Основные технические показатели и характеристики усилителей

К основным техническим показателям и характеристи­кам электронных усилителей относятся: коэффициент усиления, амплитудно-частотная, фазочастотная и амплитудная характеристики, линейные и нелинейные искажения, динамический диапазон, входное и выходное сопротивления, коэффициент полезного действия, выходная полезная мощность и некоторые другие.

Коэффициент усиления определяется как отношение сигнала на выходе усилителя к сигналу на его входе. Различают коэффициенты усиления напряжения Ки тока KI и мощности Кр. Коэффициент усиления может быть выражен в отвле­ченных или в логарифмических единицах. В отвлеченных единицах

KU = Uвых/Uвх; KI = Iвых/Iвх; KP = Pвых/Pвх.

Коэффициент усиления в логарифмических единицах (децибелах — дБ) связан с коэффициентом усиления в от­влеченных единицах выражениями:

KU (дБ) = 20lg KU; KI (дБ) = 20lg KI; KP (дБ) = 10lgKP

Выражение коэффициента усиления в децибелах вызвано особенностями нашего слуха, воспринимающего изменения громкости пропорционально логарифму изменения силы (амплитуды) звуковых колебаний.

Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость модуля коэффициента усиления напряжения усилителя от частоты. Типовая АЧХ показана на рис.147, а кривой 2. Прямая 1 на этом рисунке соответствует АЧХ идеального усилителя, в котором отсутствуют линейные искажения.

Рис.147. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики усилителя

Частоты fн и fв на которые модуль коэффициента усиления уменьшается в √ 2 раз, называются соответственно нижней и верхней граничными частотами. Интервал частот, заключенных между f н и fв. называется полосой пропусканияΔF усилителя.

Область АЧХ, в которой коэффициент усиления не зависит от частоты, т. е. является вещественной величиной, называют областью средних частот. Коэффициент усиления в области средних частот Кср, определяет номинальный коэффициент усиления усилителя. Обычно Кср соответствует средней частоте полосы пропускания.

Изменения коэффициента усиления в области нижних и верхних частот определяются частотными искажениями сигнала. Количественно эти искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений:

М(ω)=Кср/К(ω),

где К(ω)- модуль коэффициента усиления усилителя на некоторой частоте, лежащей за пределами области средних частот.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — это зависимость фазового сдвига между выходными и входными на­пряжениями от частоты при действии на входе гармонического напряжения (тока). Появление фазового сдвига между выходными и входными напряжениями в идеальном усилителе объясняется задержкой сигнала в усилителе на некоторое время tз. За это время фаза входного напряжения, выра­женная в радианах, изменится на ωtз или на 2πftз Вследствие этого уравнение ФЧХ имеет вид:

φ(ω) = -ωtз = - 2πftз (1)

Знак «минус» в этом уравнении отображает отставание по фазе выходного напряжения по сравнению с входным. Графически уравнение (1) представляет прямую линию, исходящую из начала координат (прямая 1 на рис.147, б). Реальная ФЧХ (кривая 2 на рис.147, б) отличается от идеальной. Это означает, что различные спектральные состав­ляющие входного сигнала задерживаются усилителем на различное время. Отличия реальной ФЧХ от идеальной характеризуют фазочастотные искажения в усилителе.

Из сравнения АЧХ и ФЧХ видно, что наличие фазовых искажений вызывает частотные искажения. Так как оба вида искажений, вносимых усилителем, обусловлены линейными элементами схемы, то их называют линейными искажениями.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитуды (или действующего значения) первой гармоники выходного напряжения или тока от амплитуды (или действующего значения) гармонического входного напряжения или тока.

Идеальная амплитудная характеристика выражается уравнением Uвых= К Uвх является линейной (прямая 1 на рис.148). Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной (кривая 2 на рис.148). Линейной оказывается лишь часть амплитудной характеристики (участок АВ на рис.148). Шумы в усилителе и другие помехи приводят к тому, что при Uвх= 0 на выходе усилителя имеется некоторое напряжение. При Uвх > Uвх.мах пропорциональность между входным и выходным напряжениями нарушается из-за нелинейности характеристик активных элементов усилителя

Рис.148. Амплитудная характеристика усилителя

Это обусловливает ограничение амплитуды выходного сигнала и искажение его формы. Если на вход усилителя поступает сигнал сложной формы, то изменяется его спектральный состав, т.е. выходной сигнал усилителя содержит гармонические составляющие, отсутствующие во входном сигнале; иначе говоря, в усиливаемый сигнал вносятся нелинейные искажения.

Динамический диапазон усилителя D представляет собой выраженное в децибелах отношение номинального выходного напряжения, при котором нелинейные искажения не превышают допустимых значений, к минимальному значению выходного напряжения, ограниченному уровнем шумов и помех в усилителе, т. е.

D=20lgUвых.ном/Uвых.мин.

Для источника сигнала усилитель представляет собой эквивалентное сопротивление, определяющее его входное сопротивление:

rвх= dUвх/dIвх = Uвх/Iвх

Относительно нагрузки усилитель можно рассматривать как генератор напряжения с внутренним сопротивлением

rвых= Uвых. х.х./вых. к.з.

Для усилителей средней и особенно большой мощности важным показателем является коэффициент полезного действия. КПД определяется как отношение выходной полезной мощности Рвых, выделяемой в нагрузке, к общей мощности Ро, потребляемой усилителем от источников питания, т. е.