Основными показателями усилителя являются выходное напряжение или выходная мощность, коэффициент усиления, допустимые искажения, частотная, фазовая и амплитудная характеристики, динамический диапазон частот, коэффициент полезного действия и уровень собственных шумов.
Выходным номинальным напряжением (мощностью) усилителя называется наибольшее значение напряжения (мощности) сигнала на выходе усилителя, при котором искажения не превышают величин, оговоренных в техническом задании. Величина выходного напряжения или мощности определяется уровнем сигнала, который необходимо выделить на нагрузке: например, если нагрузкой является электроннолучевая трубка, то задаются выходным напряжением; если на выходе стоит динамик, то задаются выходной мощностью.
Коэффициентом усиления называется отношение напряжения, тока или мощности сигнала на выходе усилителя соответственно к напряжению, току или мощности сигнала на входе усилителя.
Входное напряжение, ток и мощность связаны соотношениями
(218)
Эти же величины на выходе:
(219)
Тогда, согласно определению, коэффициент усиления по напряжению
(220)
где Ki — коэффициент усиления по току. Коэффициент усиления по мощности:
(221)
При значениях Кu или Ki больше единицы Кp может стать меньше единицы. Но при определенных соотношениях между сопротивлениями Rвых и Rвх можно получить усиление по мощности больше единицы, если даже коэффициент усиления по напряжению (или по току) меньше единицы.
На практике коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:
К(дб0 = 20 lgKu = 20 lgKi = 10 lgKp. (222)
Если К = 1 дб, то Uвых/Uвх=10 Кдб/20 = 100,05 = 1,12,
т. е. усилению в 1 дб соответствует увеличение выходного напряжения на 12% по отношению к напряжению на входе. Например, если Uвых/Uвх= 10, то К = 20 дб; если Uвых/Uвх=100, то К=40 дб.
Форма сигнала на выходе усилителя должна соответствовать форме сигнала на его входе. В противном случае усилитель будет вносить искажения в усиливаемый сигнал. Различают три вида искажений при усилении: нелинейные, частотные и фазовые.
Причиной нелинейных искажений являются нелинейные элементы схемы. Частотные искажения связаны с искажением формы выходного сигнала вследствие неравномерного усиления составляющих сложного сигнала в полосе рабочих частот.
Зависимость коэффициента усиления от частоты: К = φ (F) называется частотной характеристикой усилителя. Идеальная частотная характеристика проходит параллельно оси частот, это означает, что сигналы всех частот усиливаются одинаково. В действительности же имеет место неравномерность усиления сигналов разной частоты.
 |
Область частот, в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают величин, оговоренных в технических условиях, называется полосой пропускания или диапазоном частот усилителя. На рис. 132, а показана частотная характеристика усилителя, которому свойственно уменьшение усиления в области верхних частот. Рис. 132. Частотная (а); фазовая (б) и амплитудная (в) характеристики усилителя: — реальные; ---идеальные. |
Количественно частотные искажения оценивают коэффициентом частотных искажений М, который представляет собой отношение коэффициента усиления на средней частоте рабочего диапазона Кср к коэффициенту усиления на крайней рабочей частоте Ккр:
(223)
Если усилитель состоит из n каскадов, то общий коэффициент частотных искажений равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:
Мобщ= МIМII...Мn.
Частотные искажения обычно выражают в децибелах:
М(дб) = 20 IgAf;
Мобщ (дб) = МI(дб) + МII(дб) + ... + Мn (дб)
Фазовые искажения возникают из-за нарушения сдвига фаз между составляющими сложного сигнала вследствие наличия в схеме усилителя реактивных элементов. Если при усилении сдвиг фаз между составляющими сложного сигнала сохраняется неизменным либо изменяется, но пропорционально частоте, то в этих случаях фазовые искажения отсутствуют. Так, если на выход усилителя поступает сигнал
uвх = Um1 sin ωt+ Um2 sin 2ωt + Um3 sin 3ωt,
а на выходе появится напряжение
то все составляющие выходного сигнала оказываются сдвинутыми на одно и то же время Это свидетельствует о том, что форма сигнала осталась прежней и фазовые искажения действительно отсутствуют.
Зависимость сдвига фазы от частоты называется фазовой характеристикой усилителя (рис. 132, б). По отклонению реальной характеристики усилителя от прямой можно судить о степени ожидаемых фазовых искажений.
Для оценки искажений при усилении импульсных сигналов пользуются переходными характеристиками, представляющими собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход прямоугольного скачка напряжения. Форма скачка на выходе отличается от прямоугольной вследствие линейных искажений, вызываемых наличием в схеме реактивных элементов. Они проявляются в виде наклона фронта импульса, выброса импульса, завала плоской его вершины.
Зависимость выходного напряжения усилителя от входного при постоянной частоте сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя (рис. 132, в). При малых входных сигналах она имеет изгиб, обусловленный наличием собственных шумов в усилителе (наводки, фон, тепловые шумы и т. д.). Изгиб в верхней части характеристики при больших входных сигналах вызван перегрузкой со стороны входа усилителя. Рабочим участком амплитудной характеристики является ее линейный участок.
Отношение максимального входного напряжения усилителя к минимальному входному напряжению сигнала называется динамическим диапазоном усилителя:
(224)
Усилитель будет работать с малыми искажениями при условии, если Dу будет больше динамического диапазона сигнала:
Коэффициент полезного действия является важным параметром, определяющим
экономичность усилителя. Различают электрический и промышленный к. п. д.
усилителя.
Электрический к. п. д. представляет собой отношение мощности Р,
развиваемой усилителем, к мощности P0, потребляемой усилителем от
источника анодного питания:
(225)
Промышленный к. п. д. определяется отношением полезной мощности, развиваемой усилителем, к мощности Р0, потребляемой от источника питания:
Промышленный к. п. д. меньше электрического, так как он учитывает потери мощности источника питания в цепях накала, в цепях управляющей и экранирующей сеток.
