Основные технические показатели усилителей

Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

Коэффициент усиления – отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:

по напряжению Ku = U₂ / U₁; (1)

по току Ki = I₂ /I₁; (2)

по мощности Кр = Р₂ / Р₁, (3)

где U₁, U₂, I₁, I₂ – действующие (или амплитудные) напряжения и токи.

Так как P1 = U₁* I₁ и P₂ = U₂* I₂, то коэффициент усиления по мощности:

Kp = Ku* Ki. (4)

Значение коэффициента усиления К у различных усилителей напряжения может иметь величину порядка десятков и сотен. Но и этого в ряде случаев недостаточно для получения на выходе усилителя сигнала требуемой мощности. Тогда прибегают к последовательному (каскадному) включению ряда усилительных каскадов (рис.2). Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. При последовательном соединении нескольких усилительных устройств произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е.

К общ. = К₁* К₂*…* Кn. (5)

Рис. 2. Структурная схема многокаскадного усилителя

Коэффициент усиления, вычисленный по формуле (5), представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно громоздким числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах – децибелах (дБ). Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, равен:

K_P [дБ] = 10 lg (P₂/P₁) = 10 lg K_P. (6)

Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока или напряжения, для коэффициентов усиления по току и напряжению можно записать соответственно:

K_I [дБ] = 20 lg (I₂/I₁) = 20 lg K_I,

K_U [дБ] = 20 lg (U₂/U₁) = 20 lg K_U.

Обратный переход от децибел к безразмерному числу производится при помощи выражения:

, (7)

где N = 10 при расчете коэффициента усиления по мощности и N = 20 – при расчетах по напряжению и току.

Широкому использованию логарифмического представления коэффициентов усиления способствует и то, что многие направления, в которых применяются усилители, связаны с техникой, воздействующей на чувства человека. А восприятие человека описываются логарифмическими зависимостями. Например, громкость звукового сигнала, по ощущениям человека, увеличится в два раза при увеличении его мощности в 10 раз.

Следовательно, усиление равно одному децибелу, если напряжение на выходе усилителя в 1,12 раза (на 12%) больше, чем напряжение на входе.

В технике электронных усилителей наиболее часто рассматривают коэффициент усиления по напряжению, поэтому при его написании индекс часто опускается. Это будет делаться также в данном пособии в дальнейшем.

Полезно помнить, что удвоение коэффициента усиления К означает увеличение этого показателя в децибелах K (дБ) на 6 дБ, а увеличение K в 10 раз – увеличение К (дБ) на 20 дБ. Изменение коэффициента усиления на 3 дБ соответствует его увеличению в 2 раз, а на минус 3 дБ – уменьшению в 2 раз (примерно 0,707 от исходной величины).

Логарифмическая мера оценки удобна при анализе многокаскадных усилителей.

Обычно, когда рассматривают коэффициент усиления, имеют ввиду него модуль. Фазовый сдвиг (аргумент коэффициента усиления) анализируют отдельно. Значения, как модуля, так и фазы зависят как от величины параметров схемы усилителя, так и от частоты усиливаемого сигнала. Для их описания используют так называемые амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.