Основні параметри і характеристики підсилювачів

1) Коефіцієнт підсилення. Коефіцієнт підсилення за напругою, струмом або потужністю показує, у скільки разів встановлена напруга ( струм або потужність) на виході підсилювача більша, ніж її значення на вході:

Як правило, підсилювачі складаються із декількох каскадів, що виконують послідовне підсилення сигналу (рис. 1). При цьому загальне підсилення становить:

Для структурної схеми, приведеної на рис.1.

Легко перевірити, що

Рисунок 1. Структурна схеми підсилювача

У багатьох випадках коефіцієнт підсилення представляють у логарифмічних одиницях – децибелах (дБ):

Зворотний перехід від децибел до безрозмірної величини здійснюється так:

Якщо коефіцієнт підсилення каскадів виражені в децибелах, то загальний коефіцієнт підсилення дорівнює їх сумі:

2) Вхідний і вихідний опори. Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних затискачів якого приєднано джерело підсилювального сигналу, а до вихідних – опір навантаження (рис. 2.)

Рисунок 2. Підсилювач як активний чотириполюсник

Джерело вхідного сигналу представлено у виді генератора напруги з ЕРС ЕВХ, що має внутрішній опір Кг. Зі сторони вихідних затискачів підсилювач показаний у виді генератора напруги з ЕРС ЕВИХ і внутрішнім опором RВИХ.

Вхідний опір підсилювача представляє собою опір між вхідними клемами підсилювача і визначається так:

Вихідний опір підсилювача RВИХ визначається як опір між вихідними клемами підсилювача при вимкненому опорові навантаження RН.

В залежності від співвідношення між опорами RГ і RВХ джерело сигналу може працювати в режимі холостого ходу (RВХ>> RГ), короткого замикання (RВХ<< RГ), і узгодження (RВХ= Rг). Аналогічні режими роботи можливі для вихідного кола (RН>> RВИХ – холостий хід; RН<<RВИХ – коротке замикання; RВИХ узгодження). У відповідності з цим і розрізняють режими підсилення наруги, струму, потужності.

3) Вихідна потужність. При активному характері опору навантаження вихідна потужність підсилювача дорівнює:

де UВИХ – діюче значення вихідної напруги; UmВИХ – амплітудне значення вихідної напруги.

4) Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) η підсилювача дає змогу оцінити його економічність 

де Р0 – загальна потужність, що відбирається від всіх джерел живлення.
5) Діапазон підсилювальних частот, або смуга пропускання підсилювача – це область частот, в якій коефіцієнт підсилення змінюється не більше , ніж це допустимо за технічними умовами.

Рівень найслабшого сигналу обмежується в підсилювачі його власними шумами. Причини виникнення завад на виході підсилювача різні. Їх можна поділити на три основні групи: 1) теплові шуми; 2) шуми підсилювальних елементів; 3) завади що виникають в наслідок пульсацій напруг живлення і наведення збоку зовнішніх електричних і магнітних полів.

6) Нелінійні спотворення – це зміна форми підсилювальних сигналів, що зумовлена нелінійними властивостями кола, через яке ці сигнали проходять. Основною причиною виникнення нелінійних спотворень у підсилювачі є нелінійність характеристик транзисторів і намагнічування транзисторів, що мають осердя з магнітних матеріалів.

Ступінь нелінійних спотворень підсилювача оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік)

де Р2 + Р3 + ... + Рn – сума електричних потужностей, що виділяються на навантаженні гармоніками, які виникають в наслідок нелінійного підсилення; Р1 – електрична потужність першої гармоніки.

Якщо опір навантаження має незмінну величину для всіх гармонічних складових, можна записати вираз для КГ так:

де І1, І2, І3, Іn – діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої і т. д. гармонік струму на виході; U1, U2, U3, Un – діючі (або амплітудні) значення першої, другої, третьої і т. д. гармонік вихідної напруги. Загальну величину коефіцієнта нелінійних спотворень підсилювача визначають за формулою:

де КГ1, КГ2, КГn – нелінійні спотворення, внесені кожним каскадом підсилювача.
7) Динамічний діапазон амплітуд – це відношення амплітуд найсильнішого і найслабшого сигналів на виході підсилювача. Динамічний діапазон амплітуд звичайно виражають в децибелах:

8) Частотні спотворення. Вони зумовлені змінами величини коефіцієнта підсилення на різних частотах. Причиною частотних спотворень є наявність у схемі підсилювача реактивних елементів – конденсаторів, котушок індуктивності, міжелектродних ємностей транзисторів. Залежність величини реактивного опору від частоти не дає змоги дістати сталий коефіцієнт підсилення в широкій смузі частот.

Ступінь спотворень на окремих частотах виражається коефіцієнтом частотних спотворень М, що дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на середній частоті Кср до коефіцієнта підсилення на даній частоті Кf

Найбільші частотні спотворення виникають на межах діапазону частот КН і КВ. Коефіцієнт частотних спотворень для цих частот:  де КН і КВ – відповідно коефіцієнти підсилення на нижніх і верхніх частотах діапазону.

Коефіцієнт частотних спотворень зручно виражати в децибелах 

Для багатокаскадного підсилювача 

Коефіцієнт частотних спотворень багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів частотних спотворень окремих каскадів.

Характеристики підсилювачів

1) Амплітудна характеристика – це залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного сигналу (рис. 3.):

Рисунок 3. Амплітудна характеристика підсилювача

2) Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) представляє собою залежність амплітуди вихідного сигналу від частоти при постійній амплітуді вхідного сигналу (рис. 4.).

Рисунок 4. АЧХ підсилювача

Для зручності визначення частотних спотворень АЧХ будують в логарифмічному масштабі.
3) Фазова характеристика – це залежність різниці фаз між вхідними і вихідними сигналами (рис. 5.): φ =F (f)

Рисунок 5. Фазова характеристика підсилювача