Частный случай управления энергией, при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией, во много раз большей, называется усилением. При этом необходимо, чтобы процесс управления являлся непрерывным, плавным и однозначным. Устройство, осуществляющее такое управление, называется усилителем.
Если управляющая и управляемая энергии являются электрическими, такой усилитель называют усилителем электрических сигналов. Эти усилители широко используются во всех областях техники.
По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.
По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители медленно изменяющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока, подразделяемые на усилители низкой частоты, высокой частоты, широкополосные, избирательные, универсальные, многофункциональные и пр.
В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока, мощности. Такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность.
В зависимости от типа использованных в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические.
В ряде случаев усилители выполняют комбинированными с применением активных компонентов различных типов. Кроме того, их иногда подразделяют на усилители прямого усиления и усилители с преобразованием усиливаемого сигнала.
Структура усилителя и его характеристики приведены на рис. 1.1, а – е. Основные показатели усилителей электрического сигнала зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения.
Коэффициентом преобразования или коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала к входному. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффи
циент преобразования называют коэффициентом усиления. Размерность и общепринятые обозначения коэффициента преобразования зависят от значений и величин входного и выходного сигналов, например S = IВЫХ/UВХ – коэффициент преобразования напряжения в ток; W = PВЫХ / IВХ — коэффициент преобразования тока в мощность.
В зависимости от характера входной или выходной величин коэффициент усиления подразделяют на коэффициент усиления по напряжению KU = UВЫХ/UВХ; коэффициент усиления по току Ki = IВЫХ/IВХ; коэффициент усиления по мощности КР = РВЫХ/РВХ. В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах децибелах (дБ):
Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, общий коэффициент усиления которого равен произведению этих коэффициентов, то его находят как алгебраическую сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.
Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, комплексные величины, характеризуемые как модулем, так и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных компонентов и инерционности активных приборов.
Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют динамическим диапазоном:
Введение коэффициента D, характеризующего динамический диапазон, необходимо потому, что максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усил
ительных каскадов за пределы линейного участка характеристики.
Минимально допустимое напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить. В ряде случаев напряжением UВХ min считается сигнал, который дает выходное напряжение, равное действующему значению напряжения шумов усилителя.
В общем случае входное и выходное сопротивления – величины комплексные из-за наличия реактивных элементов во входной и выходной цепях. В рабочем диапазоне частот они обычно приближаются к активным.
Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.
Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания: η = РВЫХ/Р0. Он характеризует энергетические показатели усилителя.
Характеристики преобразования показывают, как преобразуется входной сигнал в зависимости от параметров усилителя.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала (рис. 1.1, б).
Фазочастотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты (рис. 1.1, в). В ряде случаев для наглядности строят фазовые характеристики отдельно для области низких и области верхних рабочих частот (рис. 1.1, г, д).
Амплитудно-фазовая характеристика – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 1.1, е). Она объединяет в себе амплитудно- и фазочастотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента К(jω).
Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 1.2, а).
Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рис. 1.2, б). Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления ty и выбросом δ.
В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным значением спада плоской вершины λ = DК(t)/K0 к моменту окончания импульса.
Переходные искажения вызваны наличием реактивных элементов в цепях усилителя и инерционностью активных компонентов.
В ряде случаев амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики удобнее строить в логарифмической системе координат. При этом коэффициент усиления многокаскадного усилителя почти всегда может быть представлен как отношение полиномов в операторном виде (передаточная функция). Передаточная функция в наиболее общем виде связывает между собой входной и выходной сигналы:
здесь р – оператор Лапласа; К0 – коэффициент усиления на частоте, где выполняются условия tkω << 1, tiω << 1 (при замене р на jω); tk и ti – постоянные времени усилительного каскада. Прологарифмировав (1.1), получим
Построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) сводится к построению зависимости модуля каждого слагаемого выражения (1.2) от частоты, а затем к суммированию их ординат.
Для упрощения операции суммирования ЛАЧХ каждого звена представляют в виде отрезков сопрягающихся друг с другом прямых. При этом вместо оператора р подставляют jω.
Для пояснения сущности этих операций рассмотрим построение ЛАЧХ каскада, коэффициент усиления которого определяе
