Усилители электрических сигналов

Усилители электрических сигналов
Сам усилитель (У) потребляет от источника питания мощность P0 (потребляемая мощность) и передает в нагрузку выходную мощность Pвых (или мощность нагрузки Pн). В общем случае всегда выполняется неравенство:
то есть коэффициент полезного действия усилителя получается меньше единицы:
ИП – источник питания вырабатывает необходимые напряжения для всех блоков усилителя.
Н – нагрузка усилителя. В качестве нагрузки может использоваться любой потребитель: динамик, другой усилитель и т.д.

Усилительный каскад
Структурная схема усилительного каскада.
ЦС – цепь связи;
УЭ – усилительный элемент;
ИПиС – источник питания и смещения;
ИС – источник сигнала;
Н – нагрузка.
Базовым звеном любого усилителя является усилительный каскад.
УЭ предназначен для преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.
ЦС предназначены для подсоединения источника сигнала и нагрузки к усилителю. Кроме того, ЦС выполняют дополнительные функции: задержка постоянной составляющей входного сигнала, помехоподавляющие функции
Для создания (смещения) рабочей точки УЭ применяются специальные источники смещения, в качестве которых применяется тот же самый ИПиС в комбинации со специальными делителями напряжения.

Классификация усилителей
I. По роду усиливаемых сигналов:
1. усилители непрерывных сигналов - устройства, в которых время изменения сигнала много больше времени переходных процессов в самом устройстве;
2. усилители импульсных сигналов - устройства, в которых время изменения сигнала сопоставимо со временем переходного процесса в самом устройстве.
II. По диапазону усиливаемых частот:
1. усилители переменного тока - усиливают сигналы из диапазона и от fн > 0 до fв, постоянная составляющая не усиливается;
2. усилители постоянного тока (УПТ) – усиливают сигналы в полосе пропускания от fн = 0 до fв, постоянная составляющая fн = 0 усиливается;
3. усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ) – усиливают в диапазоне от fн = 20Гц до fв ≈ 20кГц;
4. усилители высокой частоты (УВЧ) – усиливают в диапазоне от десятков кГц до сотен МГц;
5. широкополосные усилители – все усилители у которых
6. избирательные усилители – усилители, у которых
АЧХ усилителя переменного тока
АЧХ усилителя постоянного тока

Классификация усилителей
III. По виду связи между каскадами, усилителем и нагрузкой:
а) RC – усилители (резистивно-емкостные).В качестве элементов связи применяются резисторы и конденсаторы, т.е. RC – цепочки;
б) трансформаторные;
в) с непосредственными связями - без конкретного элемента связи, либо с использованием в качестве элементов связи резисторов или идеальных источников напряжения.
IV. По соотношению между внутренним сопротивлением источника сигнала Rг, сопротивлением нагрузки Rн, входным сопротивлением Rвх и выходным сопротивлением Rвых:
1. усилители напряжения (Rг << Rвх , Rвых<< Rн);
2. усилители тока (Rг >> Rвх , Rвых >> Rн);
3. усилители мощности (Rг ≈ Rвх , Rвых ≈ Rн).
Классификация по данному признаку весьма условная, поскольку один и тот же усилитель по входу может быть одного типа, а по выходу – совсем другого.

Классификация усилителей
V. По наличию в усилительном каскаде промежуточного преобразования частоты:
1. Усилители прямого усиления (без промежуточного преобразования частоты).
2. Усилители с преобразованием частоты.
Усилители с промежуточным преобразованием частоты применяются в случаях, когда усиление без промежуточного преобразования приводит к большим погрешностям.
VI. По типу усилительного элемента:
1. на биполярных транзисторах;
2. на полевых транзисторах;
3. на электронных лампах;
4. на интегральных микросхемах (ИМС).

Основные параметры и характеристики усилителей
Функциональная схема усилителя

Основные параметры и характеристики усилителей
1. Входные и выходные параметры усилителя
1.2. Входные параметры
Входные параметры характеризуют цепь (усилитель), как нагрузку для источника сигнала(генератора), т.е. усилитель представляет собой нагрузку для источника сигнала.
К входным параметрам усилителя относятся:
Uвх, Iвх – номинальное входное напряжение либо номинальный входной ток, при которых усилитель отдает в заданную нагрузку требуемые техническим заданием (ТЗ) мощность Рвых = Рн (или Uвых и Iвых);
Рвх – входная мощность сигнала;
Входное сопротивление усилителя в общем случае носит комплексный характер , но в рабочей полосе частот комплексностью сопротивления пренебрегают, полагая, что входное сопротивление носит чисто активный характер – Rвх.
Это существенно облегчает анализ и расчеты.

Основные параметры и характеристики усилителей
1. Входные и выходные параметры усилителя
1.1. Входные параметры
К входным параметрам усилителя часто относят ЭДС источника сигнала и его внутреннее сопротивление .
С учетом Rг и Rвх входное напряжение определяется:
Kд – коэффициент деления делителя, образованного Rг и Rн
Пренебрегая комплексностью параметров, можно получить следующие соотношения:

Основные параметры и характеристики усилителей
1. Входные и выходные параметры усилителя
1.2. Выходные параметры
Выходные параметры характеризуют цепь (усилитель) как источник сигнала (генератор) для нагрузки.
К выходным параметрам усилителя относятся:
Uвых, Iвых – номинальное выходное напряжение сигнала или номинальный входной ток сигнала в нагрузке, отдаваемые усилителем при работе на заданную нагрузку;
Pвых = Pн – номинальная выходная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

Основные параметры и характеристики усилителей
1. Входные и выходные параметры усилителя
1.2. Выходные параметры
Выходное сопротивление усилителя:
В общем случае выходное сопротивление нагрузки комплексно, но в рабочем диапазоне частот его полагают чисто активным, однако данное допущение более грубое, чем для Rвх. В этом случае

Основные параметры и характеристики усилителей
1. Входные и выходные параметры усилителя
1.2. Выходные параметры
Выходное сопротивление характеризует наклон нагрузочной прямой (характеристики).
Пренебрегая комплексностью параметров, можно получить следующие соотношения:

Основные параметры и характеристики усилителей
2. 1. Коэффициенты усиления (передачи)
Коэффициенты усиления (передачи) характеризуют цепь (усилитель) как средство (звено) передачи сигнала
Коэффициентом усиления называется отношение установившегося значения какого-либо параметра сигнала на выходе к установившемуся значению на входе.
Как правило, коэффициенты усиления находятся для гармонического сигнала

Основные параметры и характеристики усилителей
2. 1. Коэффициенты усиления (передачи)
a)Коэффициент усиления по напряжению носит комплексный характер
На практике в большинстве случаев коэффициент передачи рассматривается только в рабочем диапазоне частот и в этом случае речь идет о модуле коэффициента передачи. Если нет расшифровки о каком коэффициенте идет речь, то подразумевается, что речь идет о коэффициенте усиления по напряжению:
Поскольку восприятие органов чувств подчиняется логарифмическому закону, на практике модуль коэффициента усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах:
KU, Дб = 20lgKU

Основные параметры и характеристики усилителей
2. 1. Коэффициенты усиления (передачи)
Многокаскадные усилители
Коэффициент усиления одного каскада относительно невысок. Для получения требуемого коэффициента усиления (KU >100) на практике очень часто используют последовательное соединение нескольких каскадов, в этом случае усилитель называется многокаскадным
Коэффициент усиления по напряжению многокаскадного усилителя
Таким образом, результирующий коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется произведением усиления всех каскадов, входящих в усилитель.

Основные параметры и характеристики усилителей
2. 1. Коэффициенты усиления (передачи)
Состав многокаскадного усилителя
Структурная схема многокаскадного усилителя:
ВхКУ – входной каскад усиления; ПОКУ – предоконечный каскад усиления;
УМ – усилитель мощности
Последний каскад вырабатывает мощность в нагрузку, является усилителем мощности и называется оконечным каскадом.
Задача предоконечного каскада – “раскачать” последний каскад для получения заданного значения конечной мощности в нагрузке.
Все остальные каскады называются каскадами предварительного усиления и работают, как правило, в режиме усиления напряжения.
Первый каскад также называют входным каскадом.

Основные параметры и характеристики усилителей
2. 1. Коэффициенты усиления (передачи)
b) Коэффициент усиления по току
В рабочем диапазоне частот рассматриваются только модули токов:
c) Коэффициент усиления по мощности
В отличие от предыдущих коэффициентов усиления данный коэффициент усиления всегда больше единицы

Основные параметры и характеристики усилителей
2. 1. Коэффициенты усиления (передачи)
d) Сквозной коэффициент усиления
Учитывает влияние внутреннего сопротивления источника сигнала Rг на коэффициент усиления
Чем меньше Rг, тем ближе KU* к простому KU

Основные параметры и характеристики усилителей
3. Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя.
КПД есть отношение выходной мощности, переданной в нагрузку, к сумме всех мощностей, потребляемых от всех источников питания и смещения.
Данный параметр весьма важен для выходных и предоконечных каскадов:

4. Линейные и нелинейные искажения
Одним из требований, предъявляемых к усилителю является усиление сигналов без искажений.
Однако усилитель при усилении несколько изменяет форму усиливаемых сигналов.
Отклонения формы выходного сигнала от формы входного называют искажениями.
Различают два типа искажений: линейные и нелинейные.

4. Линейные и нелинейные искажения
a) Линейные искажения
Наличие в усилительных каскадах реактивных элементов (разделительные конденсаторы, конденсаторы связи, разделительные трансформаторы, дроссели, конденсаторы в цепях термостабилизации рабочей точки, а также паразитные индуктивности и емкости) приводит к тому, что различные гармоники, входящие в спектр входного сигнала, усиливаются по-разному – с разным коэффициентом усиления и фазовым сдвигом. Это приводит к тому, что входной сигнал, проходя через усилитель, искажается, т.е. форма сложного по спектральному составу сигнала на выходе будет отличаться от формы входного сигнала.
Таким образом, усилитель вносит искажения, несмотря на то, что все элементы работают в линейном режиме.
Поэтому такие искажения называются линейными искажениями (т.к. их возникновение связано с линейными элементами электрической цепи).

4. Линейные и нелинейные искажения
a) Линейные искажения
Линейные искажения оценивают с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) или просто частотной характеристики, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента от частоты:
Искажения формы выходного сигнала, вызываемые неодинаковым усилением гармоник различных частот, называют частотными искажениями.
Искажения формы выходного сигнала, вызываемые разными фазовыми сдвигами гармоник усиливаемого сигнала, называют фазовыми искажениями.
Частотные и фазовые искажения - линейными искажениями.

4. Линейные и нелинейные искажения
a) Линейные искажения
Типовая АЧХ усилителя переменного тока (RC-усилителя), на вход которого подается гармонический сигнал.
АЧХ усилителя переменного тока:
1 – идеального усилителя;
2 – реального усилителя.
Значение KU гр называется граничным коэффициентом усиления (передачи), который определяется как
Частота, на которой KU = KU гр называется граничной частотой.
fн- нижняя граничная частота,
fв- верхняя граничная частота.
Диапазон частот, в пределах которого KU ≥ KU гр называется полосой усиления (пропускания) или рабочим диапазоном частот.
На рисунке рабочий диапазон частот - от fн до fв.

4. Линейные и нелинейные искажения
a) Линейные искажения
АЧХ усилителя переменного тока:
1 – идеального усилителя;
2 – реального усилителя.
Диапазон частот, где KU < KU гр называется полосой подавления в пределах которой усилитель не усиливает либо усиливает с малым KU.
Видно, что АЧХ реального усилителя неравномерная, т.е. коэффициент усиления для разных частот неодинаков.

4. Линейные и нелинейные искажения
a) Линейные искажения
Неравномерность АЧХ усилителя оценивают с помощью коэффициента частотных искажений.
где KU 0 – коэффициент усиления на средних частотах (в данном случае KU 0 = KU max);
KU н, KU в – значение коэффициентов усиления на граничных частотах fн и fв, соответственно; (KU может быть задан на любых других частотах и тогда это специально оговаривается); Мн и Мв – задаются для граничных частот fн и fв (или для специально оговоренных частот); Частотные искажения выражаются в относительных единицах либо в децибелах:
Мн, Дб = 20lgMн, Мв, Дб = 20lgMв.

4. Линейные и нелинейные искажения
a) Линейные искажения
Неравномерность АЧХ усилителя оценивают с помощью коэффициента частотных искажений.
Если нет специальных оговорок, то значения коэффициента частотных искажений принимают:
Для УНЧ в зависимости от качества прибора коэффициент частотных искажений может лежать в диапазоне 1.6 дБ. Если усилитель применяется в измерительных устройствах, значение коэффициентов частотных искажений могут составлять десятые и сотые доли Дб.

b) нелинейные искажения
Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, обусловленные нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов (транзисторов). Кроме того, нелинейность может появляться из-за нелинейности кривых намагничивания магнитопроводов трансформаторов и дросселей, применяемых в усилителях в качестве элементов связи.
Нелинейные искажения оценивают с помощью коэффициента гармоник
Коэффициент гармоник всегда находится при подаче на вход усилителя чистого гармонического сигнала и активном сопротивлении нагрузки.
Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях для высококачественного усиления речи и музыки допустимый коэффициент гармоник порядка 1-2%; в таких же усилителях среднего качества –5-8%

5. Амплитудная характеристика
Амплитудная характеристика представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного:
Uвых = f(Uвх).
Могут использоваться либо действующее, либо амплитудные значения.
В идеальном случае амплитудная характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат
Реальная характеристика совпадает с идеальной только на некотором рабочем участке от Uвх min до Uвхmax. Если Uвх> Uвх max линейность характеристики нарушается и наступает режим насыщения, когда увеличение Uвх не приводит к увеличению Uвых. В это время усилительный элемент начинает работать на нелинейном участке ВАХ, форма выходного сигнала сильно искажается и возрастание Uвых прекращается, несмотря на рост Uвх.

5. Амплитудная характеристика
При малых значениях Uвх, когда Uвх < Uвх min линейность характеристики нарушается, что связано с наличием собственных шумов усилительного каскада. Даже при закороченных входных зажимах, когда Uвх = 0, на выходе присутствует паразитное напряжение, которое называется шумовым, в этом случае говорят, что каскад шумит.
Существуют вполне определенный диапазон значений входного и выходного напряжений, при которых усилитель нормально выполняет свои функции. Отношение Uвх max к Uвх min называется динамическим диапазоном усилителя
Для нормальной работы системы: источник сигнала – усилитель, динамический диапазон сигнала должен быть меньше, чем динамический диапазон усилителя, причем Uс min ≥ Uвх min , Dy > Dc.