Электронные усилители. Классификация усилителей

Лекция № 5 Электронные усилители. Электронным усилителем называют устройство, обеспечивающее усиление электрических сигналов, поступающих на его вход по напряжению, току или мощности. Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования происходит энергии с помощью источника активных питания. Это преобразование элементов, которые управляются входными сигналами. Входной сигнал подается через электрическую цепь, которая называется входной или входом усилителя. Электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходной цепью. Для выделения усиленного сигнала в выходную цепь включается нагрузка. Нагрузкой может служить резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора или следующий каскад схемы. Нагрузка, по которой протекает постоянная составляющая выходного тока, называется нагрузкой по постоянному току. Сопротивление цепи, по которой протекает переменная составляющая выходного тока, образует нагрузку по переменному току. Для разделения нагрузок по переменному и постоянному току применяются разделительные конденсаторы и трансформаторы. Простейший усилитель содержит один активный элемент с присоединенным к нему пассивными элементами. Каскадом усиления — называют ступень усилителя, содержащую один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями и обеспечивающую усиления сигнала в определенных размерах. Классификация усилителей. Классификация усилителей может быть проведена по нескольким признакам. 1. Характеру усиливаемых сигналов:  гармонических сигналов,  импульсных,  усилители постоянного тока; 2. По ряду усилительных элементов:  транзисторные,  ламповые,  диодные; 3. По функциональному назначению (по роду усиливаемой величины):  усилители тока,  напряжения,  мощности. 4. По числу каскадов:  Одно,  многокаскадные; 5. По диапазону частот электрических сигналов, в пределах которых усилитель может удовлетворительно работать:  Усилители низкой частоты (УНЧ),  Усилители постоянного тока (УПТ),  Избирательные (или селективные) усилители,  Широкополосные или импульсные усилители. 6. По виду связей усилителя с источниками входного сигнала и нагрузкой, а также между многокаскадных усилителях: отдельными каскадами в  реостатно-емкостные;  трансформаторные;  с гальваническими связями. 1. Усилители низкой частоты (УНЧ): предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от единиц Гц до 10 кГц. 2. Усилители постоянного тока (УПТ): Усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие сигналы в диапазоне частот от нуля Гц до единиц Гц. 3. Избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно . Они используются как на низких, так и на высоких частотах и используются в качестве частотных избирательных фильтров. 4. Широкополосные или импульсные усилители. Применяются для усиления сигналов в широкой полосе частот от нескольких килогерц и ниже до нескольких мегагерц и выше. Основные технические показатели и характеристики усилителей. Важнейшими техническими показателями усилителя являются: 1. Коэффициенты усиления (по току, напряжению и мощности); 2. Входное и выходное сопротивления; 3. Выходная мощность; 4. Коэффициент полезного действия; 5. Диапазон усиливаемых частот; 6. Динамический диапазон амплитуд; 7. Нелинейные, частотные и фазовые искажения. Коэффициенты усиления. Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз сигнал на выходе усилителя больше, чем на его входе , , В этом случае коэффициент усиления является безразмерной величиной. Если усилитель представляет собой многокаскадное устройство, то коэффициент усиления многокаскадного усилителя: где n - число каскадов усиления. В электронике получил распространенный способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (ДБ): , , Если усилитель представляет собой многокаскадное устройство, а коэффициент усиления измеряется в логарифмических единицах, то коэффициент усиления многокаскадного усилителя: В общем виде, если вид коэффициента усиления не указан, то пересчет логарифмических единиц в безразмерную величину, производится по формуле: Входное и выходное сопротивления. Входное сопротивление представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя. Оно равно Выходное . сопротивление усилителя определяют между выходными зажимами . Выходная мощность. Выходная мощность - это полезная мощность развиваемая усилителем в нагрузке. При активной характеристике нагрузки мощность равна: Коэффициент полезного действия. К.п.д. есть отношения полезной мощности в нагрузке к мощности потребляемой от всех источников питания: Диапазон усиливаемых частот. Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания усилителя, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не более чем это допустимо по техническим условиям. Рис.1 Полоса пропускания — усилителя. Полоса пропускания — это диапазон частот или разность между верхней и нижней частотой усилителя, в котором коэффициент усиления не опускается ниже величины где , коэффициент усиления на средней частоте. На верхней и нижней частоте коэффициент усиления напряжения или тока составляет , а коэффициент усиления мощности равен 0.5K0 Динамический диапазон амплитуд. Графическая зависимость выходного напряжения усилителя от его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристикой. Рис. 2. Амплитудная характеристика. Нелинейные искажения в усилителях. Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызываемое нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Частотные искажения. Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на разных частотах. Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно-частотной характеристике, представляющей зависимость коэффициента усиления от частоты. Степень искажений на отдельных частотах выражают коэффициентом частотных искажений — М, равным отношению: Обычно наибольшие искажения возникают на границах диапазона частот и . Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициента частотных искажений отдельных каскадов Его удобно выражать в логарифмических единицах — ДБ: Частотные искажения всегда сопровождаются фазовыми искажениями. Фазовые искажения. Фазовые искажения оцениваются по фазочастотной характеристике, представляющей график зависимости угла сдвига фаз — φ между входным и выходным напряжения усилителя от частоты. Причиной этих искажений является присутствие реактивных элементов в схемах усилителя. Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности вольтамперных характеристик усилительных элементов (электронных ламп, транзисторов) и проявляются в искажении формы усиливаемого сигнала.