Классификация усилителей. Параметры и характеристики

В соответствии с характером изменений напряжения (тока), которые должны воспроизводиться после усиления в цепи нагрузки, различают 2 класса усилителей:

1. усилители постоянного тока. Усиливают сколь угодно медленные изменения входного напряжения (тока);

2. усилители переменного тока. Усиливают колебания с определенной частотой.

В зависимости от формы усиливаемых сигналов, их частоты и требований к сохранению тех или иных характеристик этих сигналов усилители подразделяются на ряд типов:

- усилители среднего значения. К ним предъявляются только требования прямой пропорциональности среднего значения напряжения (тока) в цепи нагрузки среднему значению входного напряжения (тока);

- широкополосные усилители. К ним предъявляются требования к одинаковости коэффициента усиления для синусоидальных колебаний различных частот при достаточно большой разнице между частотами.

Широкополосные усилители, предназначенные для работы в звуковом диапазоне, называются усилителями низкой частоты.

Широкополосные усилители, в которых осуществляется коррекция частотных искажений для различных гармонических составляющих входного сигнала, называются видеоусилителями. Разновидностью видеоусилителей являются импульсные усилители, предназначенные для усиления импульсных сигналов.

- избирательные усилители, служат для выделения отдельных гармонических сигналов существующих на фоне помех.

Усиление сигнала означает не только повышение уровня его мощности, но и сохранение в той или иной мере его формы.

Отклонения формы выходного сигнала от формы входного сигнала называются искажениями.

Различают искажения двух видов: линейные и нелинейные.

Линейные искажения появляются в результате воздействия реактивных элементов, емкостей и индуктивностей.

При подаче на вход идеального усилителя (т.е. не имеющего искажений) синусоидального сигнала и коэффициенте усиления K выходной сигнал будет равен .

При рассмотрении простейшей RC цепочки (рис. 3), можно записать

Модуль коэффициента передачи

Фаза равна

Очевидно, что и коэффициент передачи и фаза являются функциями частоты. Включение элементов R и C по схеме рис. 3а, вызывает уменьшение усиления с повышением частоты, а по схеме рис. 3б, уменьшение усиления с понижением частоты.

а)

б)

Рис. 3 Простейшие RC – цепи

В усилителе содержатся более сложные схемы соединения R и C, кроме того, добавляется влияние активных элементов. Поэтому зависимости коэффициента усиления и фазы от частоты получаются более сложные.

Для характеристики линейных искажений используются частотные характеристики - зависимости коэффициента усиления от частоты (рис. 4). При этом граничной частотой называется та частота, при которой усиление отклоняется на заданную величину от номинального, на низких частотах граничная частота F_н, а на верхних - F_в.

Рис. 4 Амплитудно – частотные характеристики усилителя

Обычно в усилителях граничные частоты определяют по уровню уменьшения усиления на 3 дб; для напряжения это 0,707, для мощности – 0,5.

Часто величину частотных искажений задают с помощью коэффициентов частотных искажений.

Тогда

Диапазон частот называется полосой пропускания усилителя.

В широкополосных усилителях различают области низших и высших частот, с большими амплитудными и частотными искажениями, и область средних частот, где искажения невелики.

При усилении импульсных сигналов частотной характеристики для анализа искажений недостаточно. Импульсы, как правило, состоят из участков с резко различными скоростями изменения (например, прямоугольный импульс). Очевидно, при усилении такого сигнала в каждой из точек излома будет происходить переходный процесс. Поэтому основная характеристика импульсного усилителя – переходная, его реакция на входной сигнал ступенчатой формы (рис. 5).

К линейным искажениям импульсного сигнала относятся: время запаздывания - время от начала подачи скачка напряжения до момента, когда амплитуда его достигает значения 0,5 от максимального, время нарастания - время изменения амплитуды напряжения от 0,1 до 0,9 от максимума и время спада - время изменения амплитуды напряжения от 0,9 до 0,1.

Частотные и переходные характеристики описывают один и тот же усилитель, но в условиях разной формы сигнала.

Рис. 5 Переходная характеристика усилителя

Из анализа работы схем рисунка 3 видно, что параллельное включение емкости С вызывает завал частотной характеристики в области верхних частот, определяемый величиной постоянной времени ; но при прохождении по цепи импульсного сигнала величина этой постоянной определяет время нарастания переднего фронта . Для практических целей используется соотношение .

Последовательное включение емкости С в совокупности с величиной сопротивления R, вызывает завал в области низших частот. На переходную характеристику величина постоянной времени влияет на скорость спада плоской вершины. Таким образом, малые искажения фронтов переходной характеристики означают хорошее воспроизведение высоких частот, а малые искажения плоской части - хорошее воспроизведение низких частот.

Нелинейные искажения. При входном сигнале синусоидальной формы выходной сигнал несинусоидален, т.е. в выходном сигнале появляются дополнительные гармонические составляющие.

Величина нелинейных искажений в случае синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клирфактором).

где n - номер гармоники.

Нелинейные искажения появляются из-за нелинейности вольтамперных характеристик активных элементов, т.е. полное отсутствие нелинейных искажений в усилителе принципиально невозможно.

Качественно оценить наличие нелинейных искажений можно по амплитудной характеристике, зависимости выходного напряжения от входного (рис. 6). Видно, что увеличение амплитуды входного сигнала выше определенного предела не вызывает увеличения амплитуды выходного сигнала.

Рис. 6 Амплитудная характеристика усилителя

С амплитудной характеристикой связана еще одна важная характеристика усилителя - его динамический диапазон, способность усилителя усиливать без искажений входные сигналы с различными амплитудами.