Усилителем называется активный четырёхполюсник, мощность электрического сигнала на выходе которого больше, чем на входе .
Энергетические свойства усилителей оцениваются их коэффициентами передачи по напряжению, току и мощности.
K_U=\displaystyle\frac{U_{вых}}{U_{вх}}
K_I=\displaystyle\frac{I_{вых}}{I_{вх}}
K_P=\displaystyle\frac{P_{вых}}{P_{вх}}
Характерно, что для усилителей возможны различные сочетания коэффициентов передачи по напряжению и току однако коэффициент передачи по мощности всегда больше единицы.
Представление коэффициентов передачи усилителей в децибелах
На практике получил распространение способ выражения коэффициента в логарифмических выражениях – децибелах.
K_U^{дб} = 20 \cdot lg(K_U)
K_I^{дб} = 20 \cdot lg(K_I)
K_P^{дб} = 10 \cdot lg(K_P)
Обратный переход
K_U=10^{\displaystyle\frac {K_U^{дб}}{20}}
K_I=10^{\displaystyle\frac {K_I^{дб}}{20}}
K_P=10^{\displaystyle\frac {K_P^{дб}}{10}}
Пример: lg(2)≈ 0,3010, тогда lg(5)≈0,7 так как lg(2) + lg(5) =1 ( 2∙ 5 = 10)
то есть если KU = 2, то KUдб = 6 дб (20∙ 0,3),
а если KU = 5, то KUдб = 14 дб (20∙ 0,7).
Если KU = √2, то KUдб = 3 дб (1/2 от 6 дб, поскольку √2 ∙√2 =2).
| Значение KUдб | Выражение в виде показательной функции | Приближенное значение KU |
| 40 | 102 | 100 |
| 20 | 101 | 10 |
| 14 | 100,7 | 5 |
| 10 | 100,5 |  |
| 7 | 100,7/2 |  |
| 6 | 100,3 | 2 |
| 3 | 100,3/2 |  |
| 0 | 100 | 1 |
| -3 | 10-0,3/2 | 1/ |
| -6 | 10-0,3 | 0,5 |
| -7 | 10—0,7/2 | 1/ |
| -10 | 10-0,5 | 1/ |
| -14 | 10-0,7 | 0,2 |
| -20 | 10-1 | 0,1 |
| -40 | 10-2 | 0,01 |
Примеры преобразования произвольных значений.
KUдб = -46 дб; KU =10-2,3 или KUдб = (- 20дб)+( — 20дб)+(-6дб) тогда KU = 10-1 ∙ 10-1 ∙ 10-0,3 ≈ 0,1 ∙0,1 ∙ 0,5 ≈ 0,005
KUдб = 74 дб; KUдб = 20дб + 20дб +20дб + 14дб KU =10 ∙ 10 ∙ 10 ∙ 5 ≈ 5000
Преобразование значений коэффициентов усиления по току производится аналогично, а при преобразовании коэффициента усиления по мощности следует учитывать, что в формулах перевода используется масштабный множитель 10 вместо 20.
В многокаскадных усилителях, где выход первого каскада является входом второго и т.д., результирующие коэффициенты передачи определяются произведением коэффициентов передачи отдельных каскадов в нормальном выражении или суммой их логарифмических выражений.
Помимо коэффициентов передачи важное значение также имеют входное и выходное сопротивления, отражающие способ согласования усилителя с источником входного сигнала и нагрузкой, номинальная выходная мощность и коэффициент полезного действия (КПД), динамический диапазон амплитуд и уровень собственных шумов, номинальное выходное напряжение и коэффициент нелинейных искажений, диапазон усиливаемых частот и коэффициент частотных искажений.
Входное и выходное сопротивления усилителя
Рассматривая усилитель как активный четырёхполюсник, взаимодействующий в процессе работы с источником входного сигнала (eГ, RГ) и нагрузкой (RH)
можно определить входное сопротивление усилителя как отношение входного напряжения усилителя к его входному току. Выходное сопротивление определяется как взятая с противоположным знаком производная от выходного напряжения по выходному току при условии постоянства входного сигнала.
R_{ВХ}=\displaystyle\frac {U_{ВХ}} {I_{ВХ}};
R_{ВЫХ}=-\displaystyle\left.\frac {dU_{ВЫХ}} {dI_{ВЫХ}}\right|_{U_{ВХ}=const}.
При этом существует три типа согласования входа и выхода усилителя в зависимости от соотношений Rвх и Rг на входе и Rвых и Rн на выходе.
| Короткое замыкание | Согласование | Холостой ход |
Вход | RГ>>Rвх | RГ≈Rвх | RГ<<Rвх |
Выход | Rвых>>Rн | Rвых≈Rн | Rвых<<Rн |
Номинальная выходная мощность и КПД усилителя.
Номинальной называется мощность, развиваемая усилителем в согласованной по техническим характеристикам активной нагрузке при условии, что коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала не превышает заданного.
Входное напряжение усилителя, при котором на выходе развивается номинальная выходная мощность, называется номинальным входным напряжением. Превышение входным напряжением своего номинального уровня приводит к появлению существенных нелинейных искажений и, как следствие, нарушению эксплуатационных свойств усилителя.
Коэффициентом полезного действия усилителя при этом называется выраженное в процентах отношение номинальной выходной мощности (PВЫХ) к сумме мощностей, потребляемых усилителем в этом режиме от всех его источников питания (P0).
\eta=\displaystyle\frac{P_{ВЫХ}}{P_0}\cdot 100%.
КПД косвенно отражает способ построения усилителя. Так усилители, силовые элементы которых работают в линейных режимах (при которых соблюдаются пропорциональная взаимосвязь между мгновенными значениями входных и выходных сигналов), имеют значение КПД, не превышаеющее 0,5-0,75. Большие значения КПД характерны для усилителей с импульсным режимом работы силовых элементов.
Уровень собственных шумов и динамический диапазон амплитуд усилителя.
Эти параметры усилителя определяются по его амплитудной или передаточной характеристике, которая представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды его входного напряжения. Для идеального усилителя такая характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с наклоном, определяемым коэффициентом передачи усилителя. У реального усилителя амплитудная (передаточная) характеристика отличается наличием шумовых напряжений в области малых значений входного сигнала и ограничением максимального выходного напряжения в области больших значений.
Приведённое напряжение ко входу шумов показывает эквивалентный входной сигнал, который может быть устойчиво различим на выходе усилителя, т.к. не может быть маскирован собственными шумами усилителя.
Диагностическим диапазоном усилителя называется выраженная в децибелах протяженность пропорционального участка амплитудно-передаточной характеристики усилителя.
D=20lg\displaystyle\frac{U_{ВЫХ}^{max}}{U_{ВЫХ}^{min}}=20lg\displaystyle\frac{U_{ВХ}^{max}}{e_{ВХ}^{шум}}
Коэффициент нелинейных искажений.
Коэффициентом нелинейных искажений называется выраженное в процентах отношение суммы мощностей гармонических составляющих выходного сигнала к мощности первой гармоники при гармоническом входном сигнале.
При активной нагрузке коэффициент гармоник (коэффициент нелинейных искажений) может быть определён соотношением квадратов напряжений гармонических составляющих. При малых значениях коэффициент гармоник, пользуясь формулой линейного разложения, можно с достаточной точностью использовать сами напряжения гармонических составляющих, а не их квадратов.
Причиной возникновения нелинейных искажений можно считать с одной стороны нелинейность амплитудно-передаточной характеристики, с другой – ограничение максимального уровня выходного напряжения при больших сигналах или влияние шумовых напряжений усилителя при малых сигналах.
Диапазон усиливаемых частот и коэффициент частотных искажений.
Учитывая, что в общем случае выражение коэффициента передачи представляет собой комплексную функцию, механизм работы усилителя с гармоническими сигналами изменяющейся частоты отражается амплитудно-частотной характеристикой усилителя, которая представляет собой зависимость модуля коэффициента передачи от частоты усиливаемого сигнала.
Коэффициентом частотных искажений при этом называется выраженное в децибелах отношение модуля коэффициента передачи усилителя на центральной частоте усиливаемого диапазона к модулю коэффициента усиления на интересующей частоте.
M=20lg\displaystyle\frac{|K_U(f_0)|}{|K_U(f)|}=M(f)
M(f) < 0, коэффициент усиления больше, чем на центральной частоте,
M(f) > 0, коэффициент усиления меньше, чем на центральной частоте,
M(fН) = M(fВ) = +3 дб.
Диапазоном усиливаемых частот при этом считается область частот, в которой коэффициент частотных искажений не превышает 3 дб, т.е. модуль коэффициента передачи уменьшается не более чем в раз.
Ярко выраженная частотная зависимость модуля коэффициента передачи позволяет произвести классификацию усилителей по функциональному назначению и, следовательно, особенностями схемотехнического построения.
Фазовые искажения усилителей
Отражают зависимость сдвига фаз входного и выходного сигналов от частоты сигнала. Эта зависимость отражается фазо – частотной характеристикой усилителя (ФЧХ). ФЧХ формируется запаздыванием выходного сигнала относительно входного, поэтому у реальных усилителей представляет собой спадающую функцию.
Классификация усилителей
В целом, усилители можно подразделить на усилители с линейным режимом работы, у которых сохраняется пропорциональная взаимосвязь между мгновенными значениями входных и выходных сигналов активных элементов и усилители с нелинейным режимом работы, у которых такая связь не соблюдается, но сохраняется пропорциональная зависимость между средними или действующими значениями входных и выходных сигналов.
Усилители с нелинейным режимом работы обладают повышенным КПД, но формы входных и выходных сигналов активных элементов у них как правило не совпадают.
Усилители с линейным режимом работы в зависимости от расположения рабочего диапазона частот на частотной оси подразделяются на:
1) Усилители постоянного тока (УПТ) – предназначены для работы с электрическими сигналами инфра-низкочастотного диапазона (вплоть до постоянного тока). Характеризуются верхней граничной частотой усиления, которое может составлять от сотен герц до сотен килогерц.
2) Усилители низкой частоты (УНЧ) (усилители звуковых частот) – предназначены для работы с электрическими сигналами в диапазоне звуковых частот от единиц герц до десятков килогерц.
3) Усилители высоких частот (УВЧ) (радиочастотные усилители) – предназначены для работы с электрическими сигналами радиовещательного диапазона от сотен килогерц до сотен мегагерц.
4) Широкополосные усилители (ШПУ) (видеоусилители)– предназначены для работы с электрическими сигналами в диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц.
5) Узкополосные усилители (резонансные) (УПУ) – предназначены для работы с сигналами фиксированной величины, используются в радиопередающих устройствах.