. а), паралельною осі частот.

Фазочастотна характеристика відображає залежність кута зсуву фази між вхідною та вихідною напругами, або аргументу коефіцієнта підсилення К від частоти (рис.). Позитивне значення кута j відповідає випередженню, а від'ємне — відставанню вихідної напруги відносно вхідної. Відзначимо, що під фазовим розуміють зсув, зумов­лений реактивними елементами підсилювача, а той, що вноситься ак­тивними елементами на 180 ел. град., не беруть до уваги.

За фазочастотною характеристикою оцінюють фазові спотворення, які вносить підсилювач, порушуючи фазові співвідношення між ок­ремими гармонічними складовими складного сигналу і змінюючи його форму на виході. Якщо фазовий кут j пропорційний частоті, то це означає, що будь-яка гармоніка складного сигналу має той самий ча­совий зсув t і фазова характеристика j = -2pft, зображена на рис. штриховою лінією, є ідеальною. Сигнал при проходженні через підсилювач зсувається в часі, однак його форма залишається не­змінною . Нелінійний характер реальної фазо-частотної характеристи­ки вказує на різні часові зсуви для окремих гармонік сигналу склад­ної форми. Тому фазові спотворення, які оцінюються так, як і частот­ні спотворення на нижній fн.гр і верхній fв.гр граничних частотах смуги пропускання, визначаються не абсолютним значенням кута j, а різницею ординат Ф фазочастотної характеристики і дотичних до неї (штрихпунктирні лінії на рис.). Очевидно, Фн = jн і Фв<jв .

З порівняння амплітудно-частотної і фазо-частотної характеристик

видно, що фазові спотворення свідчать про існування й частотних спотворень. Всі вони зумовлені лінійними елементами схеми, тому їх ще називають лінійними спотвореннями.

Амплітуднахарактеристика. Динамічний діапазон. Нелінійні спотворення. Амплітудна характеристика—це залежність Uвих= f (Uвх) на деякій сталій частоті (рис.). В робочому діапазоні ам­плітуд вхідного сигналу Uвхmin — Uвхтах амплітудна характеристика прямолінійна (відрізок аб), а кут її нахилу задається коефіцієнтом підсилення на даній частоті.

Якщо вхідна напруга не перевищує значення Uâõmin, то напруга на виході підсилювача Uвихmіn визначається напругою його власних шумів, які глушать корисний вхідний сигнал. Шуми підсилювача залежать, в основному, від шумів його активних та пасивних елементів. Їх при­чиною є пульсації напруги джерела живлення, теплові процеси, а та­кож неоднорідність структури матеріалу елементів і нестабільність електричних процесів у часі.

При великих вхідних напругах (Uвx>Uâõmax) пропорційність між Uвих га Uвх порушується, оскільки немає пропорційної залежності між вхідним та вихідним струмами активного елемента підсилюван­ня — транзистора. Це ілюструє рис., на якому зображені вхідна характеристика транзистора за схемою вмикання ЗЕ та вхідна напру­га синусоїдальної форми Uâx =UBm sinwt, що подана на базу транзис­тора (вхід підсилювача). З графіка видно, що вхідний (отже, i вихід­ний) струм відрізняється від синусоїди, оскільки нижня напівхвиля сплющена через нелінійність вхідної характеристики. Якщо на вхід подається сигнал складної форми, то також змінюється його спектраль­ний склад. Отже, вихідний сигнал підсилювача містить гармонічні складові, які відсутні у вхідному сигналі. Інакше кажучи, в підсилю­вальний сигнал вносяться нелінійні спотворення. Таким чином, мож­ливість підсилювати максимальну та мінімальну напруги за умови, що кожному миттєвому значенню вхідної напруги відповідає пропорцій­не значення вихідної напруги (відрізок аб на рис.), відображає один з найважливіших показників підсилювача, який називається ди­намічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оцінюється як

 

де Uвх maх і Uвх min — вхідні напруги, при яких створення підсилюваного сигналу і його розрізнення на фоні шумів лежать в допустимих межах.

При наявності нелінійних спотворень підсилений сигнал несе струм (напругу) першої гермоніки і струми (напруги) вищих гармонік, починаючи з другої. Рівень нелінійних спотворень чисельно оцінюєть­ся коефіцієнтом гармонік К¢r, що пропорційний потужності, яка роз­вивається вищими гармоніками. Оскільки потужність, в свою чергу, пропорційна квадрату струму або напруги, то:

,

 

де P, Iі, Ui — потужність, струм та напруга першої гармоніки; п — номер гармоніки.

Для підсилювача з т каскадів

 

.

Коефіцієнт корисної дії, що є важливим показником для підсилю­вачів середньої та особливо великої потужності, визначають із співвідношення

де Рвих — корисна вихідна потужність, яка віддається підсилювачем в навантаження: Рсп — патужність, яку споживає підсилювач від джерела живлення.