Основные технические показатели усилителей

 

Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:

по напряжению Ku = DU2 / DU1;

по току Ki = DI2 /DI1;

по мощности Кр = Р2 / Р1,

где U1, U2, I1, I2 – действующие (или амплитудные) напряжения и токи.

Так как P1 = U1 I1 и P2 = U2 I2, то коэффициент усиления по мощности Kp = Ku Ki.

Значение коэффициента усиления К у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев недостаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой мощности. Тогда прибегают к последовательному (каскадному) включению ряда усилительных каскадов (рисунок 3.2). Для многокаскадных усилителей[1] общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. При последовательном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е.

Кобщ = К1 К2….. Кn. (3.1)

 

Рисунок 3.2. Структурная схема многокаскадного усилителя

 

Коэффициент усиления, вычисленный по формуле (3.1), представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен

KP [дБ] = 10 lg (P2/P1) = 10 lg KP. (3.2)

Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно записать соответственно:

KI [дБ] = 20 lg (I2/I1) = 20 lg KI,

KU [дБ] = 20 lg (U2/U1) = 20 lg KU. (3.2*)

Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражения

,

где N = 10 при расчете коэффициента усиления по мощности и N = 20 – при расчетах по напряжению и току.

Широкому использованию логарифмического представления коэффициентов усиления способствует и то, что многие направления, в которых применяются усилители, связаны с техникой, воздействующей на чувства человека. А восприятие человека описываются логарифмическими зависимостями. Например, громкость звукового сигнала, по ощущениям человека, увеличится в два раза при увеличении его мощности в 10 раз.

Если принять Кu = 1 дБ, то при определении коэффициента усиления по напряжению

.

Следовательно, усиление равно одному децибелу, если напряжение на выходе усилителя в 1,12 раза (на 12%) больше, чем напряжение на входе.

В технике электронных усилителей наиболее часто рассматривают коэффициент усиления по напряжению, поэтому при его написании индекс часто опускается. Это будет делаться также в данном пособии в дальнейшем.

Полезно помнить, что удвоение коэффициента усиления К означает увеличение этого показателя в децибелах KдБ на 6 дБ, а увеличение K в 10 раз – увеличение КдБ на 20 дБ. Изменение коэффициента усиления на 3 дБ соответствует его увеличению в Ö2 раз, а на минус 3 дБ – уменьшению в Ö2 раз (примерно 0,707 от исходной величины).

Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усилителей. Действительно, общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя при переходе к логарифмическим единицам измерения определяется в отличие от (3.2) суммой коэффициентов усиления отдельных каскадов, т.е.

Kобщ [дБ] = K1 [дБ] + +К2 [дБ] +... + Кn [дБ].

Коэффициенты усиления по напряжению и току являются величинами комплексными, что отражает наличие фазовых сдвигов усиливаемого сигнала. Например, для коэффициента усиления по напряжению имеем:

,

или

,

где Кm = (Uвых / Uвх) – модуль коэффициента усиления;

j = (jвых – jвх) – угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями.

Обычно, когда рассматривают коэффициент усиления, имеют ввиду его модуль. Фазовый сдвиг (аргумент коэффициента усиления) анализируют отдельно. Значения, как модуля, так и фазы зависят как от величины параметров схемы усилителя, так и от частоты усиливаемого сигнала. Для их описания используют так называемые амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.