Меню

Характеристики идеального усилителя напряжения

Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры

Содержание

  1. Классификация усилителей
  2. По частоте усиливаемого сигнала:
  3. По роду усиливаемого сигнала
  4. По функциональному назначению
  5. Амплитудная характеристика усилителя
  6. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.
  7. Переходная характеристика усилителя

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

  • усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
  • широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
  • избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

  • усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
  • усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

  • усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К U, току К i или мощности К Р:

где U вх, I вх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U вых , I вых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Р вх, Р вых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К 1 · К 2 · … · К n

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где К U— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U вх и U вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

где Р ист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R вх и выходное R вых сопротивления усилителя:

где U вх и I вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

Читайте также:  Что такое напряжение биений

∆U вых и ∆I вых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U вx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.

Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.

После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

где U lm, U 2m, U 3m, U nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = U вх max / U вх minхарактеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3).

При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы u бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора i б = f(u бэ) входной ток транзистора i б (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.

Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоты f н и f в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f н − f в) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K 0 / K f где K f — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М Н = K 0 / K Н и М В = K 0 / K В называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f).

Читайте также:  Электронные регуляторы напряжения генератора автомобиля

Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6.

Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.

ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя

Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Ещё одно интересное видео по теме смотрите ниже:

Источник



Понятие идеального усилителя и его свойства

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 1237 ; Нарушение авторских прав

Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный усилитель постоянного тока, по своим характеристикам приближающийся к понятию идеального усилителя.

Идеальный усилитель должен обладать следующими свойствами:

1. Коэффициент усиления по напряжению (Кu) должен быть бесконечно большим.

Рис. 5. К пояснению понятия отрицательной обратной связи (ООС)

При разомкнутом ключе S цепь отрицательной обратной связи разомкнута и сигнал на входе усилителя равен сигналу источника , и при большом Ku наличие небольших шумов и помех во входном сигнале приведет к насыщению усилителя, кроме того все нестабильности Ku будут сказываться на точности воспроизведения выходного сигнала.

При замыкании ключа S часть выходного напряжения в виде сигнала отрицательной обратной связи (Uос) возвратится на вход усилителя.

где γ характеризует коэффициент передачи отрицательной обратной связи и он показывает какая часть выходного сигнала возвратится на вход усилителя ( )

– петлевое усиление (усиление петли обратной связи).

– коэффициент усиления схемы с ООС

Учитывая, что , можно записать:

Из выражения (13) следует, что при коэффициент усиления схемы с ООС не зависит от параметров самого усилителя, а определяется только видом элементов обратной связи. Эта основная причина для коэффициента усиления, чтобы брать его максимально большим.

2. Входное сопротивление идеального усилителя (Rвх) должно быть бесконечно большим.

Читайте также:  Что такое артериальная гипертензия стенокардия напряжения

Это значит, что по входу такой усилитель не потребляет ток от источника входного сигнала и к нему можно подключить источник входного сигнала с любым внутренним сопротивлением.

3. Выходное сопротивление идеального усилителя (Rвых) должно быть равно нулю.

В этом случае по выходу такой усилитель можно рассматривать как идеальный источник напряжения.

4. Идеальный усилитель должен иметь бесконечно широкую полосу пропускания.

Это означает, что в таком усилителе не происходит временных и фазовых искажений сигнала.

5. В идеальном усилителе при Uвх = 0 Uвых = 0.

Это вытекает из того, что ОУ в основном предназначен для выполнения математических операций, а при выполнении любой операции нулевому значению аргумента должно соответствовать нулевое значение функции. Амплитудная-передаточная характеристика (АПХ) такого усилителя должна проходить через ноль.

Источник

Идеальный операционный усилитель

Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:

  • бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU= D Uвых / D (U1 — U2) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);
  • нулевое напряжение смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ Uсм, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);
  • нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);
  • нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);
  • коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
  • мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).

Как будет показано ниже, операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться по крайней мере вплоть до частоты единичного усиления fт, т.е. такой частоты, при которой |KU| =1. На рис. 3 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного

Рис. 3. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

операционного усилителя. В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

Здесь KU — дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты fп, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления KU обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

На частоте fт модуль дифференциального коэффициента усиления |KU| = 1. Как следует из последнего выражения, частота fт равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Источник

Adblock
detector