Большая Энциклопедия Нефти и Газа
При расчете коэффициентов усиления многокаскадных усилителей с емкостной связью надо иметь в виду, что в этом случае каскад усиления может быть представлен схемой рис. 3 — 8, а. Коэффициент усиления по мощности такого каскада должен учитывать дополнительный коэффициент передачи между сопротивлением нагрузки предыдущей ступени ( сопротивлением генератора сигнала в случае входного каскада) и приведенной величиной сопротивления делителя в цепи базы транзистора. [14]
Для оценки коэффициента усиления многокаскадного усилителя наиболее целесообразно пользоваться коэффициентом усиления по току Kt, который обычно почти не зависит от сопротивления нагрузки. [15]
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется как
В зависимости от назначения усилителя заданный коэффициент усиления может достигать десятков тысяч. Коэффициент усиления, значение которого превышает , обычно получают, составляя усилитель из нескольких простейших усилителей, содержащих один усилительный элемент. Такие простейшие усилители называются усилительными каскадами. Они соединяются между собой последовательно таким образом, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего. Поэтому усилитель, состоящий, например, из двух каскадов, можно представить в виде эквивалентной схемы на рис. 1.8.
В этом случае коэффициенты усиления по напряжению первого и второго каскадов
Тогда коэффициент усиления всего усилителя
Очевидно, для усилителя, составленного из каскадов, имеем
Часто коэффициент усиления представляют в логарифмических единицах — децибелах.
Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах,
Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения,
Представление коэффициента усиления в децибелах позволяет находить общий коэффициент усиления усилителя простым алгебраическим суммированием коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для — каскадного усилителя можно записать
В таблице 1.1 для сравнения представлены некоторые значения коэффициентов усиления, выраженные в отвлеченных числах, и соответствующие им значения коэффициентов усиления, выраженных в децибелах.
Из таблицы видно, что увеличение в 10 раз соответствует увеличению , выраженному в децибелах, на 20 дБ, а удвоение — увеличению на 6 дБ.
Частотные искажения многокаскадного усилителя определяются частотными искажениями в отдельных каскадах.
Действительно, коэффициент частотных искажений каскадного усилителя можно записать как
Учитывая, что коэффициенты частотных искажений отдельных каскадов равны,
Таким образом, коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов.
Если коэффициенты частотных искажений выразить в децибелах, то для — каскадного усилителя получим
Из формул (1.23) и (1.24) следует, что к отдельным каскадам усилителя по частотным искажениям предъявляются более жесткие требования, чем к усилителю в целом, так как коэффициент частотных искажений отдельного каскада всегда меньше коэффициента частотных искажений усилителя.
Требуемое значение общего коэффициента частотных искажений М определяется назначением усилителя. Например, при усилении акустических сигналов значение коэффициента М не , что соответствует 3 дБ. Для измерительных усилителей коэффициент частотных искажений определяется заданной точностью измерений.
Определим фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями — каскадного усилителя, записав комплексный коэффициент усиления по напряжению в виде
где — фазовые сдвиги между выходным и входным напряжениями отдельных каскадов усилителя.
т. е. фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями Многокаскадного усилителя равен алгебраической сумме фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами.
Нелинейные искажения синусоидального сигнала в многокаскадных усилителях, характеризуемые коэффициентом гармоник, можно оценить просуммировав коэффициенты гармоник каждого отдельного каскада усилителя, т. е.
Как показано выше, нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения , начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность (см. рис. 1.6). Следовательно, нелинейные искажения будут наибольшими в последнем, выходном, каскаде усилителя. Ориентировочно можно считать, что коэффициент гармоник n-каскадного усилителя равен коэффициенту гармоник последнего каскада, т. е.
Для исключения влияния цепей постоянного тока отдельных каскадов друг на друга, т. е. обеспечения развязки каскадов по постоянному току, в усилителях переменного сигнала используют разделительный конденсатор или трансформатор.
С помощью трансформатора можно обеспечить не только развязку, но и согласование каскадов между собой. Поэтому трансформаторную связь удобно применять в усилителях мощности, где согласование усилителя с нагрузкой и источником входного сигнала является необходимым условием. В усилителях напряжения, как правило, используется RC-связь, так как трансформатор имеет существенные недостатки, главными из которых являются большие габариты и вес, а также высокая стоимость.
В усилителях постоянного тока каскады соединяются непосредственно друг с другом. При этом усложняется задача обеспечения нормальной работы усилительных элементов (транзисторов) в заданном режиме.
В аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) усилителей как постоянного, так и переменного тока используется, как правило, непосредственная связь между каскадами, так как реализация конденсаторов большой емкости и трансформаторов в микроэлектронном исполнении весьма затруднительна.
Каскады, из которых состоит многокаскадный усилитель, разделяют на каскады предварительного усиления и оконечные (выходные) каскады. Такое разделение обусловлено различными требованиями, предъявляемыми к ним. Основное назначение каскадов предварительного усиления — обеспечение максимального коэффициента усиления по напряжению при минимальных нелинейных искажениях. Назначение выходного каскада — усиление мощности. В выходном каскаде для получения высокого КПД полностью используются рабочие диапазоны токов и напряжений усилительного элемента, поэтому неизбежно появляются нелинейные искажения.
Ясно, что они не должны превышать заданного разработчиком предельного значения.
Каскады предварительного усиления, в свою очередь, разделяют на входной и промежуточные каскады. Основное требование к входному каскаду — обеспечение условия максимальной передачи напряжения от источника сигнала к усилителю Одно из главных требований, предъявляемых к промежуточным каскадам, — обеспечение коэффициента усиления по напряжению, при котором можно получить на выходе усилителя заданное значение выходной мощности.
Б — Коэффициент усиления и коэффициент полезного действия
Для количественной оценки усилительных свойств устройства пользуются понятием о коэффициенте усиления.
Поскольку сигнал характеризуется величиной мощности, напряжения и тока, различают соответственно три коэффициента усиления.
Коэффициент усиления мощности Кр показывает, во сколько раз мощность сигнала на выходе больше, чем на входе:
Коэффициент усиления напряжения Ки, или сокращенно, коэффициентом усиления К, называется отношение напряжения сигнала на выходе к напряжению на входе
Аналогично определяется коэффициентом усиления тока Кi как отношение выходного тока сигнала к входному:
Коэффициенты усиления напряжения и тока при наличии реактивных сопротивлений в схеме являются комплексными величинами; здесь рассматриваются их модули.
По определению сущности процесса усиления коэффициент усиления мощности всегда больше единицы, в то время как коэффициенты усиления напряжения или тока могут быть меньше единицы; иногда в этом случае называют коэффициент передачи напряжения или тока.
При активном сопротивлении нагрузки
При активном входном сопротивлении усилителя
Тогда коэффициент усиления мощности равен произведению
Работу усилителей принято анализировать и исследовать при синусоидальном сигнале на входе.
Мощность определяется через амплитуды и напряжения, как половина их произведения
Для многокаскадного усилителя коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов :
Более удобны логарифмические единицы измерения- децибелы, в которых могут быть выражены не только коэффициенты усиления и их изменения, но и другие относительные величины.
Таким образом, коэффициент усиления мощности в децибелах:
Чтобы выразить в децибелах отношение напряжений и токов, надо брать 20 логарифмов этого отношения, учитывая, что отношение мощностей пропорционально квадрату отношения напряжений или токов ( при условии равенства сопротивлений), а при логарифмировании степени показатель степени служит множителем при логарифме основания. Поэтому
При вычислении в децибелах коэффициент усиления многокаскадного усилителя надо алгебраически суммировать коэффициенты усиления его каскадов
Более того, логарифмические единицы оказались настолько удобны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивается по отношению к уровню мощности 1 мВт. При этом со знаком “+” или “-“ пишется разность в децибелах текущего уровня мощности от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчёта. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт). Например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10мВт — +10 дБм, 0,01 мВт- -20 дБм. Точно также можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряжение. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1мкВ,а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.
Иногда пользуются сквозными показателями. Сквозным коэффициентом усиления по напряжению называют отношение сигнала на нагрузке усилителя Uвых к ЕДС источника сигнала Еист.
Сквозные показатели характеризуют усилительные устройство в целом. Обычными показателями удобно пользоваться для характеристики отдельных частей усилителя. Один усилительный каскад обычно не обеспечивает достаточный коэффициент усиления. Поэтому для получения требуемого усиления соединяют несколько каскадов так, что выходное напряжение предыдущего каскада является входным для последующего. Такой усилитель называется многокаскадным. Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рисунке 1.4
Коэффициент полезного действия усилителя являются важным
показателем экономичности усилителя. Различают два значения
КПД : электрический КПД выходной цепи усилителя и полный
КПД усилителя (промышленный).
Электрический КПД выходной цепи усилителя — это отношение номинальной выходной мощности Рмакс к мощности, потребляемой выходной цепью усилителя источника питания Ро:
Полный КПД усилителя определяется отношением номинальной выходной мощности Р вых к мощности, потребляемой всеми цепями усилителя от источника питания.
Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры
Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).
Классификация усилителей
Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:
По частоте усиливаемого сигнала:
- усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
- широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
- избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;
По роду усиливаемого сигнала
- усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
- усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;
По функциональному назначению
- усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.
В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току Кi или мощности КР:
где Uвх, Iвх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;
Uвых , Iвых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;
Рвх, Рвых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:
Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2 · … · Кn
Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:
Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:
где КU— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых.
Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:
где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.
Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.
К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:
где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;
∆Uвых и ∆Iвых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.
Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:
Амплитудная характеристика усилителя
Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).
Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.
Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.
После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):
где Ulm, U2m, U3m, Unm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = Uвх max / Uвх minхарактеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы uбэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора iб = f(uбэ) входной ток транзистора iб (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.
Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.
Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.
АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.
Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн − fв) — полосой пропускания усилителя.
При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.
При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.
Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K0 / Kf где Kf — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.
Коэффициенты частотных искажений МН = K0 / KН и МВ = K0 / KВ называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f). 
Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. 
Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.
ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.
Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.
Переходная характеристика усилителя
Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).
Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.