Коэффициент усиления
Поскольку усилители способны увеличивать величину входного сигнала, полезно иметь возможность оценивать способность усилителя усиливать с точки зрения отношения выход/вход. Технический термин для отношения величин выход/вход – коэффициент усиления. Как отношение равных единиц измерения (выходная мощность / входная мощность, выходное напряжение / входное напряжение, или выходной ток / входной ток), коэффициент усиления естественно является безразмерной величиной. В формулах коэффициент усиления обозначается заглавной буквой «A».
Например, если на вход усилителя подается переменное напряжение 2 вольта RMS (среднеквадратичное значение), а на выходе получаем переменное напряжение 30 вольт RMS, то коэффициент усилителя по переменному напряжению равен 30, деленное на 2, что равно 15:
Соответственно, если мы знаем коэффициент усиления усилителя и величину входного сигнала, то можем вычислить его величину на выходе. Например, если на усилитель с коэффициентом усиления по переменному току, равным 3,5, подать сигнал с величиной переменного тока 28 мА RMS, то на выходе получим 28 мА, умноженное на 3,5, то есть 98 мА:
В последних двух примерах я специально указал коэффициенты усиления и величины сигналов с уточнением «переменный». Это было сделано намеренно, и иллюстрирует важную концепцию: электронные усилители часто по-разному реагируют на входные сигналы переменного и постоянного тока, и могут усиливать их в разной степени. Другими словами, усилители часто усиливают изменения в величине входного сигнала (переменный ток) при различных коэффициентах, чем постоянные величины входного сигнала (постоянный ток). Конкретные причины для этого слишком сложны, чтобы объяснить их на данном этапе обучения, но об этом факте всё равно стоит упомянуть. При расчетах коэффициента усиления, прежде всего, нужно понимать, с какими типами сигналов и коэффициентов усиления мы имеем дело, с переменным или постоянным током.
Коэффициенты усиления электронных усилителей могут быть выражены в отношении напряжения, тока, и/или мощности, и для переменного, и для постоянного тока. Краткое определение коэффициента усиления состоит следующем: треугольный символ «дельта» (Δ) в математике означает изменение, то есть «ΔUвых/ΔUвх» означает «отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения» или, проще говоря, «отношение выходного переменного напряжения к входному переменному напряжению»:
| Коэффициенты усиления для сигналов постоянного тока | Коэффициенты усиления для сигналов переменного тока | |
|---|---|---|
| Напряжение | \[A_U = \frac>>\] | \[A_U = \frac>>\] |
| Ток | \[A_I = \frac>>\] | \[A_I = \frac>>\] |
| Мощность | \[A_P = \frac>>\] | \[A_P = \frac< (\Delta U_) (\Delta I_) > < (\Delta U_) (\Delta I_)>\] |
| \[A_P = (A_U)(A_I)\] | ||
Если несколько усилителей стоят последовательно, соответствующие коэффициенты усиления этих усилителей формируют общий коэффициент усиления, равный произведению отдельных коэффициентов усиления (рисунок ниже).
Если подать сигнал напряжением 1 В на вход усилителя с коэффициентом усиления 3 на рисунке ниже, на выходе первого усилителя будет сигнал 3 В, который будет усилен в 5 раз вторым каскадом усиления, и в итоге получим на выходе 15 В.
Децибелы
В простейшем виде, коэффициент усиления усилителя – это отношение выхода к входу. Как и все коэффициенты, коэффициент усиления безразмерен. Тем не менее, существует реальная единица измерения, предназначенная для представления коэффициента усиления, и называется она бел.
Как единица измерения, бел фактически был придуман для удобства представления потерь мощности в системе телефонных проводов, а не для коэффициента усиления усилителей. Название единицы измерения происходит от Александра Грэма Белла, известного шотландского изобретателя, чья работа сыграла важную роль в развитии телефонных систем. Первоначально, бел выражал количество потерь мощности сигнала в электрическом кабеле стандартной длины из-за его сопротивления. Теперь же он является общим термином для обозначения логарифма (с основанием 10) отношения мощностей (выходной мощности, деленной на входную мощность):
Поскольку бел является логарифмической единицей, он нелинеен. Чтобы дать вам представление о том, как это работает, рассмотрим следующую таблицу значений, сравнивая потери и усиления по мощности в децибелах с безразмерными коэффициентами:;
| Усиление/потери в разах | Усиление/потери в белах |
|---|---|
| \[ \frac>>\] | \[ \log \frac>>\] |
| 1000 | 3 Б |
| 100 | 2 Б |
| 10 | 1 Б |
| 1 (нет потерь или усиления) |
0 Б |
| 0,1 | – 1 Б |
| 0,01 | – 2 Б |
| 0,001 | – 3 Б |
| 0,0001 | – 4 Б |
Позже было решено, что бел был слишком большой единицей измерения, чтобы пользоваться им напрямую, и поэтому он стал применяться с метрической приставкой деци (что означает 1/10), что дает децибелы или дБ (dB). Сейчас выражение «дБ» встречается настолько часто, что многие люди не понимают, что это сочетание «деци-» и «-бел», или что даже есть такая единица измерения, как «бел». Чтобы представить это, вот еще одна таблица сравнения усиления/потерь в разах и децибелах:
| Усиление/потери в разах | Усиление/потери в децибелах |
|---|---|
| \[ \frac>>\] | \[ 10 \, \log \frac>>\] |
| 1000 | 30 дБ |
| 100 | 20 дБ |
| 10 | 10 дБ |
| 1 (нет потерь или усиления) |
0 дБ |
| 0,1 | – 10 дБ |
| 0,01 | – 20 дБ |
| 0,001 | – 30 дБ |
| 0,0001 | – 40 дБ |
Как логарифмическая единица измерения, этот способ измерения коэффициента усиления охватывает широкий диапазон отношений с минимальным диапазоном чисел. Разумно спросить, «почему кто-то решил, что необходимо придумать логарифмическую единицу измерения потерь мощности электрического сигнала в телефонной системе?». Ответ связан с динамикой человеческого слуха, сила восприимчивости которого имеет логарифмическую природу.
Человеческий слух крайне нелинеен: для того, чтобы удвоить воспринимаемую громкость звука, фактическая мощность звука должна быть умножена в 10 раз. Относительно потерь мощности телефонного сигнала логарифмическая шкала в «белах» идеально подходит по смыслу в данном контексте: потери мощности на 1 бел соответствуют потерям воспринимаемого звука на 50 процентов, или на 1/2. Усиление мощности на 1 бел соответствует удвоению воспринимаемой громкости звука.
Почти полной аналогией шкалы в белах является шкала Рихтера, используемая для описания силы землетрясения: землетрясение 6,0 баллов по шкале Рихтера в 10 раз мощнее, чем землетрясение 5,0 баллов; землетрясение 7,0 баллов по шкале Рихтера в 100 раз мощнее, чем землетрясение 5,0 баллов, и так далее. Шкала измерения химического показателя pH также логарифмическая, разница в 1 по шкале эквивалентна десятикратной разнице в концентрации ионов водорода в химическом растворе. Преимущество использования логарифмической шкалы измерения заключается в выражении огромного диапазона значений, обеспечиваемом относительно небольшим диапазоном числовых значений, и это же преимущество позволяет использовать баллы Рихтера для землетрясений и pH для активности ионов водорода.
Еще одна причина для использования белов, как единицы измерения коэффициента усиления, – это простота формул коэффициентов усиления и потерь. Рассмотрим последний пример (рисунок на предыдущей странице), где два усилителя подключены друг к другу для усиления сигнала. Соответствующий коэффициент усиления для каждого усилителя был выражен в разах, а общий коэффициент усиления системы был равен произведению этих двух коэффициентов:
Общий коэффициент усиления = 3 x 5 = 15Если эти цифры представляют собой коэффициенты усиления по мощности, мы можем непосредственно применить единицы измерения в белах, чтобы выразить коэффициент усиления каждого усилителя и системы в целом (рисунок ниже).
При близком рассмотрении значений этих коэффициентов усиления в единицах «бел» можно заметить: они складываются. Значения коэффициентов усиления в разах для каскадов усилителей перемножаются, а значения коэффициентов усиления в белах складываются для получения общего коэффициента усиления системы. Первый усилитель с коэффициентом усиления по мощности 0,477 Б добавляется к коэффициенту усиления по мощности второго усилителя 0,699 Б, чтобы получить общий коэффициент усиления системы 1,176 Б.
При пересчете в децибелах мы видим то же самое (рисунок ниже).
Для тех, кто уже знаком с математическими свойствами логарифмов, это не было сюрпризом. Это элементарное правило алгебры: антилогарифм суммы значений логарифмов двух чисел равен произведению этих двух чисел. Другими словами, если мы возьмем два числа и определим логарифм каждого из них, затем сложим значения двух логарифмов вместе, а затем определим «антилогарифм» этой суммы (возвести основание логарифма — в данном случае 10 — в степень этой суммы), результат будет таким же, как если бы мы просто перемножили два изначальных числа. Это алгебраическое правило формирует суть устройства, называемого логарифмической линейкой, аналоговым компьютером, который, помимо прочего, может определять произведения и частные от деления с помощью сложения (сложение физических длин, отмеченных на движущихся деревянных, металлических или пластиковых шкалах). При наличии таблицы значений логарифмов, этот же математический трюк может быть использован для выполнения другим способом сложных умножений и делений с помощью только сложений и вычитаний соответственно. С появлением высокоскоростных микрокалькуляторов, эта элегантная технология расчетов практически исчезла из популярного использования. Тем не менее, это всё еще важно понимать при работе с измерительными шкалами, которые являются логарифмическими, такими, как бел (децибел) и шкала Рихтера.
При преобразовании коэффициента усиления по мощности из бел или децибел в безразмерные коэффициенты, используется обратная математическая функция для логарифмирования: возведение числа 10 в степень или антилогарифм.
Преобразование децибел в безразмерные коэффициенты для коэффициентов усиления по мощности почты такое же, только в показатель степени добавляется делитель на 10:
Пример:
Мощность на входе усилителя составляет 1 Ватт, а мощность на выходе – 10 Ватт. Найдите коэффициент усиления в дБ.
\[A_ = 10 \, \log_ (P_/P_) = 10 \, \log_ (10/1) = 10 \, (1) = 10 \, дБ\]
Пример:
Найдите коэффициент усиления по мощности AP(раз) = (Pвых/Pвх) для коэффициента усиления по мощности 20 дБ.
Поскольку бел изначально является единицей измерения усиления или потерь мощности в системе, усиление и потери по напряжению или по току не могут быть преобразованы в белы или децибелы совсем таким же способом. При использовании бел или децибел для выражения усиления других величин, кроме мощности, будь то напряжение или ток, мы должны выполнить расчет, какой коэффициент усиления по мощности соответствует заданному коэффициенту усиления по напряжению или току. Для постоянного сопротивления нагрузки, усиление напряжения или тока в 2 раза соответствует усилению по мощности в 4 раза (2 2 ); усиление напряжения или тока в 3 раза соответствует усилению по мощности в 9 раз (3 2 ). Если мы умножим напряжение или ток на какой-либо коэффициент, то усиление по мощности будет равно квадрату этого коэффициента. Это связано с формулами закона Джоуля–Ленца, где мощность рассчитывалась из значений напряжения или тока и сопротивления:
Мощность пропорциональна и квадрату напряжения, и квадрату тока.
Таким образом, при переводе коэффициента усиления по напряжению или току из раз в белы, мы должны включить этот показатель степени в уравнения:
Такой же показатель степени необходим и выражении коэффициента усиления по току или напряжению и в децибелах:
Тем не менее, благодаря еще одному интересному свойству логарифмов, мы можем упростить эти уравнения, устранив показатель степени и добавив «2», как множитель к функции логарифма. Другими словами, вместо вычисления логарифма квадрата напряжения или тока, мы просто умножаем значение логарифма коэффициента усиления напряжения или тока на 2, окончательный результат в белах или децибелах будет точно таким же:
Коэффициент усиления.
В зависимости от целевого назначения усилители имеют коэффициенты:
а) усиления по току Кi =Iвых/Iвх;
б) усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх;
в) усиления по мощности Кр = Pвых/Pвх, где Iвых – ток в нагрузке, Iвх – ток, потребляемый от входного источника сигнала ec , Рвых мощность, выделяемая в нагрузке, Pвх – мощность, потребляемая от входного источника ec.
Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:
где n – число каскадов.
Часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах децибелах – дБ, что позволяет заменить произведение коэффициентов усиления суммой их логарифмов и строить логарифмические амплитудно–частотные характеристики (ЛАЧХ) усилителей. Такой подход позволяет исследовать и синтезировать усилители с заданными амплитудными и частотными характеристиками.
Коэффициенты усиления в децибелах:
Ku=20lgKu=20 lg(Uвых/Uвх);
Ku=20lg(Iвых/Iвх);
Ku=10lg(Pвых/Pвх); (13.2)
Полоса пропускаемых частот (полоса пропускания) усилителя. Полосой пропускания называются тот диапазон частот, в пределах которого усилитель обеспечивает заданную величину коэффициента усиления (не ниже чем в корень из 2–х раз от максимального).
Диапазон частот ограничивается верхней и нижней граничной частотами, за пределами которых частотная характеристика усилителя снижается ниже допустимого уровня. Снижение (завал) частотной характеристики происходит из–за наличия в схеме усилителя реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты сигналов, подаваемых на вход усилителя.
Идеальная амплитудно–частотная характеристика усилителя имеет форму прямоугольника с основанием равным полосе пропускания усилителя и высотой равной Ко. Реальная частотная характеристика в силу указанных выше причин приобретает вид, изображенный на рис. 2-2
Рис13-2 Амплитудно-частотная характеристика усилителя
На амплитудно–частотную характеристику усилительного каскада наибольшее влияние оказывают две емкости: емкость разделительного конденсатора 
и паразитная емкость, нагружающая каскад по переменной составляющей выходного сигнала –
Первая из них включена последовательно с входом каскада, вторая – параллельно выходу каскада.
Поскольку емкостное сопротивление конденсатора определяется частотой сигнала:
, (13.3)
то ёмкость C1 снижает усиление каскада в области нижних частот, а емкость С2 – в области верхних частот. На средних частотах влиянием емкостей С1 и С2 можно пренебречь и поэтому усиление каскада будет максимальным.
Чувствительность усилителя.Чувствительность усилителя определяется той минимальной величиной тока или напряжения на входе усилителя, при которой на выходе усилителя создается номинальная мощность. Под номинальной мощностью обычно понимают мощность, при которой искажения не превышают допустимой величины при работе на расчетную нагрузку.
Собственные шумы усилителя. Собственными шумами усилителя называются сигналы на выходе усилителя, которые существуют и при отсутствии полезных сигналов на входе усилителя.
Возникают собственные шумы в результате теплового перемещения зарядов на сопротивлениях и хаотического движения носителей зарядов в области базы транзистора.
Оцениваются собственные шумы по шумовому фактору, равному отношению мощности шума на выходе усилителя к произведению к мощности шума на входе усилителя, помноженному на коэффициент усиления:
Динамический диапазон частот. Динамическим диапазоном усилителя называется отношение величины максимального допустимого сигнала на входе усилителя к минимально – допустимому сигналу на его входе и обычно оценивается в децибелах. Определяется он по линейной части амплитудной характеристики усилителя рис. (2-3)
Амплитудная характеристика усилителя не линейна как в области малых, так и в области больших сигналов. В области малых сигналов отклонения от прямой линии связаны с собственными шумами усилителя, в области больших сигналов – с нелинейными искажениями, вносимыми активными усилительными элементами (в основном – перегружающимися транзисторами) при выходе рабочей точки за пределы линейного участка характеристики.
Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями называют искажения формы усиливаемого сигнала в результате нелинейности вольтамперных характеристик отдельных элементов схемы усилителя (например, транзисторов, катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками и т.д.). Причиной появления значительных нелинейных искажений может быть или неправильный выбор начального положения рабочей точки транзистора, или чрезмерно большая величина входного сигнала, или неправильно рассчитанная индуктивность.
Проявляются нелинейные искажения в том, что при подаче на вход усилителя чисто синусоидального сигнала, на его выходе появляются новые гармонические составляющие, искажающие форму первоначального сигнала.
Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармонии, равному отношению геометрической суммы n напряжений высших гармоник Ui к амплитуде первой гармоники U1 на выходе усилителя:
(13.4)
В практических расчетах обычно ограничиваются несколькими первыми гармониками, поскольку амплитудные значения гармонии более высоких порядков незначительны.
Линейные искажения. К линейным искажениям относятся частотные и фазовые искажения. Частотные искажения оцениваются по амплитудно–частотной характеристике усилителя (см. рис.2-2).
Мерой частотных искажений служит коэффициент частотных искажений, определяемый как отношение коэффициента усиления на средних частотах к коэффициенту усиления на данной частоте.
Обычно при расчетах значения коэффициентов на данных граничных частотах принимаются равными друг другу. В этом случае коэффициент частотных искажений определяется как:
(5)
Фазовые искажения возникают в результате неодинакового времени прохождения отдельных гармонических составляющих сложного сигнала через реактивные элементы схемы усилителя.
В результате на выходе усилителя образуются фазовые (во времени) сдвиги гармонических составляющих
График зависимости угла сдвига фаз от частоты усиливаемого сигнала называется фазовой характеристикой усилителя.(рис.13-4)
Рис13-3Амплитудная характерисика усилителя
Рис.13-4 Фазовая характеристика усилителя.
Переходные искажения. Переходные искажения играют существенную роль в импульсном усилителе. Эти искажения вызваны переходными процессами в цепях усилителя содержащих реактивные элементы, а также инерционностью активных усилительных элементов (рис. 13-5).
Переходные искажения оцениваются по переходным характеристикам усилителя, представляющим собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход усилителя единичной ступени напряжения (скачка напряжения) Uвх.
Переходные искажения подразделяются на искажения фронтов и вершин усиливаемых импульсов. Искажения фронтов импульса характеризуются временем установления — tф , т.е. временем, в течение которого амплитуда выходного сигнала возрастает от 0,1 до 0,9 своего максимального значения. Искажения плоской вершины выходного импульса характеризуются выбросом и спадом плоской вершины импульса .
Рис.13-5. Переходная характеристика усилителя
Перед рассмотрением вопроса принципа работы усилителного каскада необходимо рассмотреть динамические характеристики усилительного каскада, в котором транзистор включен по схеме с ОЭ и когда вход и выход схемы подключены к источникам смещения 
и
.(рис 13-6)
Рис. 13-6 Простейшая схема усилительного каскада, включенного по схеме с ОЭ.
Если на вход не подан сигнал, то по второму закону Киргофа
(13.6)
(13.7)
Это уравнение динамического режима или уравнение нагрузочной прямой.
Принцип работы усилительного каскада. Принцип работы усилителя рассмотрим на примере усилительного каскада (рис. 13-7)
Здесь происходит усиление как по току, так и по напряжению.
а 
, следовательно
, т.е. 
и
Рис. 13-7 Принцип работы усилительного каскада
Пусть на выход подаётся синусоидальный сигнал.
(13.8)
Если на вход подаётся положительный потенциал, то транзистор закрыт (отсечка), тогда 
, т.к.
(см. уравнение 7.) Если на базу подаётся отрицательный потенциал (участок ав), то транзистор открыт (насыщение), тогда
повторяет
, но с большей амплитудой и в противофазе
(13.9)
Итак, при подаче на вход усилительного каскада небольшого переменного напряжения 
на выходе получается усиленный источником питания
сигнал той же формы. Однако амплитуда
не может превысить
. Таким образом, имея транзистор можно при помощи маломощного источника переменного входного напряжения
, управлять энергией источника питания (
). Если к усилительному каскаду добавитьRб1, а так же термостабилизирующую цепочку Rэ и Сэ, то получают полную схему одиночного усилительного каскада. (рис. 13-8). Также усилители имеют частотный спектр сигнала от десятков Гц до десятков кГц и называются усилителями низкой частоты (УНЧ).
Рис. 13-8. Полная схема одиночного усилительного каскада с общим эмиттером (УНЧ).
силенный источником питания нияа на бациал (0ф 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1) 
и
— резисторы, которые образуют делители напряжения питания.
Прежде чем подать на вход схемы переменное входное напряжение, необходимо обеспечить определённый режим работы транзистора по постоянному току. Эммитерный p-n – переход смещен в прямом направлнии (
, а коллекторный – в обратном
. Напряжение от
, падающее на
, создает
, определяющее рабочую точку А.
Обычно 
. В этом случае при изменении
напряжение смещения на базе остается постоянным, что обеспечивает активный режим транзистора.
; 
(13.10)
2) 
— резистор нагрузки, обемпечивающий режим работы транзистора. На 
выделяется мощность усиливаемого сигнала.
3) 
и
— разделительные конденсаторы.
не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала.
— на пропускает постоянную составляющую тока в следующий усилителный каскад.
4) — цепочка предназначена для термостабилизации режима работы усилительного каскада.
Усилитель низкой частоты с двумя каскадами усиления (УНЧ). На рис. 13-9 представлена схема УНЧ, которая состоит из двух усилительных каскадов с электроёмкостной связью и применяется в уселителях переменного напряжения. Разделительные конденсаторы С1 и С2 служат для того, чтобы на вход следующего каскада подавалась только переменная, составляющая коллекторного напряжения, предыдущего каскада. Остальные элементы имеют такое же назначение как и элементы полной схемы усилительного каскада (рис. 2-8).
Рис. 13-9. Схема усилителя низкой частоты с двумя каскадами.
Схема замещения усилительного каскада. На рис. 13-10 представлена эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ.
Рис. 13-10. Схема замещения усилительного каскада с ОЭ. (А – управляющий источник тока базы, Rн- эквивалентное сопротивление нагрузки).
В этой схеме — это эквивалентное сопротивление усилителя. Сопротивление первого каскадаRн, которое равно входному сопротивлению второго каскада легко можно рассчитать пользуясь рис.13-20.
Динамическая характеристика каскада усилителя и режимы его работы. Рабочая точка. Построение выходной характеристика позволяет определить ток, протекающий по цепи и, следовательно, падение напряжений на каждом участке цепи.
Для построения выходной характеристики (нагрузочной линии) (рис. 13-11а) на семействе выходных статических характеристик можно воспользоваться методом холостого хода и короткого замыкания. При коротком замыкании транзистора ток в цепи нагрузки будет равен 
(точка на оси ординат), а при холостом ходе ток в цели будет равен 0, на резисторе R не будет падения напряжения и напряжение на коллекторе транзистора будет равно напряжению питания 
(точка на оси абсцисс).
Прямая, соединяющие точки и и будет динамической характеристикой (или нагрузочной линией). Рабочая точка А – это точка пересечения нагрузочной прямой с выбранным значением Iб.
Для определения входного напряжения (Uбэ) строят входную динамическую характеристику на семейство входных статистических характеристик (рис. 13-11а).
В состоянии покоя (Uвх=0), в цепи БЭ протекает ток покоя Iбо, а напряжение Uбэ=Uбо. Это электрическое состояние входной цепи каскада можно изобразить в виде точки С на входной динамической характеристике и ей соответствует выходной динамической характеристике также точка С (Uко, Iко). Также точка называется рабочей точкой. Если Uвх превышает величину, составляющую линейному участку 1,2 входной динамической характеристики, то возникает искажение форм входного сигнала.
РИС.13-11.Режимы работы усилительного каскада.
Пересечение, полученной нагрузочной линии и вольтамперной характеристики транзистора по заданным базовым током Iбр, определяемым величиной резистора в цепи базы Rб , задает начальное положение рабочей точки С, координаты которой характеризуют ток покоя Iкр, протекающий по цепи и падение напряжений на каждом из участков цепи (на активном сопротивлении URk и на транзисторе Uкэп.
При появлении на входе усилительного каскада сигнала переменного напряжения Uвх, постоянный ток в цепи базы начнет алгебраически суммироваться с изменяющимся током входного сигнала. Рабочая точка С при этом начнет перемещаться по нагрузочной линии в пределах, определяемых амплитудой тока входного импульса. Перемещение рабочей точки С будет вызывать изменение коллекторного тока Iк и коллекторного напряжения Uкэ. Если перемещение рабочей точки не достигнет пределов, отмеченных цифрами 1 и 2 на нагрузочной линии, то усиленный ток в выходной цепи транзистора будет протекать через резистор Rk в течение всего периода изменения входного сигнала. Транзистор при этом будет работать в активной области, без отсечки или насыщения коллекторного тока. Такой режим работы транзистора называется режимом усиления малого сигнала или режимом усиления класса «А» (иногда режим усиления называют классом).
Если же рабочая точка в результате соответствующего выбора ее начального положения или слишком большой амплитуды входного сигнала окажется в области насыщения, то на оба перехода транзистора попадет смещение в прямом направлении, оба р–n перехода транзистора полностью откроются и транзистор почти целиком будет пропускать коллекторный ток. Причем дальнейшее увеличение амплитуды входного сигнала уже не будет вызывать дальнейшего увеличения коллекторного тока. При положении рабочей точки в области отсечки оба р–n перехода транзистора закроются. Он скажется в запертом состоянии и практически не будет пропускать коллекторный ток.
Рис.13-11а. Работа каскада в режиме усиления класса «А»
Таким образом, в зависимости от начального положения рабочей точки и амплитуды входного сигнала, ток в нагрузке может протекать либо в течение всего периода изменения входного сигнала, либо в течение какой–то определенной части этого периода.
В зависимости от этого различают три основных режима усиления классов: «А», «В», «С», «АВ», «Д».
Количественно режимы усиления характеризуются величиной угла отсечки . Под углом отсечки понимают половину той части периода, в течение которой протекает ток через выходную цепь усилительного элемента.
Очевидно, что для режима усиления класса «А», рассмотренного выше, угол отсечки составляет 180°. В режиме усиления класса «В» угол отсечки составляет – 90°, в режиме усиления класса «С» угол отсечки меньше 90°.
Режим усиления класса «А» обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала, однако он неэкономичен по расходованию энергии источников питания, поскольку в этом режиме постоянная составляющая тока все время проходит через выходную цепь усилительного каскада. Поэтому транзисторные схемы, работающие в режиме усиления класса«А», применяются в основном каскадах предварительного усиления.
В каскадах усиления мощности, в тех случаях, когда в нагрузку требуют отдать наибольшую мощность усиливаемого сигнала при минимальном расходовании энергии источников питания, применяется режим усиления класса«В», обладающий высоким коэффициентом полезного действия (до 70–75%).
Поскольку усилительные каскады, работающие в режиме усиления класса «В», пропускают только одну полуволну усиливаемого напряжения, то в выходных каскадах усилителей применяют двухтактные симметричные каскады, позволяющие получить высокий коэффициент полезного действия при допустимых нелинейных искажениях. (рис. 13-12).
Коэффициент усиления [1]
Поскольку усилители могут увеличить величину входного сигнала, часто полезно оценить усилительную способность усилителя с точки зрения отношения выход/вход. Технический термин для обозначения отношения амплитуды выхода/входа усилителя – коэффициент усиления. Как отношение одинаковых единиц измерения (выходная мощность / входная мощность, выходное напряжение / входное напряжение или выходной ток / входной ток), коэффициент усиления, естественно, является безразмерной величиной.
Математически этот коэффициент обозначается заглавной буквой «А».
Как рассчитать коэффициент усиления напряжения
Например, если усилитель принимает сигнал переменного напряжения, измеряющий (среднеквадратичные) 2 вольта RMS, и выдаёт переменное напряжение 30 вольт RMS, то он имеет коэффициент усиления переменного напряжения 30, делённые на 2, то есть 15 (см. рисунок 1).
Соответственно, если мы знаем коэффициент усиления для усилителя и величину входного сигнала, то можем вычислить величину выходного сигнала. Например, если на усилитель с коэффициентом усиления по переменному току 3,5 подаётся входной сигнал переменного тока 28 мА (RMS, т.е. среднеквадратичное значение), тогда на выходе будет в 3,5 раза больше, чем 28 мА или в итоге 98 мА (см. рисунок 2).
В последних двух примерах я определил усиление и амплитуду сигнала в терминах «переменного тока». Это было сделано намеренно дабы проиллюстрировать важную концепцию: электронные усилители часто по-разному реагируют на входные сигналы переменного и постоянного тока и могут усиливать их в разной степени.
Другими словами, усилители часто усиливают изменения или амплитудные отклонения входного сигнала (переменного тока) в соотношении, отличном от постоянных величин входного сигнала (постоянного тока). Конкретные причины этого явления слишком сложны чтобы объяснять их прямо сейчас, но стоит упомянуть сам факт.
Если необходимо выполнить расчёты усиления, сначала необходимо понять, о каких типах сигналов и коэффициентов усиления идёт речь. Это переменный или постоянный ток?
Коэффициент усиления электрического усилителя: напряжение, ток и/или мощность
Коэффициент усиления электрического усилителя может быть выражен через напряжение, ток и/или мощность как для переменного, так и для постоянного тока.
Если кратенько, то определить коэффициент усиления можно следующим образом:
В этой таблице треугольный символ «дельта» (Δ) обозначает математическое изменение величины, поэтому «выходное ΔV / входное ΔV» означает «изменение выходного напряжения, делённое на изменение входного напряжения» или, проще говоря, «выходное напряжение переменного тока, делённое на входное переменное напряжение».
Если каскадно (последовательно друг за другом) подключено несколько усилителей, их соответствующие коэффициенты усиления формируют общий коэффициент усиления, равный произведению (умножению) отдельных коэффициентов усиления. На рисунке ниже, если сигнал 1 вольт подать на вход усилителя с коэффициентом усиления 3, сигнал 3 вольт с выхода первого усилителя дополнительно усилится коэффициентом усиления 5 на втором этапе, что выдаёт уже 15 вольт на конечном выходе:
