Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

2.2. Основные технические показатели и характеристики УУ

2.2. Основные технические показатели и характеристики УУ

Рисунок 2.1. Структурная схема усилителя

Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис. 2.1):

? входное сопротивление Z_вх. Чаще всего Z_вх носит емкостной характер;

? выходное сопротивление Z_вых. Чаще всего Z_вых носит так же емкостной характер;

? коэффициенты передачи:

 • по напряжению

где ? — фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение |K| на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как K₀, называют коэффициентом усиления.

В логарифмических единицах:

K₀,dB = 20lgK₀.

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

K_? = K₁ * K₂ * … Kn,

K_?,dB = K₁,dB + K₂,dB + … + Kn,dB;

 • по току

Для n-каскадных усилителей K_I? в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K_?.

• по мощности KP:

KP = P_вых/P_вх.

Для n-каскадных усилителей KP_? в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K_?, только

KP,dB = 20lgKp.

 • сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению

где E_c — ЭДС источника сигнала.

? коэффициент полезного действия:

КПД = P_пот/P₀,

где P_пот — максимальная выходная мощность усилителя; P₀ — мощность, потребляемая от источника питания.

Характеристики УУ служат для оценки искажения сигнала. Искажения — это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:

? искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).

АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 АЧХ УУ

Здесь Y — относительный (нормированный) коэффициент усиления:

Y = |K|/K₀,

Y,dB = 20lgY.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах в точности совпадает с выражениями для K и получается из последних путем замены K на Y.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений M:

M = 1/Y = K₀/|K|,

M,dB = 20lgM.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах также в точности совпадает с выражениями для K и получается из последних путем замены K на M.

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю f_н и верхнюю f_в граничные частоты, полосу рабочих частот ?f, равную:

?f = f_в – fн.

? искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Рисунок 2.3 ФЧХ УУ

Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис. 2.3.

В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).

ПХ усилителя это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени U_вых=f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

Рисунок 2.4. ПХ УУ

? переходные искажения измеряют при подаче на вход идеального прямоугольного импульса. Они разделяются на искажения фронта и искажения плоской вершины импульса (рис. 2.4).

? искажения фронта характеризуются:

 • временем установления t_у, т.е. временем нарастания амплитуды импульса от 0,1U_m до 0,9U_m;

 • выбросом фронта импульса ?, определяемым отношением амплитуды выброса ?U к амплитуде установившегося режима U_m;

 • временем запаздывания t_з относительно входного сигнала по уровню 0,1U_m.

? Искажения плоской вершины импульса ? характеризуется величиной спада напряжения ?U_m за время длительности импульса:

?,% = ?U_m/U_m·100%.

 Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:

?_? = ?₁ + ?₂ + … +?n.

АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис. 2.5.

Рисунок 2.5. Связь АЧХ и ПХ

? Нелинейные искажения(искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник K_г, который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

Кроме K_г в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):

a₂ = 20lg(U₁/U₂).

? Собственные помехи УУ: фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения.

Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала R_г) создает в полосе частот ?f тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:

??_ш = 4kTR?f.

Где k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура сопротивления.

Мерой оценки шумовых свойств УУ является коэффициент шума F, равный отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:

F = (P_с/P_ш)_вх/(P_с/P_?ш)_вых

F,dB = 10lgF

В диапазоне СВЧ находит применение оценка шумовых свойств УУ посредством определения шумовой температуры системы T_с:

T_с = T₀(F – 1),

где T₀ — стандартная шумовая температура, T₀ = 290°K (рекомендация МЭК).

Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):

F_? = F₁ + (F₂–1)/Kp₁ + (F₃–1)/Kp₁Kp₂ + … 

T_с? = T_с1 + (T_с2–1)/Kp₁ + (T_с3–1)/Kp₁Kp₂ + …

где Kp₁, Kp₂ и т.д. — номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя.

? Амплитудная характеристика и динамический диапазон УУ.

Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6. АХ УУ

Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя D_вх называют отношение U_вх.max (при заданном уровне нелинейных искажений) к U_вх.min (при заданном отношении сигнал/шум на входе):

D_вх = U_вх.max/U_вх.min

D_вх,dB = 20lgD_вх

В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.

Некоторые УУ (УПТ, ОУ и т.д.) могут характеризоваться другими специфическими показателями, которые будут рассмотрены по мере необходимости.

Оглавление книги