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).
|