ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Основні технічні показники підсилювачів

Коефіцієнт підсилення.Коефіцієнтом підсилення називається величина, що показує, у скільки разів вихідний параметр підсилювача більше вхідного, тобто

 

 

Відповідно розрізняють коефіцієнти підсилення за напругою , струмом та потужністю .

Значення коефіцієнта підсилення в різних підсилювачах може сягати декількох сотень. Але й цього в деяких випадках недостатньо для отримання на виході підсилювача сигналу потрібної амплітуди. Тоді використовують послідовне включення декількох підсилювальних каскадів (рис.1.2). Для багатокаскадних підсилювачів загальний коефіцієнт підсилення дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів, оскільки вхід наступного каскаду є виходом попереднього:

Рисунок 1.2. – Структурна схема трикаскадного підсилювача

 

Коефіцієнт підсилення, обчислений за формулою (1.1), являє собою безрозмірну величину. Враховуючи, що в сучасних підсилювальних схемах коефіцієнт підсилення, виражений в безрозмірних одиницях, набуває дуже великих значень, в електроніці досить поширеним є спосіб подання підсилю­вальних властивостей підсилювача в логарифмічних одиницях – децибелах (дБ).

Коефіцієнт підсилення, виражений в децибелах, дорівнює:

 

 

Зворотний перехід від децибел до безрозмірного числа відбувається за допомогою такого співвідношення:

 

 

Коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача, виражений в децибелах, являє со­бою суму коефіцієнтів підсилення окремих каскадів підсилювача:

 

 

тобто

 

 

Окрім коефіцієнта підсилення за напругою на практиці користуються коефіцієнтами підсилення за струмом та за потужністю, які також можуть бути виражені у децибелах. Необхідно зазначити, що вихідний сигнал може відрізнятись від вхідного не тільки амплітудою, але й фазою. Тому, в загальному випадку коефіцієнти підсилення за напругою та за струмом – величини комплексні. Що ж стосується коефіцієнта підсилення за по­тужністю, то він може стосуватися лише активного навантаження. Тому коефіцієнт підсилення за потужністю – завжди число дійсне. Якщо потужність сигналу на вході підсилювача має значення , а на виході – , то коефіцієнт підсилення за потужністю в децибелах можна визначити як

 

 

Слід пам'ятати, що для переходу до децибел при логарифмі відношення потужностей ставиться множник 10, а при логарифмі відношення напруг або струмів – множник 20. Це пояснюється тим, що потужність пропорційна квадрату напруги або квадрату струму, тобто

 

 

В табл.1 наведені основні співвідношення між коефіцієнтами підсилення, виражені в разах та дБ.

 

Таблиця 1 – Основні співвідношення між коефіцієнтами

підсилення, виражені в разах та дБ.

 

дБ
КU 1,12 1,41 1,78 3,16 31,62
КP 1,26 2,00 3,16

 

Вхідний та вихідний опори.Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних клем якого підключається джерело сигналу, що підсилюється, а до вихідних – опір навантаження. На рис. 1.3 наведена одна з можливих еквівалентних схем підсилювального каскаду. Джерело вхідного сигналу показане у вигляді генератора напруги з ЕРС , що має внутрішній опір . З боку виходу підсилювач представлений як генератор напруги з ЕРС та внутрішнім опором . Підсилювач одночасно є навантаженням для джерела сигналу та джерелом сигналу для зовнішнього навантаження . При цьому навантаженням підсилювача може бути не тільки кінцевий пристрій (споживач), але й вхід наступного каскаду підсилювача. Можливою є побудова еквівалентних схем,для яких джерела вхідного та вихідного сигналів будуть представлені як генератори струму.

Рисунок 1.3 – Подання підсилювача у вигляді чотириполюсника

 

Вхідний опір підсилювача в будь-якому випадку являє собою опір між вхідними клемами підсилювача. Він дорівнює

 

 

Вихідний опір визначають між вихідними клемами підсилювача при відключеному опорі навантаження . Вхідний та вихідний опори підсилювача, як і опір навантаження, у загальному випадку мають комплексний характер.

Залежно від співвідношення внутрішнього опору джерела та вхідного опору підсилювача джерело сигналу може працювати в режимі холостого ходу , короткого замкнення та узгодження . Аналогічні режими роботи можливі і для вихідного кола: – холостий хід; – коротке замкнення; – узгодження.

Згідно з цим, як для вхідного, так і для вихідного кіл реалізуються режими підсилення напруги, струму чи потужності.

Вихідна потужність. При активному характері опору навантаження вихідна потужність підсилювача дорівнює

 

 

де – діюче, a – амплітудне значення вихідної напруги.

Вихідна потужність – це потужність, що розвивається підсилювачем в навантаженні.

Збільшення вихідної потужності підсилювача обмежено спотвореннями, які виникають за рахунок нелінійності характеристик підсилювальних елементів при великих амплітудах сигналів. Тому найчастіше підсилювач характеризують максимальною потужністю, яку можна одержати на виході за умови, що спотворення не перевищують заданої (припустимої) величини. Ця потужність називається номінальною вихідною потужністю підсилювача.

Коефіцієнт корисної дії.Цей показник особливо важливо враховувати для підсилювачів середньої та великої потужностей, оскільки він дозволяє оцінити їх економічність. Чисельно коефіцієнт корисної дії (ККД) дорівнює

 

 

де – потужність, що споживається підсилювачем від усіх джерел живлення.

Номінальна вхідна напруга (чутливість). Номінальною вхідною напругою називається напруга, яку треба підвести до входу підсилювача, щоб одержати на виході задану потужність. Вхідна напруга залежить від типу джерела коливань, що підсилюються. Чим менша величина вхідної напруги, що забезпечує потрібну вихідну потужність, тим вище чутливість підсилювача. Якщо на вхід підсилювача подати напругу, амплітуда якої перевищує номінальне значення, то це призведе до значних спотворень сигналу. Таке явище носить назву перевантаження зі сторони входу. Якщо підсилювач призначений для роботи від декількох джерел сигналу, то його вхід розраховується на найменшу з напруг, а інші джерела під’єднуються через подільник напруги.

Діапазон підсилювальних частот.Діапазоном підсилювальних частот або смугою пропускання підсилювача називається та область частот, в якій коефіцієнт підсилення змінюється не більше, ніж це припустимо за технічними умовами. Припустимі зміни коефіцієнтів підсилення в межах смуги пропускання залежать від призначення та умов роботи підсилювача. В ПНЧ, наприклад, ці зміни не перевищують 3 дБ. Відрізняють абсолютну та відносну смуги пропускання. Під абсолютною смугою пропускання розуміють різницю між верхньою та нижньою частотами підсилювального сигналу, тобто . Відносна смуга пропускання – відношення абсолютної смуги пропускання до середньої частоти смуги пропускання, тобто

 

 

Таким чином, чим більшим є значення відносної смуги пропускання, тим більш широкосмуговим є підсилювач. Слід мати на увазі, що з розширенням смуги пропускання зростає вартість апаратури та ускладнюється її конструкція. Окрім того, може збільшуватись вплив на підсилювач різного виду завад. Тому на практиці частотний діапазон підсилювача обмежують, що забезпечує необхідну якість роботи підсилювача.

Рівень власних завад підсилювача. Динамічний діапазон амплітуд.Причини виникнення завад на виході підсилювача різні. Їх можна розділити на три основні групи:

1) теплові шуми;

2) шуми підсилювальних елементів;

3) завади через пульсації напруги живлення та наведення, обумовлені впливом зовнішніх електричних та магнітних полів.

Складові спектра шумової напруги внаслідок своєї випадковості мають довільні частоти та фази і тому практично охоплюють всю смугу пропускання підсилювача. Отже, із збільшенням смуги пропускання підсилювача рівень теплового шуму зростає. Окрім того, шум тим більший, чим вища температура та більша величина опору кола, яке створює напругу теплових шумів. При температурі 20–25°С шумову напругу можна знайти за формулою

 

 

де – напруга теплових шумів, мкВ; – смуга пропускання кола, кГц; – активна складова опору кола в смузі пропускання , кОм.

Всі кола підсилювача створюють напругу теплових шумів, проте особливо значний вплив виявляють власні шуми перших підсилювальних каскадів, тому що ці шуми далі підсилюються всіма наступними каскадами.

Напруга шумів може виникнути також через нерівномірність руху носіїв електричних зарядів крізь підсилювальний елемент. Це явище носить назву дробового ефекту. Рівень шумів транзисторів на практиці оцінюють коефіцієнтом шуму, який виражається в децибелах і показує, на скільки децибелів включений у коло транзистор підвищує рівень шумів в порівнянні з тепловими шумами кола.

На загальний рівень завад підсилювача впливають пульсації напруг джерел живлення та наведення з боку зовнішніх електричних і магнітних полів. Зменшити рівень цих завад можна при застосуванні додаткових згладжувальних фільтрів на виході джерел живлення та ретельному екрануванні найбільш відповідальних кіл підсилювача (головним чином вхідних).

Загальний рівень завад на виході підсилювача повинен бути значно меншим напруги підсиленого сигналу, інакше з хаотичної змінної вихідної напруги не можна буде виділити корисний сигнал.

Графічна залежність амплітуди (або діючого значення) вихідної напруги підсилювача від амплітуди (або діючого значення) його вхідної напруги на деякій незмінній частоті сигналу отримала назву амплітудної характеристики (рис.1.4). Амплітудна характеристика реального підсилювача (суцільна лінія на рис.1.4) не проходить через початок координат, оскільки у реальних підсилювачах напруга на виході за відсутності вхідної напруги визначається рівнем власних шумів підсилювача та завадами. При великих вхідних напругах реальна амплітудна характеристика також розходиться з ідеальною (пунктирна лінія), відхиляючись від лінійної залежності через перенавантаження підсилювальних елементів з боку входу.

Таким чином, реальний підсилювач без помітних спотворень може підсилювати напруги, які є не меншими та не більшими . Відношення амплітуди найбільш інтенсивного до найменш інтенсивного сигналів на вході підсилювача носить назву динамічного діапазону амплітуд, який на практиці виражають в децибелах:

Рисунок 1.4 – Амплітудна характеристика підсилювача

 

Спотворення в підсилювачах.При підсиленні електричних сигналів можуть виникати нелінійні, частотні та фазові спотворення.

Нелінійні спотворення являють собою зміну форми підсилювальних коливань, викликану нелінійними властивостями кіл, через які ці коливання проходять. Основною причиною появи нелінійних спотворень в підсилювачі є не лінійність статичних характеристик активних елементів, а також характеристик намагнічування трансформаторів або дроселів з осердям.

Поява спотворень форми сигналу, викликаних не лінійністю вхідних характеристик транзистора, ілюструється рис. 1.5. Припустимо, що на вхід підсилювача подано випробувальний сигнал синусоїдальної форми. В реальних підсилювачах вхідний сигнал може мати будь-яку форму, як правило, відмінну від синусоїдальної, проте більш зручно досліджувати властивості підсилювача, вважаючи, що на його вхід потрапляє чисто синусоїдальний випробувальний сигнал. Потрапивши на нелінійну ділянку вхідної характеристики транзистора, цей сигнал викликає зміни вхідного струму, форма якого буде відрізнятися від синусоїдальної. В зв'язку з цим вихідна напруга та вихідний струм змінять свою форму в порівнянні з вхідним сигналом.

Чим більшою є нелінійність підсилювача, тим сильніше ним спотворюється синусоїдальна напруга, що подається на вхід. Відомо (теорема Фур'є), що будь-яка несинусоїдальна періодична функція може бути представлена сумою гармонічних коливань основної частоти та вищих гармонік. Таким чином, в результаті нелінійних спотворень на виході підсилювача з'являються вищі гармоніки – абсолютно нові коливання, яких не було на вході.

Рисунок 1.5 – Поява нелінійних спотворень сигналу через нелінійність вхідної характеристики транзистора

 

Ступінь нелінійних спотворень підсилювача оцінюють за величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік):

 

 

де – сума електричних потужностей, що виділяються в навантаженні гармоніками, які з'явились в результаті нелінійного підсилення; – електрична потужність першої гармоніки.

Коефіцієнт гармонік виражають у відсотках. Тому знайдене за формулою 1.12 значення слід помножити на 100. Загальна величина нелінійних спотворень, які виникають на виході підсилювача, створених окремими каскадами, визначається за наближеною формулою:

 

 

де – нелінійні спотворення, що вносяться кожним каскадом підсилювача.

Припустима величина коефіцієнта гармонік залежить від призначення підсилювача. В підсилювачах контрольно-вимірювальної апаратури, наприклад, припустиме значення складає десяті частки відсотка.

Частотними називаються спотворення, зумовлені зміною величини коефіцієнта підсилення на різних частотах. Причиною цих спотворень є присутність в схемі підсилювача реактивних елементів – конденсаторів, котушок індуктивності, міжелектродних ємностей підсилювальних елементів, ємностей монтажу тощо. Залежність величини реактивного опору від частоти не дозволяє одержати постійний коефіцієнт підсилення в діапазоні частот.

Частотні спотворення, що вносяться підсилювачем, оцінюють за його амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ), яка являє собою залежність коефіцієнта підсилення від частоти підсилювального сигналу. В залежності від типу та призначення підсилювача форми АЧХ можуть бути різними. Для прикладу, на рис. 1.6 наведений один з можливих варіантів АЧХ. При побудові АЧХ частоту по осі абсцис зручніше відкладати не в лінійному, а в логарифмічному масштабі. Якщо частоту відкладати в лінійному масштабі, то така характеристика буде незручною для користування, оскільки всі нижні частоти будуть дуже стислі біля самого початку координат, а область верхніх частот буде надто розтягнутою.

 

Рисунок 1.6 – Приблизний вигляд АЧХ підсилювача низької частоти

 

Ступінь спотворень на окремих частотах визначається коефіцієнтом частотних спотворень М, який дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті до коефіцієнта підсилення на деякій частоті :

 

Найбільші частотні спотворення виникають на межах діапазону частот та . Коефіцієнти частотних спотворень у цьому випадку дорівнюють:

 

де та – відповідно коефіцієнти підсилення на нижніх та верхніх частотах діапазону.

З визначення коефіцієнта частотних спотворень виходить, що якщо , то частотна характеристика в області даної частоти має завал, а якщо , – то підйом. Для підсилювача низької частоти ідеальною частотною характеристикою є горизонтальна пряма (лінія АВ на рис. 1.6).

Коефіцієнт частотних спотворень багато каскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів частотних спотворень окремих каскадів, тобто

 

Отже, частотні спотворення, що виникають в одному каскаді підсилювача, можуть бути скомпенсовані в іншому для того, щоб загальний коефіцієнт частотних спотворень не виходив за межі заданого. Коефіцієнт частотних спотворень, як і коефіцієнт підсилення, зручно виражати у децибелах:

 

 

У випадку багатокаскадного підсилювача

 

 

Слід мати на увазі, що частотні спотворення в підсилювачі завжди супроводжуються появою фазового зсуву між вхідним та вихідним сигналами, тобто фазовими спотвореннями. При цьому під фазовими спотвореннями розуміють тільки зсуви, що створюються реактивними елементами підсилювача, а зсув фази самим підсилювальним елементом до уваги не береться.

Рисунок 1.7 – Фазочастотна характеристика підсилювача

 

Фазові спотворення, що вносяться підсилювачем, оцінюються за його фазочастотною характеристикою, яка являє собою графік залежності кута фазового зсуву φ між вихідною та вхідною напругами підсилювача від частоти (рис. 1.7). Фазові спотворення в підсилювачі відсутні, коли фазовий зсув лінійно залежить від частоти. Ідеальною фазочастотною характеристикою є пряма лінія, що починається на початку координат (пунктирна лінія на рис. 1.7). Фазочастотна характеристика реального підсилювача має вигляд, показаний на рис. 1.7 суцільною лінією.

Шумові характеристики підсилювачів.До шумових характеристик підсилювачів відносять коефіцієнт шуму та шумову температуру. Потужність шуму, що розсіюється на опорі навантаження , обумовлена як шумами самого підсилювача, так і шумами джерела сигналу. Питома вага шумів підсилювача в повній потужності шумів характеризується коефіцієнтом шуму. Реальний диференціальний коефіцієнт шуму визначається таким чином:

 

 

де – потужність шумів на виході реального підсилювача; –потужність шумів на виході реального джерела сигналу з шумовою температурою – потужність шумів на виході підсилювача за винятком шумів реального джерела сигналу.

Таким чином, реальний коефіцієнт шуму залежить від шумових властивостей джерела сигналу, тому не є об'єктивною мірою шумових властивостей підсилювача.

Шуми підсилювача при визначенні коефіцієнта шуму можна приводити не тільки до виходу, але і до входу підсилювача, тобто

 

 

Шуми підсилювача можуть бути замінені еквівалентними шумами джерела сигналу. Температуру, до якої слід додатково "нагріти" активну складову вихідного опору джерела сигналу для отримання на виході (на вході) при ідеальному підсилювачі такої самої потужності шумів, що і при реальному, називають власною шумовою температурою підсилювача.

Оскільки коефіцієнт шуму та власна шумова температура підсилювача відображають шумові властивості підсилювача, вони пов'язані між собою:

 

 

де – стандартизована температура джерела сигналу.

Таким чином, шумова температура підсилювача не залежить від шумової температури джерела сигналу, що є її перевагою як міри шумових властивостей підсилювача в порівнянні з коефіцієнтом шуму.

Диференціальний коефіцієнт шуму обчислюють (вимірюють) на кожній частоті робочого діапазону, що дозволяє встановити частотну залежність шумових властивостей підсилювача.

З іншого боку, коефіцієнт шуму показує, як зміниться відношення сигнал/шум при проходженні сигналу через пристрій, тобто

 

 

де та – відношення сигнал/шум за потужністю відповідно на вході та виході пристрою.

Останнє співвідношення показує, що сам пристрій додає шуми, хоча деякі шуми на вході вже були присутні.

У відносних одиницях (децибелах) коефіцієнт шуму буде визначатися таким співвідношенням:

 

 

Для багатокаскадного пристрою, який складається з N каскадів, можна записати (тут коефіцієнт шуму виражений в дБ)

 

 

де – коефіцієнт підсилення потужності і-го каскаду в режимі узгодження.

Чим більш віддалений каскад від входу, тим меншою є його доля шумів на виході, тому що ці шуми не підсилюються усіма каскадами пристрою. Для зменшення шумів необхідно на вході ставити транзистори з малим коефіцієнтом шуму.

Часові характеристики підсилювачів.Часові характеристики підсилювачів визначаються двома характеристиками – перехідною та імпульсною. Перехідна характеристика h(t) є відгук підсилювача на одиничну функцію включення (функція Хевісайда), тобто на стрибок напруги (струму)

 

Імпульсна характеристика підсилювача g(t) є відгуком підсилювача на дельта-функцію (функцію Дірака)

 

 

Перехідна та імпульсна характеристики h(t) та g(t) однозначно пов'язані з комплексним коефіцієнтом передачі підсилювального каскаду:

 

За перехідною характеристикою легко визначаються спотворення сигналу. Крім того, слід зазначити, що на форму часових характеристик в області малих значень часу впливає форма АЧХ підсилювача в області високих частот, а на форму часових характеристик в області великих значень часу – форма АЧХ в області низьких частот.

 

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти