Основные технические характеристики усилителей

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

1) по напряжению ,

2) по току

3) по мощности

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K_p всегда должен быть больше единицы.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), K_r: ,где U₁, U₂, U₃ – значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 5, а), представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U_вых от амплитудного значения входного сигнала U_вх неизменной частоты. При небольших U_вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U_вх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K_u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис.5, б) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M_н и высшей M_в частотах заданного диапазона работы усилителя:

Рис.5Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики

Рис.6 Характеристики усилителя: а — амплитудно-частотная; б — фазо-частотная

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что f = f_в - f_н принято называть полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот достаточно иметь f_н = 20 Гц и f_в = 20 кГц; в широкополосных усилителях f_в может достигать десятков мегагерц; в частотно-избирательных усилителях f_н,f_в и для высокочастотных усилителей может достигать сотен мегагерц; в усилителях постоянного тока (УПТ) f_н = 0, а f_в может составлять несколько десятков мегагерц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной

характеристикой (ФЧХ) усилителя (рис.6 б). Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др. Важнейшим параметром усилителей мощности является коэффициент полезного действия η:

η = P_н /P_о,

где P_н – мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; P_о – мощность, потребляемая усилителем от внешнего источника питания. Величина η всего усилителя определяется главным образом η выходного каскада.

Основные параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от типа активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.