Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы

Усилитель со стороны выхода можно представить или в виде генератора тока / (рис. 8-1, б), или генератора напряжения Е (рис. 8-1, я) с внутренним сопротивлением Двых, подключенного к нагрузке Rn. Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигналов и источником сигнала для внешней нагрузки.
В зависимости от соотношения внутреннего сопротивления ис­точника входного сигнала RT и входного сопротивления усилителя ЛВх источник сигнала может работать в режиме холостого хода (йвх J> Rr), короткого замыкания (Rsx Rt) и согласования (RRX & Rr). Исходя из этого, усилитель можно назвать соответ­ственно усилителем напряжения (с потенциальным входом), усилителем тока (с токовым входом) или уси­лителем мощности. По соотношению между выходным.

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 1

По характеру потребле­ния электрической энергии в нагрузке на практике обычно раз­личают соответственно усилители напряжения, тока и мощности.

Нагрузкой усилителя может быть не только потребитель электрической энергии, но и вход другого усилителя. В последнем случае усилители представляют собой цепочку (рис. 8-2), на входе которой действует источник усиливаемого сигнала, а к выходу под­ключена нагрузка. При расчете такой сложный усилитель разби­вают на каскады или ступени. По структуре усилители можно классифицировать наоднокаскадные и много­каскадные. Каскады (1, п) нумеруются в возрастающем порядке от входа. Первый каскад называют входным, пред­последний — предвыходным или предоконечным, а послед­ний — выходным или око­нечным.
Способы связи каскадов ме­жду собой, а также способы включения нагрузки к выходу усилителя определяют многие важные свойства усилителя. При передаче сигналов перемен­ного тока или напряжения широко распространен способ соедине­ния выходного электрода предыдущего каскада с входным электро­дом следующего при помощи конденсаторов или трансформаторов. При необходимости усиления очень медленных изменений напря­жений или токов используется гальваническая связь каскадов. В соответствии с перечисленными способами связи усилители называются усилителями с емкостной (или RC) связью, усилителями с трансформаторной связью (транс­форматорные усилители) и усилителями с гальванической связью (усилители постоянного тока). В усилителях мощности наиболее широко используется трансформаторное включение на­грузки к выходному электроду транзистора или лампы. Широкое применение находят усилители с обратной связью, в кото­рых часть энергии с выхода усилителя подается обратно на его вход.
Работу любого усилителя можно оценить различными эксплуа­тационными, количественными и качественными показателями (выходными параметрами).
Коэффициент усиления. Важнейшим количест­венным показателем усилителя является коэффициент усиления. Коэффициентом усиления по напряжению (току или мощности) называется число, показывающее, во сколько раз приращение усиливаемой величины на выходе усилителя превосходит прираще­ние соответствующей величины на его входе.

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 2

Установлено, что изменение громкости звука, воспринимае­мого человеческим ухом, пропорционально логарифму от соот­ветствующего изменения звуковой энергии. В связи с этим коэф­фициент усиления часто выражают в логарифмических едини­цах — децибелах
В ряде случаев для подчеркивания специфики входных и вы­ходных величин усилитель напряжения с токовым выходом харак­теризуют крутизной усилителя ^у = /ьых/С/ВХ7 а усилитель тока с потенциальным выходом — сопротивлением передачи (или пере­даточным сопротивлением) -Rn = Ј/BbIX//BX.
При усилении электрических сигналов, кроме увеличения амп­литуды, происходит сдвиг фаз между выходным и входным напря­жениями. Поэтому коэффициент усиления является комплексной величиной.
Основным качественным показателем усилителя является точ­ность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе кривая изменения напряжения на выходе должна точно повторять форму кривой изменения напряжения на входе. При этом допускается некоторый сдвиг во времени At ме­жду входным (f/BX) и выходным (Ј/Bb!X) напряжениями, равный вре­мени прохождения сигнала через усилитель. Условие неискажен­ного усиления можно записать в виде:

U,m(t) = KUbJ(t-At). (8-5)

Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сиг­нала называют искажениями. Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму выходного сигнала, но причины их появления и методы компенсации различны.
Нелинейные искажения. Нелинейные искажения проявляются в том, что при усилении сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным. В выходном сигнале ; помимо основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляется ряд высших гармоник. У сигнала сложной формы из­меняется спектральный состав. Нелинейные искажения возникают из-за наличия в усилителе элементов с нелинейными вольт-ампер­ными характеристиками. Этот тип искажений обусловлен наличием нелинейных участков характеристик (входных и выходных) тран­зисторов и электронных ламп, сеточных токов, а также нелиней­ностью кривых намагничивания сердечников трансформаторов связи и т. д.
Пример возникновения нелинейных искажений при работе транзистора с ОЭ на нелинейном участке входной характеристики показан на рис. 8-3. Из графика видно, что при подаче на базу на­пряжения синусоидальной формы входной ток базы отличается от синусоиды (кривая несимметрична относительно уровня нулевого отсчета I0q).

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 3

Рис. 8-3. Рис. 8-4.

Из выражения видно, что при аппроксимации входной характеристики квадратичной зависимостью на выходе усилителя появляется дополнительная составляющая сигнала с удвоенной частотой входного сигнала.
Аналогично можно показать возникновение нелинейных иска­жений при работе на нелинейном участке анодно-сеточной харак­теристики электронной лампы (рис. 8-4). Источником нелинейных искажений могут быть и токи в цепи управляющей сетки лампы. Для устранения сеточного ограничения необходимо так выбирать режим работы лампы, чтобы общая величина UC1 не становилась положительной и не превосходила напряжение запирания лампы.
Токи 7ci обычных усилительных ламп не превышают 107 — 10/8 а, а сопротивление Лск практически бесконечно (при UC1 < 0).
Если внутреннее сопротивление источника входного сигнала не­велико, то можно считать, что вся его э. д. с. приложена к проме­жутку сетка — катод лампы, а любые изменения Ег вызывают пропорциональные изменения тока анода. Если же UC1 > 0, то через промежуток сетка — катод протекает большой сеточный ток, сопротивление Вск резко падает (до нескольких килоом), а напря­жение, которое приложено к промежутку сетка — катод лампы и управляет анодным током, становится равным:

Uci = ET RCKl(RCK +Rr).

В большинстве случаев Rr J> 1 ком. Поэтому при —Uoc + + Er > 0 напряжение UC1 я« 0. Кривая переменной составляю­щей анодного тока при этом заметно искажена — верхушка сину­соиды «срезана». Таким образом, при большом Rr без искажений можно усиливать сигналы ограниченной величины.
При наличии нелинейных искажений напряжение или ток пер­вой гармоники является полезным усиленным сигналом. Все выс­шие гармоники, начиная со второй, являются следствием нелиней­ных искажений. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клир-фактором):

,

где п — номер гармоники.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, так как более высо­кие гармоники выходного сигнала обычно имеют малую мощность. В многокаскадных усилителях (когда каскады вносят примерно одинаковые нелинейные искажения) общий коэффициент нелиней­ных искажений принимается равным сумме коэффициентов нели­нейных искажений каждого каскада

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 4

В общем случае нелинейные искажения отдельных каскадов могут частично компенсировать друг друга вследствие сдвига колебаний по фазе. Реальные усиливаемые сигналы, как правило, отличаются от синусоидальных. При их усилении возникают новые гармоники и гармоники комбинационных частот, поэтому вели­чина v не дает полной оценки уровня нелинейных искажений сиг­нала со сложным спектральным составом.
Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой. В многокаскадных усилите­лях наибольшие нелинейные искажения обычно возникают в око­нечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой. Чем больше отдаваемая усилителем мощность, тем выше коэффициент нелинейных искажений. О наличии нелиней­ных искажений при усилении сигнала любой формы и известной амплитуды можно судить по степени отклонения амплитуд­ной характеристики усилителя UBU% = f (UBX) от прямой линии (рис. 8-5). Амплитудная характеристика непри­годна для количественной оценки и позволяет лишь приблизи­тельно определить границы линейности усиления.
Линейные искажения обусловлены в основном зависимостью от частоты коэффициента передачи тока В (или а) и реактивных со­противлений емкостей и индуктивностей, имеющихся в схеме уси­лителя. Уровень линейных искажений не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, а зависит лишь от его частоты. Если на вход усилителя, коэффициент усиления которого без учета реактивно-стей равен К0, подать сигнал UBXm cos со/, то амплитуда выход­ного сигнала не будет равна ожидаемой величине K0UBXln.

Кроме того, выходной сигнал сдвигается по фазе относительно входного. В реальном усили­теле выходное напряжение равно:

вых т = kubx т C0S Ы + ф).,

где К - коэффициент усиления с учетом реактивных элементов; ср - угол сдвига фаз между выходным и входным сигна­лами.

Рис. 8-5. Более того, сигналы со сложным спектральным составом и составляющие раз­ных частот будут усиливаться неодинаково. Различными будут и углы сдвига фаз. Неодинаковое усиление составляющих разных частот и различие их фазовых сдвигов на выходе усилителя назы­вают частотными и фазовыми искажениями.
Рассматривая усилитель, как четырехполюсник, имеющий комплексный коэффициент усиления: К = UBUJUB-n, можно записать в символической форме

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 5

где ср (со) = ср2 (со) - cpx (со) - фаза коэффициента усиления.

В соответствии с выражением (8-9) можно построить ампли­тудно-фазовую характеристику усилителя. На практике принято отдельно рассматривать зависимости от частоты и модуля и аргумента коэффициента усиления. При усилении гармонических колебаний основными характеристиками усилителя являются амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики. Амплитудно-частотная характери­стика представляет собой график зависимости модуля коэффи­циента усиления К от частоты (К = Д (со)). По ней оцениваются частотные искажения усилителя, Фазо-частотная ха­рактеристика - график функции ср = /2 (со), по ней оцениваются фазовые искажения усилителя.
Для неискаженного усиления в диапазоне частот идеальная амплитудно-частотная характеристика должна быть горизон­тальной прямой К (со) = Ко = const (пунктирная прямая на рис. 8-6, а) г. Амплитудно-частотные характеристики реальных усилителей имеют завалы в области высших и низших частот.

При оценке неравномерности частотной характеристики усили­теля низкой частоты пользуются коэффициентом ча­стотных искажений М, дающим количественную оценку этих искажений [1]:

М = К/К0, (8-10), где К - коэффициент усиления на рассматриваемой частоте; Ко - коэффициент усиления на некоторой средней частоте (/„) рассматриваемого диапазона.

к н

a) 6)

Обычно определяются коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах заданного диапазона:

МН=КН/К0; (8-11а)

МВ = КВ/К0, (8-116), где Кн и Кв - коэффициенты усиления на низшей и высшей часто­тах соответственно.

1 Амплитудно-частотные характеристики широкополосных усилителей обычно строятся в полулогарифмическом масштабе.

У разных типов усилителей величины Мн и Мв могут быть как больше, так и меньше единицы, так как коэффициент усиления на некоторых частотах может быть либо выше, либо ниже коэффи­циента усиления на средних частотах. Соответственно и ампли­тудно-частотная характеристика будет иметь участки подъема или завала.
По амплитудно-частотной характеристике можно определить граничные частоты и полосу пропуска­ния усилителя. .Граничными частотами /гр (или шгр) называют те частоты, на которых коэффициент усиления отли­чается от коэффициента усиления на средней частоте на заданную величину. Граничными частотами удобно считать те высшие (/в гр) и низшие (/н.гр) частоты, на которых коэффициент усиления сни­жается до уровня 0,707 по напряжению (М = ИУ~2) и до уровня 0,5 по мощности, т. е. в обоих случаях падает на 3 дб. Диапазон частот/в.гр - /н.гр называется условной полосой про­пускания усилителя.

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 6

По ширине рабочего диапазона частот усилители разделяют на и/3 бирательные и широкополосные. Для избирательных усилителей характерно соотношение /в гр ж /н гр (рис, 8-6, б). В большинстве случаев избирательные усилители предназначены для работы на высоких радиочастотах, и в них используются колебательные контуры. Широкополосные усили­тели характеризуются неравенством / в гр ^> /н.гр- К широкополос­ным усилителям относятся, например, импульсные усилители. На амплитудно-частотных характеристиках широкополосных усили­телей различают области низших, средних и высших частот. Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляю­щих сигнала после прохождения через усилитель. Влияние фазо­вых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 8-7, а ж б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол ср = - л/4. Из графика видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя. Условие отсутствия фазовых иска­жений можно найти из следующих соображений.
В усилителе без искажений допустим временной сдвиг At между входным и выходным сигналами. Любая гармоническая составляющая входного сигнала может быть записана в виде

Рис. 8-7.

Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазо-частотной характеристикой является прямая, начинающаяся в начале коор­динат (пунктирная линия на рис. 8-7, в). Фазо-частотная характе­ристика реального усилителя имеет вид, показанный на рис. 8-7, в сплошной линией.
Необходимо отметить, что и частотные и фазовые искажения обусловлены одними и теми же причинами и проявляются одно­временно: большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.
Кроме рассмотренных показателей, часто необходимо знать к. п. д. усилителя, динамический диапазон амплитуд входного сигнала, уровень собственных шумов, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др.

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 7

Коэффициент полезного действия явля­ется важным показателем усилителей мощности. Различают пол­ный и электрический к. п. д.
Полный к. п. д. определяется как отношение

4a = PlP0,w (8-16), где Р - полезная мощность, развиваемая усилителем (каскадом); Робщ — мощность, потребляемая всеми цепями усилителя от всех источников питания.

Электрический к. п. д. определяется по отношению к коллектор­ной цепи транзистора (или к анодной цепи лампы) и равен:

Tl-P/Po, (8-17), где Р0 - мощность, потребляемая цепью коллектора от источника питания (или цепью анода от ис­точника анодного питания).

Импульс, воздействующий на уси­литель, может быть одиночным. Чаще приходится встречаться с последовательностью импульсов, в которой два соседних импуль­са разделены интервалом времени большим, чем время восстанов­ления усилителя, на вход которого эти импульсы воздействуют. Кроме того, используются сигналы в виде скачков, когда измене­ние тока (напряжения) от одной величины до другой происходит в течение очень малого промежутка времени.

Электрические импульсы могут быть различной формы: прямо­угольные, треугольные, экспоненциальные и др. (рис. 8-8). Они могут быть однополярными и двуполярными. Электрические им­пульсы характеризуются амплитудой А и длительностью импульса t„. Для управления работой отдельных элементов и узлов цифро­вых вычислительных машин, а также при исследовании различ­ных схем наиболее часто используются импульсы, близкие к пря­моугольным, или их периодические последовательности. Перио­дическая последовательность импульсов характеризуется перио­дом повторения Т (или частотой следования F = 1Т) и скваж­ностью S, которая определяется как отношение периода к длитель­ности импульса S = T/tu.

Идеальный прямоугольный импульс образуется из двух скач­ков равной величины, но различной полярности. Второй скачок сдвинут относительно первого на время, равное длительности им­пульса tK. Форма реальных электрических импульсов (рис. 8-9) отличается от идеальных. Наиболее характерны следующие иска­жения: конечная длительность переднего и заднего фронта, спад вершины импульса. В ряде случаев на вершине импульса наблюдаются вы­бросы (например, при наличии в цепях корректирующих индуктивностей). За длительность фронта Јф принимается время, в течение которого напряжение или ток изменяется с 0,1 до 0,9 (или с 0,9 до 0,1) от установившегося значе­ния. Активную длительность реального импульса tH обычно оценивают на уров­не 0,5 А. В усилителе фронт выходного

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 8

Методы анализа усилителей. Если на вход линейного усилителя подать синусоидальный сигнал, то и на выходе усилителя сигнал остается прибли­женно синусоидальным, изменяется лишь его амплитуда и возникает фазовый сдвиг. При передаче гармонических сигналов с неизменной амплитудой и ча­стотой усилитель работает как бы в установившемся режиме и к нему приме­ним принцип суперпозиции. Пользуясь этим принципом, можно упростить
анализ реакции усилителя на периодические сигналы со сложным спектральным составом, представляя их в виде суммы простых гармо­нических сигналов и рассматривая передачу усилителем каждого простого сигнала неза­висимо от остальных. Наличие амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик достаточно для описания свойств усилителя при передаче периодических сигналов.
Иначе обстоит дело при передаче усили­телем непериодических сигналов. Импульсный одиночный сигнал состоит из участков с раз­ными скоростями изменения (их спектральный состав очень широк). Например, идеальный прямоугольный импульс состоит из участков с бесконечно большой и нулевой производными напряжения по времени. Под действием такого сигнала в уси­лителе возникает переходный процесс. Поэтому при усилении импульсов целесообразно основные свойства усилителя описывать переходной характе­ристикой. Переходной характеристикой усилителя называют зависимость от времени выходного сигнала ивых (t) = h (t) при воз­действии на входе единичного скачка напряжения (рис. 8-10). Единич­ным скачком напряжения называется временная функция, которая при любом t < 0 тождественно равна нулю и при любом t ^ 0 равна единице. Она обозначается 10 = 1 (t).
Линейные искажения импульсного сигнала проявляются в неточной передаче участков с очень большой и очень малой скоростями изменения. В результате неточной передачи участков с очень боль­шой скоростью изменения возникает запаздывание импульса и уменьшение крутизны его фронтов;, а в результате неточной передачи участков с малой
скоростью изменения - спад вершины. Зная переходную характеристику, можно определить воспроизведение усилителем непериодического сигнала любой формы, представив этот сигнал в виде суммы элементарных скачков и воспользовавшись принципом суперпозиции.

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 9

Таким образом, качество работы усилителя определяется его реакцией либо на сигнал синусоидальной формы, либо на скачок напряжения. При количественном и качественном исследовании усилителя необходимо рассчи­тать искажения выходного сигнала и предусмотреть меры снижения этих искажений до допустимых пределов.
Выходной и входной сигналы усилителя связаны линейным дифферен­циальным уравнением. Для большинства схем решение этих дифференциаль­ных уравнений довольно сложно. Для упрощения расчетов применяют или символический, или операторный метод.
Если усилитель предназначен для работы с гармоническими сигналами, то его анализ удобно производить символическим методом, в котором синусоидальный сигнал заменяется комплексом, а амплитуда сину­соидального сигнала выбирается равной его вещественной составляющей
В символическом методе операции дифференцирования и интегрирования синусоидальной функции времени сводятся к операциям умножения и деле­ния ее символа на «оператор» /<в. Пользуясь этим методом, легко рассчитать коэффициент усиления и разность фаз между входным и выходным сигналами, построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.
Часто при символическом методе не нужно составлять дифференциальные уравнения, так как необходимое решение можно получить, пользуясь законом Кирхгофа, приписав индуктивностям и емкостям схемы символические со­противления jcoL и 1//шС. Этот метод очень трудоемок при расчетах формы сложного сигнала на выходе усилителя с искажениями. Большую помощь при использовании символического метода оказывают ряды Фурье.
Если усилитель предназначен для работы с импульсными сигналами, то расчет целесообразно производить операторным методом, в основу которого положено функциональное преобразование Лапласа.
Популярность операторного метода объясняется наличием таблиц, свя­зывающих оригиналы и операторные изображения многих функций, благодаря чему в большинстве случаев просто и удобно найти решение, не приме­няя операции интегрирования.
Таким образом, операторной переходной характеристикой четырехпо­люсника является его операторный коэффициент передачи для синусоидаль­ного напряжения.
Переходную характеристику h (t) можно найти следующим образом: все сопротивления записываются в операторной форме; обычными методами (по законам Ома и Кирхгофа) находится операторный коэффициент передачи четырехполюсника К (р) - Н (р); находится оригинал полученного опера­торного изображения, т. е. h (t) = К (р).

Классификация и типы усилителей. Основные характеристики и показатели работы № 10

Зная форму входного сигнала, по известному операторному коэффициенту передачи К (р) можно определить форму сигнала на выходе. Для этого необ­ходимо найти: операторный входной сигнал UBX (р) = UBX (t); операторный выходной сигнал с7Вых (р) = UBX (р) К (р); оригинал функции, соответствую­щей выходному сигналу UBblX (t) = UBblX (р).
По известным амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристикам можно найти переходную характеристику и, наоборот, зная переходную ха­рактеристику, можно определить две первые. Мы нашли, что К (р) = Я (р) Ф h (t), т. е. операторная амплитудно-фазовая характеристика является
изображением переходной характеристики.
Эти равенства показывают, что в усилителе переходный процесс в на­чальный момент времени (t -»- 0) определяется способностью усиливать выс­шие частоты (/со -> оо), а с возрастанием времени (t -> оо) - способностью усиливать низшие частоты (/со -> 0).