- 22 -

Усилители электрических сигналов

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения энергии (мощности) поступающих на вход электрических сигналов при сохранении их формы. Это увеличение энергии происходит за счет энергии дополнительного источника, поступающей в усилитель. Усилители электрических сигналов делятся на электронные, электромеханические, электромашинные и магнитные. Наиболее распространенными являются электронные усилители, обладающие большой универсальностью и рядом хороших характеристик. В электронных усилителях источником дополнительной энергии являются источники постоянного напряжения или тока. В данном разделе будем рассматривать только электронные усилители.

Электронные усилители делятся:

• По частотному диапазону на:

- усилители постоянного тока – УПТ (усиливает постоянные и медленно меняющиеся напряжения с частотой от нуля до десятков килогерц);

- усилители низкой частоты – УНЧ (усиливает напряжения от некоторой низшей частоты до высшей частоты , причем их отличает большая величина отношения , частотный диапазон от десятков до сотен килогерц);

- усилители промежуточной частоты – УПЧ (частотный диапазон от единиц до десятков мегагерц);

- усилители высокой частоты – УВЧ (частотный диапазон от десятков до сотен мегагерц);

- усилители сверхвысокой частоты – СВЧ-усилители (частотный диапазон свыше одного гигагерца).

• По элементной базе на:

- ламповые (в настоящее время используются в основном в мощных передающих системах);

- полупроводниковые;

- на интегральных схемах;

- твердотельные усилители.

• По виду усиливаемых сигналов на:

- усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов;

- импульсные усилители, предназначенные для усиления сигналов, резко меняющихся во времени.

• По принципу построения на резистивные и резонансные (резонансные подразделяются на усилители с сосредоточенными параметрами и усилители с распределенными параметрами).

• По конструктивному оформлению на самолетные, морские, телевизионные, радиолокационные, измерительные и др.

Основные характеристики усилителей электрических сигналов.

Основной характеристикой усилителей является комплексная передаточная характеристика . В зависимости от того, что является выходным показателем усилителя (напряжение, ток или мощность), различают передаточные характеристики по напряжению , по току или по мощности , которые определяются как

, (4.1)

где - выходные, - входные комплексные амплитуды гармонических колебаний соответственно, а входная и выходная мощность сигнала.

Комплексные передаточные характеристики по напряжению и току записываются в экспоненциальной форме

, (4.2)

где - коэффициент усиления по напряжению (току) или амплитудно-частотная характеристика усилителя напряжений (токов),

- действительные амплитуды гармонических колебаний напряжений (токов) на входе и выходе усилителя,

- фазочастотная характеристика усилителя напряжений (токов).

- начальные фазы гармонических колебаний напряжений (токов) на входе и выходе усилителя.

Второй основной характеристикой является амплитудная характеристика усилителя, которая характеризует зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала на заданной частоте.

Идеальная амплитудная характеристика усилителя представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с углом наклона, определяемым коэффициентом усиления на данной частоте. Реальная амплитудная характеристика отличается от идеальной, как в области малых, так и в области больших сигналов. Причем в области малых сигналов отклонения связаны с шумами усилителя, а в области больших сигналов – с перегрузкой активных элементов.

Третьей характеристикой усилителя является зависимость групповой задержки от частоты , (4.3)

которая для идеального усилителя не должна зависеть от частоты.

Четвертой характеристикой усилителей является степень искажений сигналов, вносимых усилителем. Эти искажения делятся на частотные, фазовые и нелинейные.

Частотными искажениями называют изменение формы выходного сигнала, вызванное изменением относительных значений амплитуд отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала. Они характеризуются коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на данной частоте: .

Фазовыми искажениями называют изменение формы выходного сигнала, вызванное неодинаковым сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих спектра входного сигнала.

Нелинейными искажениями называют изменение формы выходного сигнала, вызванное появлением новых гармонических составляющих. Они характеризуются коэффициентом нелинейных искажений , при оценке которого считается, что входным сигналом является гармоническое колебание, и

, (4.4)

где U1(I1) - амплитуда выходного гармонического колебания напряжения (тока) на частоте , - амплитуды гармонических колебаний напряжения (тока) на выходе усилителя с частотами при условии, что на входе действует гармоническое колебание напряжения (тока) с частотой .

Хотя в общем случае электронные усилители представляют собой нелинейные устройства, однако при малых величинах входных сигналов нелинейные искажения невелики, ими можно пренебречь, а усилители можно рассматривать, как линейные устройства. Поэтому к ним применимы методы анализа линейных цепей, рассмотренные в разделе 2.