Основные параметры усилителей

6. Основные параметры усилителей

До сих пор мы рассматривали параметры и характеристики, описывающие разнообразные свойства транзисторов как основных усилительных элементов в составе электронных усилителей. Однако существуют показатели, по которым оценивается работа всего такого усилителя (или функционально законченных отдельных его каскадов) в целом. Данные параметры зависят не только от свойств применяемых в усилителе транзисторов, но и от качества самой принципиальной схемы и точности ее настройки.

К числу основных электрических показателей, характеризующих работу усилителя, относятся следующие:

– коэффициент передачи или коэффициент усиления;

– динамическая и амплитудная характеристики;

– динамический диапазон;

– предельная чувствительность;

– амплитудно-частотная характеристика;

– фазочастотная характеристика;

– амплитудно-фазовая характеристика;

– линейные искажения: оцениваются соответствующими коэффициентами линейных (частотных и фазовых) искажений; нелинейные искажения: оцениваются разнообразными коэффициентами (коэффициент нелинейных искажений коэффициент интермодуляцйи и т.п.).

Коэффициент передачи

Коэффициент передачи — это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи (наиболее распространены операторные формы по Фурье или Лапласу, а соответствующие коэффициенты передачи иногда называют операторными коэффициентами передачи). При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемый сигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функции операторного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющими достаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления. Различают:

коэффициент усиления по напряжению

— где  и

амплитудные или действующие значения выходного и входного сигналов;

коэффициент усиления по току

—где  и

амплитудные или действующие значения выходного и входного токов.

коэффициент усиления по мощности

Довольно часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах — децибелах, [дБ]:

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, то его общий логарифмический коэффициент усиления находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов:

=К₁ К₂К₃...;

Более того, логарифмические единицы оказались настолько удобны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивается по отношению к уровню мощности в 1 мВт. При этом со знаком "+" или "-" пишется разность в децибелах текущего уровня мощности от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчета. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт), т.е., например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10 мВт — +10 дБм, 0,01 мВ т — -20 дБм и т.п. Точно так же можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряжение. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1 мкВ, а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.

Динамическая и амплитудная характеристики

Динамическая характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения  от мгновенного значения входного напряжения U_BX(t) при гармоническом входном воздействии. Зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения

называется амплитудной характеристикой. Точка окончания линейного участка динамической характеристики носит название точки компрессии.

Динамический диапазон

Отношение (в децибелах) наибольшего допустимого значения амплитуды входного напряжения к ее наименьшему допустимому значению называется динамическим диапазоном амплитуд (или просто динамическим диапазоном). Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления (точка компрессии). В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала.

Фазочастотная характеристика

Фазочастотная характеристика (ФЧХ)— зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон частот(диапазон пропускаемых частот или полоса пропускания) представляет собой некоторый интервал значений частоты от f_H до f_B, внутри которого коэффициент усиления изменяется по определенному закону с известной степенью точности. Например, высококачественный усилитель низкой частоты должен характеризоваться законом К = const в диапазоне частот сигнала от f_min = 10 Гц до f_max = 20 кГц. Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ, т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в раза.

Амплитудно-фазовая характеристика

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) — зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи.

Понятия об АЧХ, ФЧХ и АФХ становятся определенными лишь по отношению к линейным усилителям.

Переходная характеристика

Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.

Линейные искажения

Отклонения частотных характерастик от идеальных в рабочем диапазоне частот называются частотными искажениями. Мерой частотных искажений является нормированное (относительное) усиление на границах рабочего диапазона частот, которое определяется как отношение коэффициента усиления на границе рабочего диапазона (К_Н, К_В)к коэффициенту усиления на средней рабочей частоте (К₀):

;

;

Часто используют величину, обратную нормированному усилению. Она носит название коэффициента частотных искажений.

M_H=1/G_H; M_B=1/G_B.

Вследствие отклонения реальной фазочастотной характеристики усилителя от идеальной в нем имеют место фазовые искажения. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. В результате такого неодинакового сдвига по фазе отдельных гармоник форма сигнала на выходе усилителя может стать существенно отличной от формы входного сигнала. Если вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте п-й гармоники пропорционален частоте , то сигнал на выходе усилителя окажется смещенным во времени на величину . Ее называют временем задержки или временем фазового пробега. Таким образом, если  — вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте п-й гармоники — пропорционален частоте (), то взаимное расположение гармоник, а следовательно, и форма сигнала не подвергаются изменению.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания f=f_B —f_H, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала.

Нелинейные искажения

Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

,

где , — амплитуды 1-й, 2-й, 3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15...20%, а для высококачественных усилителей современной стереоаппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

Еще один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в выходном сигнале т.н. комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармониками различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имеют значение интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если  и f₂ — частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго порядка обусловлены наличием на выходе усилителя сигналов с частотами f₁ ±f₂, а интермодуляционные искажения третьего порядка — с частотами 2 ±f₂ и 2f₂ ±). Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превышающей уровень собственных шумов усилителя.

Абсолютный уровень интермодуляционных искажений принято оценивать по положению т.н. интермодуляционных точек. Если линейный участок динамической характеристики условно продлить в области высокой входной мощности (когда эта характеристика на самом деле уже не линейна) и одновременно наложить на этот график линию, отражающую суммарную мощность интермодуляционных составляющих второго (третьего) порядка, то точка пересечения этой линии с продленным графиком называется, соответственно, точкой интермодуляции второго (третьего) порядка.

В реальных схемах интермодуляционные искажения второго порядка часто растут медленнее интермодуляционных искажений третьего прядка. Так что интермодуляционная точка третьего порядка лежит ниже (соответствует меньшему уровню входной мощности) интермодуляционной точки второго порядка и имеет большее значение.

Помимо интермодуляционных точек часто говорят о соответствующих им динамических диапазонах по интермодуляции. Выше мы уже дали определение амплитудного динамического диапазона как отношения амплитуд сигнала в точке компрессии и в точке его возможного минимума (определяется собственными шумами). Аналогично вводится и понятие динамического диапазона по интермодуляции, т.е. диапазона уровней мощности входного сигнала, в котором обеспечивается его "безынтермодуляционная" обработка. Снизу такой диапазон также ограничен уровнем собственных шумов усилителя. А вот его верхняя граница определяется как точка, в которой уровень соответствующих интермодуляционных помех становится выше уровня собственных шумов, т.е. эти помехи начинают оказывать на выходной сигнал влияние большее, чем собственные шумы.

Коэффициент шума

Коэффициент шума характеризует уровень шумов (искажений случайного характера, обусловленных различными механическими, тепловыми, молекулярными, электронными и т.п. процессами в радиокомпонентах и соединительных проводниках), привносимых в сигнал при его прохождении через усилитель. В реальных условиях сигнал уже содержит шумы, когда поступает на вход усилителя. Поэтому коэффициент шума определяется следующим образом:

 — мощность шумов на входе усилителя;

— мощность шумов на выходе усилителя;

— мощность полезного сигнала на входе усилителя;

 — мощность полезного сигнала на выходе усилителя;

— собственная мощность шумов (мощность добавляемых в сигнал шумов).

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:

 

Выходная мощность

Номинальная выходная мощность — мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е.максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений.

Входные и выходные параметры усилителя

Помимо параметров, описывающих работу усилителя в целом, не менее важными являются характеристики его входной и выходной цепей. К ним относят в первую очередь входное и выходное сопротивления усилителя:

где

— номинальные амплитудные значения напряжения и тока первой гармоники на выходе усилителя.

В высокочастотных усилителях значительными становятся реактивные составляющие, поэтому здесь должны рассматриваться комплексные амплитуды:

Комплексные величины, называют, соответственно, входным и выходным импедансом усилителя. В диапазоне СВЧ, где анализ цепей производится в терминах их волновых свойств, для оценки параметров входных и выходных цепей усилителя могут применяться соответствующие коэффициенты отражения по входу/выходу

7. Обратные связи в усилителях

Одной из особенностей электронных усилителей является то, что они обладают преимущественно однонаправленной передачей сигналов, т.е. такой, при которой прохождение сигнала со входа на выход существенно лучше, чем обратное прохождение с выхода на вход. Однако иногда такое прохождение (с выхода на вход) может оказаться полезным (в какой-то мере это всегда и неизбежно ввиду наличия внутренних паразитных связей в транзисторах усилительного каскада). В этом случае говорят о введении в усилительный каскад цепей обратной связи (ОС).

Цепи ОС позволяют существенно влиять на многие параметры усилительных каскадов. В первую очередь к ним относятся: коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, входное сопротивление и т.п. Различают положительную (ПОС) и отрицательную (ООС) обратные связи. Возникающие помимо желания разработчика обратные связи принято называть паразитными.

Для реализации обратных связей могут использоваться самые разнообразные схемотехнические решения. В общем случае в транзисторных усилительных каскадах имеет смысл различать обратную связь по току и обратную связь по напряжению.

Вообще, изучение видов, способов реализации и характера влияния различных ОС на усилительные каскады не относится к задаче этой книги. Для подробного изучения теории обратной связи следует обратиться к специальной литературе (см. список литературы в конце книги). Однако в дальнейшем при описании конкретных схем будут приводиться и варианты включения в них различных цепей ОС, оказывающих положительное влияние на характеристики и параметры.

Список литературы

1)  Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. — М.: Радио и связь, 2005

2)  Булычев А.Л. и др. Электронные приборы: Учебник. — М.: Лайт Лтд., 2008

3)  Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. — М.: Горячая Линия — Телеком, 2009

4)  Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. — СПб.: Корона-принт, 2008

5)  Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.— М.: 2007

6)  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003.