Тема 8. Перетворення сигналів в електронних колах

3 Підсилення сигналів

3.1 Класифікація, основні параметри та характеристики підсилювачів

                Функцію підсилення сигналів реалізують підсилювачі. Підсилювачем називають пристрій, призначений для збільшення потужності вхідного сигналу. Принцип дії підсилювача ґрунтується на перетворенні енергії джерела живлення на енергію сигналу. Основним елементом підсилювача є підсилювальний елемент (транзистор, електронна лампа тощо), який дає змогу керувати енергією джерела живлення при малих затратах енергії на вході підсилювача.

Підсилення сигналів можливе завдяки перетворенню частини енергії джерела постійної напруги на енергію синалу.

                Спільною властивістю різноманітних підсилювачів слабких сигналів (сигналів з малою амплітудою) є те, що в них підсилювальні елементи працюють у лінійному режимі, тобто використовуються невеликі ділянки їхніх вольтамперних характеристик, що дає змогу лінеаризувати відповідні залежності і використовувати для аналізу таких підсилювачів теорію лінійного чотириполюсника.

                Найважливішим показником підсилювача є діапазон частот, які він може підсилювати. В усіх підсилювачах діапазон частот обмежений зверху, оскільки на високих частотах погіршуються підсилювальні властивості транзисторів, ламп та інших підсилювальних елементів внаслідок впливу паразитних міжелектродних ємностей, паразитних індуктивностей виводів електродів, інерційності носіїв заряду, а також впливу паразитних ємностей монтажу.

                Залежно від властивостей підсилювача в діапазоні низьких частот розрізняють:

                – підсилювачі постійного струму, які підсилюють сигнали як завгодно низьких частот, зокрема постійну складову. Звичайно їх будують з гальванічними зв’язками між каскадами;

                – підсилювачі змінного струму, частотний діапазон яких обмежений також з боку низьких частот.

                Залежно від ширини діапазону частот, які може підсилювати підсилювач, розрізняють:

                – вузькосмугові підсилювачі, у яких нижня та верхня граничні частоти мало відрізняються між собою і, отже, підсилювач, призначений для виділення та підсилення вузької смуги частот, яка може міститися як в діапазоні низьких, так і високих частот;

Основні параметри лінійних підсилювачів.

                – широкосмугові підсилювачі, у яких нижня та верхня граничні частоти дуже різняться між собою і можна вважати, що ширина їхнього частотного діапазону є співмірною із середньою частотою цього діапазону.

                Розглядаючи підсилювач як лінійний прохідний чотириполюсник, можна описати його за допомогою таких параметрів:

                – комплексний коефіцієнт підсилення напруги

                        (5.7)

                – комплексний коефіцієнт підсилення струму               

                           (5.8)

                – коефіцієнт підсилення потужності

                                 Кр=Рвих/Рвх;                                                    (5.9)

– комплексний вхідний опір

                            (5.10)

– комплексний вихідний опір

                  (5.11)

                У наведених виразах позначено: Um вх, Um вих, Іm вх, Іm вих амплітуди напруг та струмів на вході та виході підсилювача; ju вх, ju вих, jі вх, jі вих – початкові фази напруг та струмів на вході та виході підсилювача; Рвих – вихідна потужність підсилювача, яку він віддає у навантаження; Рвх – потужність, яку споживає підсилювач від джерела вхідного сигналу.

                Додатковими параметрами підсилювачів є потужність Р0, яку споживає підсилювач від джерела живлення, та коефіцієнт корисної дії h=Рвих/Р0. Ці параметри використовують переважно для характеристики потужних підсилювачів.

                До основних характеристик підсилювачів належать:

                – амплітудно-частотна (АЧХ) та фазочастотна (ФЧХ) характеристики, які відображають частотну залежність модуля та аргументу комплексного коефіцієнта підсилення;

                – амплітудна характеристика Um вих=f(Um вх), яка являє собою залежність амплітуди Um вих вихідного сигналу від амплітуди Um вх, тобто вона характеризує динамічний діапазон підсилювача.

                На рис. 5.6 та рис. 5.7 відповідно зображено типовий вигляд АЧХ та амплітудної характеристик підсилювача змінного струму.


Рис. 5.6. Типовий вигляд АЧХ підсилювача

  

Рис. 5.7. Типовий вигляд амплітудної характеристики підсилювача

                На підставі АЧХ підсилювача (рис.5.6) визначають такі додаткові параметри:

         – смугу пропускання П на заданому рівні (звичайно на рівні Ko/»0,707 Ko) і нижню fн та верхню fв граничні частоти;

Частотні спотворення змінюють форму складного синалу, проте не приводять до появи нових спектральних складових.

                – коефіцієнт частотних спотворень Мі на вибраній частоті fi, який дорівнює відношенню номінального коефіцієнта підсилення K0 до коефіцієнта підсилення Ki на частоті fi : Мі=Ko/Ki .            

                Зауважимо, що частотні спотворення зумовлені нерівномірністю АЧХ та нелінійністю ФЧХ, які є наслідком наявності у схемі підсилювача реактивних елементів з частотозалежним опором (ємностей та індуктивностей). Частотні спотворення приводять до зміни форми сигналу, який проходить через підсилювач, оскільки при цьому різні спектральні складові сигналу підсилюються по-різному.

                На підставі амплітудної характеристики підсилювача (рис.5.8)  визначають:

                – чутливість підсилювача, яку визначає мінімальна амплітуда вхідного сигналу Um вх min=Um вих min/Ko, що перевищує рівень власних шумів підсилювача;

                – динамічний діапазон D підсилювача як відношення максимальної амплітуди вихідного сигналу Um вих max, за якого ще зберігається лінійна залежність між амплітудами Um вих і Um вх, до мінімальної вихідної амплітуди Um вих min, обмеженої рівнем власних шумів підсилювача:

D= Um вих max /Um вих min.   

                Зауважимо, що причиною власних шумів підсилювача є теплові шуми резисторів та власні шуми підсилювальних елементів (транзисторів, електронних ламп), які практично неможливо усунути.

Нелінійні спотворення приводять до появи нових спектральних складових у спектрі вихідного сигналу.

                Нелінійна залежність між амплітудами вхідного і вихідного сигналів, яка виникає за максимальних значень цих амплітуд (рис.5.8), зумовлена нелінійністю вольтамперних характеристик електронних елементів, які наявні у схемі підсилювача (діодів, транзисторів, електронних ламп). При цьому виникають нелінійні спотворення гармонічного сигналу, які проявляються у появі на виході підсилювача, крім основної гармоніки, ще і вищих гармонік (другої, третьої і т.д.) з кратними частотами.

                Кількісну оцінку нелінійних спотворень визначає коефіцієнт нелінійних спотворень Кг, значення якого розраховують за формулою:

                                                                   (5.12)

де Umk – амплітуди вищих гармонік вихідного сигналу (к=2,3,...n); Um1 – амплітуда основної гармоніки вихідного сигналу.