Главная | Обратная связь

Короткі теоретичні відомості

Електронні підсилювачі – прилади, які призначені для підсилення електричних сигналів. Підсилювачі мають широкий діапазон застосування. Вони являються основними вузлами різної електронної апаратури, широко застосовуються в приладах автоматики і телемеханіки, обчислювальних машинах, контрольно-вимірюваних приладах.

Класифікація підсилювачів може бути проведена за кількома ознаками: за характером підсилюваних сигналів (підсилювачі гармонічних коливань, імпульсні підсилювачі), за родом підсилюваних елементів (транзисторні, лампові), за призначенням, числом каскадів, роду електроспоживання та інших показниках. Найбільш суттєвою ознакою є діапазон частот електричних сигналів, у межах якого даний підсилювач може працювати.

Розрізняють наступні основні типи підсилювачів.

1. Підсилювачі низької частоти (ПНЧ), призначені для підсилення безперервних періодичних сигналів, частотний спектр яких лежить у межах від десятків герц до сотні кілогерц. Характерною особливістю ПНЧ є відношення верхньої підсилюваної частоти ( ) до нижньої ( ), яке для ПНЧ зазвичай складає не менше декількох десятків (в окремих випадках до десятків тисяч).

2. Підсилювачі постійного струму (ППС) підсилюють електричні сигнали в діапазоні частот від нуля ( ) до вищої робочої частоти , яка складає нерідко десятки і сотні кілогерц. Ці підсилювачі широко застосовуються у вимірювальній апаратурі, пристроях автоматики і обчислювальній техніці. Вони дозволяють підсилювати змінні та постійну складові сигналу.

3. Вибіркові (або селективні) підсилювачі, підсилюють сигнали в дуже вузькій смузі частот. Для них характерна невелика величина відношення верхньої частоти до нижньої (зазвичай ). Ці підсилювачі можуть застосовуватися, як на низьких, так і на високих частотах і виступають в якості своєрідних частотних фільтрів, які дозволяють виділити (або подавляти) заданий діапазон частот електричних коливань. Вузька смуга частотного діапазону в багатьох випадках забезпечується застосуванням в якості навантаження одного або декількох коливальних (резонансних) контурів.

4. Широкосмугові підсилювачі, підсилюють дуже широку смугу частот (від декількох кілогерц до декількох мегагерц). Ці підсилювачі призначені для підсилення сигналів в пристроях імпульсного зв’язку, радіолокації і телебаченні.

Основні технічні показники підсилювачів:коефіцієнт підсилення (за напругою, струмом, потужністю), вхідний і вихідний опір, вихідна потужність, коефіцієнт корисної дії, номінальна вхідна напруга (чутливість), діапазон підсилюваних частот, динамічний діапазон амплітуд і рівень власних перешкод тощо.

Коефіцієнтом підсилення за напругою називається величина, яка показує в скільки раз напруга сигналу на виході підсилювача більше, ніж на його вході . Значення коефіцієнта підсилення у різних підсилювачів напруги може мати величину порядку десятків і сотень. Але в ряді випадків цього не достатньо для отримання на виході підсилювача сигналу необхідної амплітуди. Тоді вдаються до послідовного включення ряду каскадів. Для багатокаскадних підсилювачів загальний коефіцієнт підсилення рівний добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів

.

Вхідний і вихідний опір.Підсилювач можна розглядати, як активний чотириполюсник, до вхідних затискачів якого підключається джерело сигналу, а до вихідних – опір навантаження (рис.7.1).

Рис. 7.1. Представлення підсилювач у вигляді активного чотириполюсника

На рис. 7.1. наведено одну із можливих еквівалентних схем підсилювального каскаду. Джерело вхідного сигналу показане в вигляді опору . Вихід підсилювача представлено у вигляді генератора напруги з ЕРС , який має внутрішній опір . Підсилювач одночасно є навантаженням для джерела сигналу і джерелом сигналу для зовнішнього навантаження.

Вхідний опір підсилювача представляє собою опір між вхідними затискачами підсилювача . Вихідний опір підсилювача визначають між вихідними затискачами підсилювача при увімкненні опору навантаження .

Вихідна потужність у випадку активного опору навантаження підсилювача дорівнює

.

де , – відповідно діюче та амплітудне значення вихідної напруги. Вихідна потужність – це корисна потужність, яка розвивається підсилювачем опором навантаженням. Збільшення вихідної потужності підсилювача обмежено спотвореннями, які виникають за рахунок нелінійності характеристик підсилюваних елементів при великих амплітудах сигналів. Тому 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. Цей показник особливо важливо враховувати для підсилювачів середньої та великої потужності, так як він дозволяє оцінити їх економічність. Чисельно ККД рівний

,

де – потужність, що споживає підсилювач джерел енергії.

Номінальною вхідною напругою називається напруга, яку необхідно підвести до входу підсилювача, щоб отримати на виході задану потужність. Вхідна напруга залежить від типу джерела підсилюваних коливань. Чим менше величина вхідної напруги, яка забезпечує потрібну вихідну потужність, тим вища чутливість підсилювача. Подача на вхід підсилювача напруги, яка перевищує номінальне значення, призводить до значного спотворення сигналу і називається перевантаженням з боку входу.

Діапазоном підсилюваних частот або смугою пропускання підсилювача називається область частот, в якій коефіцієнт підсилення змінюється не більше ніж це допустимо за технічними умовами.

Рівень власних перешкод підсилювачів. Основні причини виникнення перешкод на виході підсилювача можна розділити на три групи:

– теплові шуми;

– шуми підсилюємих елементів.

– перешкоди через пульсації напруги живлення і наведень з боку зовнішніх електричних і магнітних полів.

Рис. 7.2. Амплітудна характеристика

Графічна залежність амплітуди (діючого значення) вихідної напруги підсилювача від амплітуди (діючого значення) його вхідної напруги на деякій незмінній частоті сигналу називається амплітудною характеристикою (рис. 7.2).

Амплітудна характеристика реального підсилювача (суцільна лінія на рис. 7.2) не проходить через початок координат, оскільки в реальних підсилювачах напруга на виході за відсутності вхідної напруги визначається рівнем власних шумів підсилювача і перешкодами. При великих вхідних напруг ( ) реальна амплітудна характеристика також розходиться з ідеальною (яка показана пунктиром) викривляючись через перенавантаження підсилюваних елементів з боку входу. Таким чином, реальний підсилювач може підсилювати без помітних спотворень напруги не нижче і не вище (відрізок на рис. 7.2). Відношення амплітуд найбільш сильного і найбільш слабкого сигналу на вході підсилювача називається динамічним діапазоном амплітуд . Динамічний діапазон зазвичай виражається в децибелах .

При підсиленні електричних сигналів можуть виникати нелінійні, частотні та фазові спотворення.

Нелінійні спотворення являють собою зміну форми кривої підсилюваних коливань, які викликані нелінійними властивостями кола, через який ці коливання проходять. Основною причиною появи нелінійних спотворень у підсилювачах є нелінійність характеристик підсилюваних елементів, а також характеристик намагнічування трансформатора або дроселів з сердечниками. Чим більша нелінійність підсилювача, тим сильніше спотворюється ним синусоїдальна напруга, яка подається на вхід. З теореми Фур’є відомо, що всяка несинусоїдальна періодична крива може бути представлена сумою гармонічних коливань основної частоти і вищих гармонік. Отже, у результаті нелінійних спотворень на виході підсилювача з’являються високі гармоніки, тобто нові коливання, яких не було на вході. Ступінь нелінійних спотворень підсилювачів зазвичай оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнт гармонік) .

де – сума електричних потужностей, що виділяються на навантаженні гармоніками, які з’явилися внаслідок нелінійного спотворення; – електрична потужність першої гармоніки.

У разі, коли опір навантаження має одну й ту саму величину для всіх гармонічних складових підсилюваного сигналу, коефіцієнт гармонік визначається за формулою

,

де , , – діючі (амплітудні) значення першої, другої та третьої гармонік струму на виході , , – діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої гармонік вихідної напруги.

Коефіцієнт гармонік зазвичай визначають у відсотках.

Частотними спотворення називають спотворення, які зумовлені зміною величини коефіцієнта підсилення на різних частотах. Причиною частотних спотворень є наявність в схемі підсилювача реактивних елементів – конденсаторів, котушок індуктивності, міжелектродних ємностей підсилюваних елементів. Залежність величини реактивного опору від частоти не дозволяє отримати постійний коефіцієнт підсилення в широкій смузі частот.

Ступінь спотворень на окремих частотах виражається коефіцієнтом частотних спотворень , який рівний відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті до коефіцієнта підсилення на даній частоті : .

Фазові спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюються за його фазочастотною характеристиці, яка представляє собою графік залежності кута зсуву фаз між вхідною і вихідною напругами підсилювача від частоти.Фазові спотворення підсилювача відсутні, коли фазовий зсув лінійно залежить від частоти.