Входное и выходное сопротивления

 

Входное и выходное сопротивления относятся к основным параметрам усилителя. Знание входного сопротивления позволяет учесть влияние усилителя на источник сигнала, известное выходное сопротивление позволяет учесть влияние нагрузки на усилитель.

Для анализа влияния этих сопротивлений представим усилитель в виде активного четырехполюсника (рисунок 4.2) Усилительные свойства в эквивалентной схеме отображает коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода , т.е. при отключенной нагрузке.

 

Рисунок 4.2 - Эквивалентная схема усилителя напряжения

 

Из эквивалентной схемы следует, что коэффициент усиления по напряжению с учетом сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки определяется из следующих выражений:

 

; (4.5)

 

; (4.6)

 

; (4.7)

 

. (4.8)

 

Желая получить наибольший коэффициент усиления по напряжению , необходимо обеспечить выполнение двух неравенств:

- первое - усилитель имеет потенциальный вход, т.е. не нагружает источник сигнала;

- второе - усилитель имеет потенциальный выход, т.е. усилитель является источником напряжения.

Когда выполняются оба неравенства, такой усилитель называют усилителем напряжения, т.к. он обеспечивает наибольший коэффициент усиления по напряжению.

Рассмотрим влияние сопротивлений на коэффициент усиления по току, используя эквивалентную схему (рисунок 4.3), где усилительные свойства отображает коэффициент усиления по току в режиме короткого замыкания .

 

. Рисунок 4.3 - Эквивалентная схема усилителя тока

 

Из эквивалентной схемы следует, что коэффициент усиления по току с учетом сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки определяется из следующих выражений:

 

; (4.9)

 

; (4.10)

 

; (4.11)

 

. (4.12)

 

Желая получить наибольший коэффициент усиления по току , необходимо обеспечить выполнение двух неравенств:

- первое - усилитель имеет токовый вход, т.е. весь ток протекает через вход усилителя;

- второе - усилитель имеет токовый выход, т.е. усилитель

является источником тока.

Когда выполняются оба неравенства, такой усилитель называют усилителем тока, т.к. он обеспечивает наибольший коэффициент усиления по току.

Коэффициент усиления по мощности также зависит от соотношений между сопротивлениями и , и

 

. (4.13)

 

Исследуя один из дробных сомножителей на поиск максимального значения, можно убедиться, что коэффициент усиления по мощности принимает максимальное значение при выполнении двух равенств:

- первое - усилитель имеет мощностной вход, т.е. в этом случае мощность, отдаваемая источником сигнала в усилитель, имеет максимальное значение;

- второе - усилитель имеет мощностной выход, т.е. в этом случае мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку, имеет максимальное значение.

Когда выполняются оба условия, усилитель называют усилителем мощности, т.к. коэффициент усиления по мощности принимает максимальное значение

 

. (4.14)

 

4.3 Характеристики усилителя

 

Характеристики усилителя есть графическое отображение его свойств. Чаще используют амплитудную, амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя.

Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала . При синусоидальных сигналах амплитудные значения заменяют действующими значениями (рисунок 4.4).

 

Рисунок 4.4 - Амплитудная характеристика усилителя

 

Амплитудная характеристика не проходит через начало координат из-за наличия некоторого значения напряжения шумов . Участок a-b амплитудной характеристики усилителя соответствует линейному режиму работы усилителя, форма сигнала на выходе повторяет входной сигнал. Угол наклона характеристики на этом участке определяется коэффициентом усиления. На участке характеристики выше точки b наблюдаются искажение формы выходного сигнала, такой режим называют нелинейным. Ограничение выходного сигнала объясняется конечным значением напряжения питания. Степень искажения оценивается коэффициентом нелинейных искажений

 

, (4.15)

 

где - мощности 1…4 гармоник выходного напряжения,

- амплитуды гармонических составляющих выходного напряжения, которое может быть представлено как сумма гармонических составляющих

 

Частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления от частоты

 

. (4.16)

 

Отображение частотной характеристики на комплексной плоскости достаточно часто имеет вид, показанный на рисунке 4.5.

 

Рисунок 4.5 - Частотная (а), амплитудно-частотная (b) и фазовая (с)

характеристики усилителя

 

Из характеристики видно, что при изменении частоты изменяется модуль коэффициента усиления и фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями. Частотную характеристику обычно разбивают на две: амплитудно-частотную и фазовую характеристики.

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя

. (4.17)

 

Зависимость фазового сдвига от частоты называют фазовой характеристикой усилителя

. (4.18)

 

На амлитудно-частотной характеристике можно выделить три области: область средних частот (сч), область низких частот (нч) и область высоких частот (вч). В области средних частот коэффициент усиления меняется мало, т.е. практически он не зависит от частоты. В области низких частот коэффициент усиления уменьшается с уменьшением частоты, а в области высоких частот коэффициент усиления уменьшается с ростом частоты.

Полоса пропускания усилителя (рисунок 4.6) ограничена частотами среза и .

Рисунок 4.6 - К определению полосы пропускания усилителя

 

Частота среза - это такая частота, на которой модуль коэффициента усиления уменьшается в раз от своего максимального значения на средних частотах. Полоса пропускания . В идеальном усилителе частотная характеристика представляет прямую линию, параллельную оси частот. При такой характеристике все частоты, содержащиеся в сложном входном сигнале, усиливается не одинаково. В реальном случае частоты, относящиеся к области средних частот, усиливаются в большей степени, чем принадлежащие к областям низких или высоких частот. Спектральный состав усиленного сигнала будет отличен от спектрального состава входного. Искажения входного сигнала, вызванные неравномерностью амплитудно-частотной характеристики, называются частотными искажениями. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений в области низких частот и в области высоких частот .

(4.19)

 

(4.20)

 

Коэффициент частотных искажений показывает во сколько раз коэффициент усиления на средней частоте больше, чем на низкой или высокой частотах. Информация о коэффициенте частотных искажений должна сопровождаться значением частоты, на которой он определен. Для частот среза коэффициенты частотных искажений одинаковы и равны .

Амплитудно-частотную характеристику часто строят в логарифмическом масштабе (ЛАЧХ) (рисунок 4.7).

 

Рисунок 4.7 - Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

 

На частотах среза коэффициент усиления уменьшается от максимального значения в раз, а в логарифмическом масштабе на .

По виду амплитудно-частотной характеристики усилители подразделяются (рисунок 4.8) на

1 – усилитель низкой частоты, 2 - усилитель высокой частоты, 3 - широкополосный усилитель, 4 – избирательный усилитель, 5 – усилитель постоянного тока, 6 – режекторный усилитель.

 

Рисунок 4.8 - Виды амплитудно-частотной характеристики

 

 

В тех случаях, когда необходимо усилить небольшие сигналы, применяют последовательное соединение усилителей. Отдельные звенья, входящие в усилитель, называют каскадом. Обычно в структуре усилителя (рисунок 4.9) выделяют следующие каскады:

 

Рисунок 4.9 - Структура многокаскадного усилителя

 

1. Входной каскад. Он обеспечивает необходимое входное сопротивление, чаще всего имеет потенциальный вход. Его называют согласующим каскадом.

2. Промежуточный каскад. Он обеспечивает основной коэффициент усиления по напряжению.

3. Выходной каскад. Он является усилителем мощности и обеспечивает усиление по мощности и согласование с нагрузкой.

Общий коэффициент усиления равен

 

. (4.21)

 

В зависимости от элементов используемых для связи между каскадами или нагрузкой, усилители подразделяются на усилители с емкостной, трансформаторной и гальванической (непосредственной) связью.