Краткие теоретические сведения

Усилитель - это устройство, предназначенное для повышения мощности выходного сигнала. Превышение мощности выходного сигнала над мощностью входного осуществляется за счёт энергии источника питания. Элементы, на которых построен усилитель, управляют передачей энергии источника питания в нагрузку.

Усилительные свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления напряжения Ku, тока Ki и мощности Kp, показывающими, во сколько раз значение выходного параметра увеличилось в результате усиления по сравнению со значением выходного:

Ku = Uвых/Uвх; Ki = Iвых/Iвх; Kp = Pвых/Pвх, (1)

где Uвх, Iвх, Pвх и Uвых, Iвых, Pвых - параметры входного и выходного сигналов.

Коэффициенты усиления выражают не только в относительных единицах, но и в децибелах. В логарифмической форме коэффициенты усиления (1) можно записать так:

Ku = 20 lg(Uвых/Uвх); Ki = 20 lg(Iвых/Iвх); Kp = 10 lg(Pвых/Pвх).

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов, т.е.

K_общ(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) + … +К_n(дБ)

В зависимости от диапазона усиливаемых частот различают усилители:

- звуковой частоты;

- широкополостные (видеоусилители);

- полосовые(резонансные);

- постоянного тока.

В рабочем диапазоне частот всех без исключения усилителей наблюдается неравномерность усиления; при этом нарушается частотный состав входного сигнала - он искажается. Для анализа этих искажений, называемых частотными, используют амплитудно - частотную характеристику АЧХ усилителя, выражающую зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.

Качественным показателем усилителей являются нелинейные искажения - искажение формы сигнала в процессе усиления. Причиной нелинейных искажений является, главным образом, нелинейность вольт - амперных характеристик усилительных элементов (транзисторов), а также неправильно выбранный режим их работы. В результате нелинейных искажений при усилении чисто синусоидального сигнала в выходном сигнале появляются дополнительные гармонические составляющие, т.е. изменяется гармонический состав входного сигнала. Этот вид искажений оценивают коэффициентом нелинейных искажений

где U₍₁₎ , I₍₁₎ , U_(n) , I_(n) - соответственно действующие значения первой и n-й гармонических составляющих выходного напряжения и тока.

Для многокаскадного усилителя содержащего n каскадов,

_n

K_r = K_r1 * K_r2 * … *K_rn = У K_i

ⁱ⁼¹

Так как вследствие появления дополнительных гармонических составляющих нарушается правильное воспроизведение сигнала, основная задача при построении и регулировании усилителей - уменьшение нелинейных искажений.

Цепи усилителей содержат реактивные элементы, вносящие фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, зависящий от частоты. Фазочастотная характеристика отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжением, т.е. аргумента коэффициента усиления от частоты. Нелинейный характер реальной фазочастотной характеристики указывает на различные временные сдвиги для отдельных гармоник сигнала сложной формы. Поэтому фазовые искажения, оцениваемые обычно так же, как и частотные искажения на нижней f_н.гр. и верхней f_в.гр. граничных частотах полосы пропускания, определяются не абсолютными значениями угла ц = 2*р*f*ф, разностью координат Ф фазочастотной характеристики и касательных к ней. Очевидно Ф_н=ц_н. и Ф_в<ц_в.

Важными характеристиками усилителя являются амплитудная характеристика U_ВЫХ=f(U_ВХ) на некоторой постоянной частоте и динамический диапазон количественно оцениваемый как

D=U_{ВХ max} /U_{ВХ min} ,

гден U_ВХmin и U_ВХmax - минимальное и максимальное входные напряжения, при которых нелинейные искажения не превышают установленных норм. Если динамический диапазон измеряется в децибелах, то

D(дБ) = 20lg D = 20 lg(U_{ВХ max} /U_{ВХ min}).

Важнейшими параметрами усилителя являются:

1. номинальная выходная мощность - максимальная мощность на выходе, при которой нелинейные искажения не превышают допустимого уровня;

2. чувствительность - минимальное напряжение на входе, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность;

3. динамический диапазон - отношение максимальной амплитуды входного сигнала, при которой его искажения имеют предельное допустимое значение, к чувствительности усилителя;

4. Коэффициент полезного действия - отношение полезной мощности на выходе усилителя к мощности, потребляемой им от источника питания;

5. Входное сопротивление Rвх , характеризующее усилитель как нагрузку для источника входного сигнала;

6. Выходное сопротивление Rвых , характеризующее нагрузочную способность усилителя.

Существует несколько режимов работы усилителя. В представленной курсовой работе используется режим А.

Для режима А характерен невысокий уровень нелинейных искажений, однако он не экономичен из-за значительного тока Iк= ,который должен поддерживаться в транзисторе при ожидании входного сигнала. Максимально теоретический КПД для такого режима составляет 50% , обычно же при расчете он не превосходит 35 - 40%.