Краткие теоретические сведения.

Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для усиления мощности сигнала, поданного на его вход. Процесс усиления основан на преобразовании активным элементом (биполярным или полевым транзистором) энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения на нагрузке.

Работа усилительных устройств описывается рядом параметров и характеристик.

Коэффициент усиления – отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Сигнал может описываться напряжением, током или мощностью, поэтому различают коэффициенты усиления :

· по напряжению ;

· по току ;

· по мощности ,

где , , , , , – напряжения, токи и мощности на входе и выходе усилителя.

Входное сопротивление усилителя (полное или резистивное ) представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя и определяется отношением входного напряжения к входному току. Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот.

Выходное сопротивление (полное или резистивное ) определяется между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки.

Коэффициент демпфирования – отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению: . Для усилителей высшего класса он лежит в пределах от 10 до 100.

Выходная мощность – мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания.

Чувствительность (минимальное входное напряжение ) – напряжение, которое нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению: .

Диапазон частот усиливаемых сигналов – разность между верхней и нижней граничными частотами , в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью.

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) определяет отличие формы реального сигнала от «идеальной» синусоиды. Коэффициент гармоник – величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала. Таким образом, коэффициент гармоник определяется по формуле

, (3)

где – действующее значение напряжения соответствующей гармоники сигнала.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) активных элементов усилителя. Различают несколько режимов работы усилителя.

Режим неискаженного усиления. При усилении сигнала малой амплитуды рабочая точка покоя выбирается так, что входной сигнал полностью помещается на линейном участке входной характеристики, а значение тока покоя располагается на середине этого участка (рис. 29).

Рис. 29. Работа усилителя в режиме неискаженного усиления

Режим искаженного усиления. Если амплитуда напряжения, действующего на входе усилителя, достаточно велика, то сигнал на выходе усилителя имеет нелинейные искажения, которые вызываются различными причинами. Так, при низких напряжениях на входе усилителя он может переходить в режим отсечки, где входной ток почти не зависит от изменения входного напряжения. С другой стороны, при больших значениях входного напряжения на выходе усилителя наблюдаются малые значения напряжения и усилитель может перейти в режим насыщения, где выходной ток слабо зависит от входного.

Режим неискаженного усиления характеризуется работой транзистора на почти линейных участках ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (коэффициент гармоник ), а КПД менее 50 %.

Режим искаженного усиления характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (коэффициент гармоник ) вследствие работы на нелинейных начальных участках ВАХ усилителя, при этом КПД лежит в пределах 60 … 70 %.