Коэффициент усиления – отношение установившихся значений входного и выходного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:
- по напряжению КU = DUвых / DUвх ;
- по току КI = DIвых / DIвх ;
- по мощности КP = DPвых / DPвх
где Uвых , Uвх , Iвых , Iвх – действующие значения напряжений и токов.
При каскадном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы:
Кобщ = К1· К2 ·…·Кn .
Полоса пропускания усилителя – диапазон рабочих частот, в пределах которого коэффициент усиления не снижается ниже 0,707·Кmax . Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя.
Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой.
Выходная мощность усилителя – мощность, которая может быть выделена на сопротивлении нагрузки.
Искажения сигналов в усилителе бывают двух типов – статические (нелинейные), обусловленные нелинейностью статических ВАХ применяемых полупроводниковых приборов, и динамические (амплитудные и фазовые), связанные с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала.
Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) Кн.
Рабочий режим схемы на биполярных транзисторах можно определить из следующей системы уравнений (для схемы ОК сопротивление резистора Rк=0) :
Uпит = Iк·Rк + Uкэ + IэRэ ,
Eб = IбRб + Uбэ + IэRэ .
Здесь Eб и Rб - эквивалентный источник питания и эквивалентное сопротивление в цепи базы, которые соответственно равны:
Eб = UпитR2/(R1 + R2) ;
Rб = R1R2/(R1 + R2) .
В систему уравнений необходимо включить уравнения, описывающие работу транзистора в активном режиме:
Iэ = Iк + Iб ,
Iк = bIб ,
Uбэ ≈ 0,7 В.
Последнее равенство учитывает, что в активном режиме напряжение на базе существенно не меняется (входная вольтамперная характеристика круто поднимается вверх).
К основным параметрам усилительных каскадов относятся:
KU = (Uвых / Uвх) - коэффициент усиления напряжения;
Rвх = (Uвх / Iвх) - входное сопротивление каскада;
Rвых = (DUвых / DIвых) - выходное сопротивление каскада.
Для усилительного каскада ОЭ (рисунок 1) эти параметры можно рассчитать или через h-параметры малосигнальной схемы замещения, или через известные рабочие токи транзистора:
KU = -(Iк/jT) ×Rк×xвых ,
Rвх = [b× (jT/Iк)]║Rб ,
Rвых = Rк .
В этих уравнениях jT - тепловой потенциал, который для нормальной температуры приблизительно равен 25 мВ; xвых - коэффициент деления выходного напряжения:
xвых = Rн/(Rк+ Rн) .
Для схемы ОК (рисунок 2) основные параметры рассчитываются через малосигнальную схему замещения каскада:
KU = b·Rэ/(1+b·Rэ) ,
Rвх = {[(jT/Iк) + Rэ] ·b}║Rб ,
Rвых = Rэ║(jT/Iк) .
Приведенные выше уравнения удобны для расчета основных параметров схемы тем, что кроме коэффициента усиления транзистора b никаких других справочных данных не нужно. Малосигнальные параметры транзистора определяются через его рабочий ток Iк .
Контрольные вопросы
1. Что такое усилитель. Область применения транзисторных усилителей.
2. Нарисовать принципиальную схему усилителя и объяснить назначение элементов.
3. Назовите важнейшие характеристики усилителя.
4. Какие элементы схемы влияют на коэффициент передачи в области средних частот.
5. Как элементы создают искажения в области низких частот? Как их уменьшить?
6. Какие элементы создают искажения в области высоких частот? Как их уменьшить?
7. Как влияет схема включения транзистора на показатели усилителя?
8. Как зависят коэффициент усиления и коэффициент нелинейных искажений от числа каскадов в многокаскадном усилителе?
