4.2. Краткие теоретические сведения

Усилителем называют устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Повышение мощности происходит за счет энергии источника питания, входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Работу усилителя можно охарактеризовать следующими количественными параметрами:

- коэффициент усиления по напряжению; (4.1)

- коэффициент усиления по току; (4.2)

- коэффициент усиления по мощности. (4.3)

Амплитудной характеристикой называется зависимость выходного напряжения от входного или зависимость коэффициента усиления от уровня входного сигнала.

Качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы входного сигнала. Отличие формы входного сигнала от выходного называют искажениями. Искажения могут быть линейными и нелинейными. Различие в коэффициенте усиления разных частот и наличие фазовых сдвигов приводит к возникновению частотных и фазовых искажений, которые называют линейными искажениями:

(4.4)

т.е. коэффициент усиления на любой частоте характеризуется модулем коэффициента усиления К и аргументом – углом сдвига φ между входным и выходным напряжениями. Коэффициент частотных искажений М определяется следующим образом:

М = К0 / К , (4.5)

где К – коэффициент усиления на рассматриваемой частоте;

К₀ – коэффициент усиления на некоторой средней частоте.

Зависимость от частоты угла сдвига φ между входным и выходным сигналами называют фазовой характеристикой.

Амплитудно-частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления от частоты.

Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений

(4.6)

Видно, что коэффициент нелинейных искажений пропорционален уровню высших гармоник, которые появляются вследствие нелинейности вольт-амперных характеристик активных элементов. Самые высокие нелинейные искажения обычно возникают в выходных каскадах усилителей мощности.

Коэффициентом полезного действия называется отношение

, (4.7)

где P_н – полезная мощность в нагрузке;

P_потр – мощность, потребляемая усилительным каскадом.

4.3. Особенности аналитического расчета усилителей

При расчете одиночных каскадов усилителей целесообразно пользоваться известными выражениями, в которые входят либо h-параметры транзистора, либо физические параметры. Кроме того, известными величинами являются сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки. Основные параметры рассчитываются следующим образом:

входное сопротивление

(4.8)

выходное сопротивление

(4.9)

коэффициент усиления по напряжению

(4.10)

коэффициент усиления по току

(4.11)

С другой стороны, коэффициент усиления по напряжению может быть рассчитан следующим образом:

(4.12)

коэффициент усиления по мощности

(4.13)

В некоторых случаях требуется знать физические параметры транзистора, которые можно рассчитать через h-параметры:

(4.14)

(4.15)

При расчете одиночных каскадов на полевых транзисторах можно использовать следующие выражения:

для схемы включения с общим истоком коэффициент усиления по напряжению

(4.16)

для схемы с общим стоком

, (4.17)

где R_н – сопротивление нагрузки в цепи истока.

для схемы включения с общим затвором

. (4.18)

Входное сопротивление для схемы с общим истоком на высоких частотах является емкостным, а на низких частотах определяется величиной делителя в цепи затвора. Самое низкое входное сопротивление имеет схема с общим затвором , наименьшее выходное сопротивление имеет схема с общим стоком .