Типы усилителей. Расчет коэффициентов усиления
Усилитель – это прибор, который предназначен для усиления мощности сигнала.
Все усилители можно разделить на три основные группы:
- Усилители напряжения.
- Усилители электрического тока.
- Усилители мощности.
Усилитель напряжения способен усиливать входное напряжение в установленное число раз. А коэффициент его усиления можно рассчитать следующим образом:
$Ku = Uвых / Uвх$
где: Ku - коэффициент усиления по напряжению; Uвых - напряжение на выходе усилителя; Uвх - напряжение на входе усилителя.
Выходное напряжение, которое усиливается, не должно изменяться в зависимости от тока нагрузки и ее сопротивления. В идеале выходное сопротивление должно быть равно нулю, но такое невозможно на практике. Поэтому усилители напряжения проектируют таким образом, чтобы выходное сопротивление было минимально.
Усилитель электрического тока усиливает входной ток в необходимое число раз, это число называется коэффициентом усиления по току и может быть рассчитано следующим образом:
$Ki = Iвых / Iвх$
где: Ki - коэффициент усиления по току; Iвых - сила тока в цепи нагрузки; Iвх - сила тока во входной цепи.
Суть действия усилителя электрического тока заключается в следующем - при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки получается сила тока, которая больше во много раз, независимо от номинала нагрузки. Поэтому здесь уже работает второй закон Ома:
$I = U / R$
Главное отличие усилителя мощности от усилителей напряжения и электрического тока заключается в том, что в нем увеличиваются и напряжение, и электрический ток. Формула для расчета мощности имеет в этом случае следующий вид:
$Р = U * I$
где: Р - мощность; U - напряжение; I - сила тока.
Следовательно, коэффициент усиления мощности для данного типа усилителя может быть рассчитан по следующей формуле:
$Kp = Pвых /Рвх$
где: Кр - коэффициент усиления по мощности; Рвых - выходная мощность усилителя; Рвх - входная мощность усилителя.
Еще одним признаком, согласно которому классифицируются современные усилителя является полоса пропускания. По ширине данной полосы различают:
- Усилители постоянного тока.
- Усилители низкой частоты.
- Усилители высокой частоты.
- Широкополосные усилители.
- Узкополосные усилители.
Основные параметры усилителей и их расчет
К основным параметрам усилителей относятся: входное и выходное сопротивление, искажения, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия, рабочий диапазон частот, динамический диапазон усилителя, собственные шумы усилителя, амплитудная характеристика и отношение сигнал/шум. Рассмотрим схем представленную на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В данном случае входное сопротивление рассчитывается по следующей формуле:
$Rвх = Uвх / Iвх$
Данная формула применима как к постоянному, так и к переменному току. Немного сложнее с расчетом выходного сопротивления. Если мы замкнем накоротко клеммы 4 и 3, то в выходной цепи появится ток короткого замыкания.
Рисунок 2. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
То есть
Рисунок 3. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
По закону Ома:
$Rвых = Евых / Iкз$
Чтобы рассчитать Eвых, достаточно разомкнуть цепь и измерить напряжение. По той причине, что у вольтметра высокое сопротивление, то в цепи практически будет отсутствовать ток. И если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то ток короткого замыкания будет бесконечно малым. Таким образом этим током можно пренебречь. А если сила тока равна нулю, то падение напряжения на Rвых будет равно 0.
Рабочий диапазон частот – это диапазон частот, в котором коэффициент усиления меняется в пределах, которые заданы техническими условиями.
Отношение сигнал шум определяется по следующей формуле:
$SNR = Pсигнал / Ршум = (Uсигнал /Uшум)(2)$
Из-за того, что значение данной величины достигает больших значений в цифрах, то, как правило, его выражают в децибелах:
$SNR = 10lg(Pсигнал / Ршум) = 20lg(Uсигнал / Uшум)$
Где: Рсигнал - мощность мигнала; Ршум - мощность шума; Uсигнал - среднеквадратичное значение полезного сигнала; Uшум - среднеквадратичное значение шумового сигнала.
Динамический диапазон усилителя представляет собой отношение допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, который обеспечивает установленное отношение сигнал/шум:
$D = 10lg(Pвыхмакс / Рвыхмин) = 20lg (Uвыхмакс / Uвыхмин)$
Коэффициент полезного действия является отношением мощности на нагрузке усилителя к мощности, потребляемой им от источника питания, то есть:
$кпд = Рвых / Рип$
где, Рвых - мощность на нагрузке; Рип - мощность, которая потребляется источником питания.
Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость амплитуды сигнала на выходе от сигнала на входе усилителя, при условии фиксированной частоты. Для идеального усилителя амплитудная характеристика выглядит следующим образом:
Рисунок 4. Амплитудная характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Однако, на практике этого невозможно добиться, а реальная амплитудная характеристика выглядит следующим образом:
Рисунок 5. Амплитудная характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Из данного графика понятно, что даже если входное напряжение равно нулю, то на выходе усилителя все равно образуется какой-либо шум, чей уровень и будет являться напряжением шума.
