Тема 1. Усилители аналоговых сигналов

аналоговый сигнал, цифровой сигнал

усилитель, коэффициент усиления

входной сигнал, выходной сигнал

входные клеммы, вход

выходные клеммы, выход

усилитель напряжения, усилитель тока

преобразователь напряжения в ток,

преобразователь тока в напряжение

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по току

диапазон рабочих частот

нижняя граничная частота, верхняя граничная частота

входное сопротивление,

дифференциальное входное сопротивление

выходное сопротивление

дифференциальное выходное сопротивление

передаточная характеристика

динамический диапазон

коэффициент нелинейных искажений

Сигналы, обрабатываемые радиоэлектронными устройствами, принято разделять на аналоговые и цифровые. Аналоговым сигналом называется сигнал, определенный в каждый момент времени и принимающий значения в непрерывном диапазоне возможных значений. С одной стороны, для каждого момента времени (из некоторого конечного интервала) задано определенное значение аналогового сигнала. С другой стороны, задавшись некоторым значением аналогового сигнала из непрерывного диапазона возможных значений, можно указать по крайней мере один (а может быть, более, чем один) момент времени, в котором сигнал принимает именно это значение. Сигналы, принимающие значения не из непрерывного диапазона значений, а из конечного множества фиксированных значений, называются цифровыми сигналами.

Наиболее типичным представителем аналоговых устройств схемотехники является усилитель. Назначение усилителя – по входному сигналу формировать выходной сигнал , который представляет собой входной сигнал, умноженный на некоторую постоянную величину:

.

Величину K называют коэффициентом усиления усилителя.

Поскольку как входной, так и выходной сигналы усилителя, как правило, представляют собой ток или напряжение, меняющиеся во времени, для задания входного сигнала необходимы две входные клеммы, в совокупности называемые входом усилителя, и, по подобной же причине, для снятия выходного сигнала необходимы две выходные клеммы (выход усилителя), как это изображено на рис. 1.

	Наиболее часто как входным, так и выходным сигналом являются напряжения и , и в этом случае усилитель называют усилителем напряжения. Его главным параметром является коэффициент усиления
Рис. 1. Усилитель аналоговых сигналов

по напряжению, который можно определить, зафиксировав входное напряжение (или его амплитуду при измерениях в режиме переменного тока), и измеряя выходное напряжение (или, соответственно, его амплитуду) на выходных клеммах. Необходимо отметить, что измерения следует проводить без подключения нагрузки к выходу уси-

лителя, как это показано на рис. 2а. Коэффициент усиления в этом случае составит величину , то есть отношение выходного и входного напряжений (или их амплитуд в режиме
Рис. 2а. Измерение коэффициента усиления по напряжению

измерения на переменном токе) и называется коэффициентом усиления по напряжению.

Реже входным и выходным сигналами являются входной и выходной токи и , в этом случае усилитель называют усилителем тока. Главным параметром усилителя тока является коэффициент усиления по току , измерения которого следует проводить согласно схеме рис. 2б, подключая ко входу усилителя источник тока фиксированной величины (или амплитуды) и измеряя величину (амплитуду) выходного тока.

В ряде случаев используются устройства, входным сигналом которых является ток, а выходным – напряжение (или наоборот, входным – напряжение, а выходным – ток). Такие устройства принято называть преобразователями на-
Рис. 2б. Измерение коэффициента усиления по току

пряжения в ток (или преобразователями тока в напряжение).

При практическом использовании любого усилителя к его выходу подключается нагрузка, обладающая некоторым сопротивле-нием . Подключение нагрузки влечет за собой некоторое измене-ние коэффициентов усиления как по напряжению, так и по току. При наличии конечной нагрузки можно говорить о выходной мощности усилителя и о коэффициенте усиления усилителя по мощности:

На практике собственно усилителями принято называть устройства с положительным (в децибелах) коэффициентом усиления по мощности, то есть устройства с . Так, повышающий трансформатор, хотя его выходное напряжение может во много раз превышать входное, усилителем называть не следует.

Поскольку мощность выходного сигнала усилителя должна превышать мощность входного сигнала, в полном соответствии с законом сохранения энергии, усилитель нуждается во внешнем источнике энергии. Поэтому работа любого реального усилителя невозможна без внешнего источника питания.

Как и любая схема, обладающая входом и выходом, усилитель обладает амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной характеристиками (ФЧХ), отражающими зависимость абсолютного значения величины коэффициента усиления K (ω) и фазового сдвига, вносимого усилителем Ф (ω) от частоты входного сигнала ω = 2π f. Как правило, АЧХ усилителя приблизительно постоянна в некотором частотном диапазоне, называемом диапазоном рабочих частот усилителя и ограниченном нижней и верхней граничными частотами усилителя. За пределами диапазона рабочих частот частотная характеристика, как правило, имеет невысокое значение. По значениям граничных частот принята следующая (достаточно условная) классификация усилителей:

	Нижняя граничная частота, Гц	Верхняя граничная частота, Гц
Усилители постоянного тока		103 … 108
Усилители низких (звуковых) частот	20 … 50	104 … 2×104
Усилители высоких частот	104 … 105	107 … 108
Широкополосные усилители	20 … 50	107 … 108

Подключение к усилителю источника входного сигнала со стороны входа и нагрузки со стороны выхода (рис. 3), вне всякого сомнения, влияет на его работу. Проанализируем это влияние. Усилитель с подключенной
Рис. 3. Подключение к усилителю нагрузки и источника входного сигнала

нагрузкой представляет собой двухполюсник. Различные значения сопротивления нагрузки R _Н соответствуют различным двухполюсникам, и, формально, одно и то же входное напряжение U _ВХ должно вызывать различные входные токи I _ВХ. Однако для практически всех реальных усилителей влияние сопротивления нагрузки на входной ток настолько незначительно, что на практике им можно пренебречь. Считают, что входной ток определяется только входным напряжением, причем в линейном приближении эта зависимость принимает простой вид:

,

или, для малых изменений входного напряжения и входного тока:

,

где R _ВХ. и r _ВХ.– входное сопротивление либо дифференциальное входное сопротивление усилителя.

При анализе работы усилителя со стороны входа применяют такой же подход, который используется при анализе работы электрических источников. При неизменном значении входного напряжения (и, соответственно, входного тока) усилитель представляет собой электрический источник, обладающий напряжением холостого хода U _ХХ и выходным сопротивлением R _ВЫХ (либо дифференциальным выходным сопротивлением r _ВЫХ). Нетрудно показать, что напряжение холостого хода усилителя равно U _ХХ = KU _ВХ. Выходное сопротивление (либо дифференциальное выходное сопротивление), наряду с коэффициентом усиления и входным сопротивлением, является основным параметром усилителя.

Считая главными параметрами усилителя его коэффициент усиления и его входное и выходное сопротивления, рассматривают эквивалентную схему усилителя напряжения, изображенную на рис. 4.
Рис. 4. Эквивалентная схема усилителя напряжения

Использование эквивалентной схемы существенно упрощает анализ работы усилителей.

Пример 1. Ко входу усилителя с , и подключен источник с амплитудой напряжения 10 мВ и внутренним сопротивлением 20 Ом. Определить амплитуду выходного напряжения при подключении нагрузки 50 кОм.

Решение. При подключении источника ко входу усилителя образуется делитель напряжения с коэффициентом деления

,

поэтому напряжение непосредственно на входе усилителя будет равно . Выходное напряжение подается на делитель напряжения R _ВЫХ – R _Н с коэффициентом деления

.

Таким образом, напряжение на нагрузке составит величину

Для типичных, встречающихся на практике усилителей напряжения зависимость выходного напряжения от нагрузки можно характеризовать выходным сопротивлением только при небольших значениях выходного тока. Для выходных токов произвольного значения выходное напряжение определяется, как и для других электрических источников, нагрузочной характеристикой.

Зависимость выходного напряжения усилителя напряжения от входного линейна только для малых значений входного напряжения. Для больших его значений коэффициент усиления становится отличным от первоначального значения и зависимость величины выходного напряжения от величины входного может быть отображена графически. Такая зависимость носит название передаточной характеристики усилителя. Характерный вид типичной передаточной характеристики приведен на рис. 5. На этом рисунке легко наблюдать, что передаточная характеристика имеет почти линейный характер для входных напряжений, меньших определенной величины (на рис. 5. обозначенной ). Это явление имеет место на передаточных характеристиках всех усилителей, при этом максимальное значение входного напряжения, при котором сохраняется линейный характер передаточной характеристики, носит название динамический диапазон.

Еще одним важным параметром усилителя является коэффициент нелинейных искажений.

	При подаче на вход усилителя напряжения даже идеально синусоидальной формы выходное напряжение реального усилителя будет содержать, помимо синусоиды с частотой входного напряжения f, синусоиды с частотами, кратными этой частоте, то есть 2 f, 3 f и т.д. Чем меньше амплитуды этих составляющих, тем ближе выходной сигнал к идеальной синусоиде с частотой f, и
Рис. 5. Характерный вид типичной передаточной характеристики

тем ближе усилитель к идеальному. Численно эта близость к идеалу выражается коэффициентом нелинейных искажений:

,

где – амплитуды соответствующих гармоник выходного напряжения, то есть его составляющих с частотами f, 2 f, 3 f и т.д.