Электронные усилители
Аналоговые электронные устройства (АЭУ) — это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. К аналоговым относятся сигналы, которые изменяются по тому же закону, что и характеризуемые (описываемые) ими физические процессы. Аналоговые сигналы заданы (известны, могут быть измерены) во все моменты времени. Аналоговый сигнал как функция времени может быть наглядно, представлен графиком или осциллограммой. График может содержать точки разрыва, например, иметь форму импульсов.
В отличие от аналогового у дискретного сигнала значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые, например, один раз в каждую миллисекунду. Но по форме (а не по содержанию) любой дискретный сигнал является аналоговым. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Он получается, если числовые значения дискретного сигнала выразить группами импульсов, обозначающими соответствующие числа (обычно в двоичной системе счисления, как самой простой для отражения импульсами).
Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счет энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности. В ряде устройств напряжение сигнала в усилителе преобразуется в напряжение заданной формы, отличной от оригинала. В этом случае усилитель является преобразователем формы напряжения.
Совокупность усилителя и источника питания составляет усилительное устройство (рис. 1. а). Ко входным зажимам усилителя 1—1' подключают источник усиливаемого колебания (сигнала), который можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника с генератором ЭДС Ег (рис. 1.1, а) или с генератором тока Iг (рис. 1, б).
Рис. 1
| 
б)
|
.
Усилители разделяют по форме усиливаемых сигналов— усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов. По диапазону частот — усилители постоянного тока (УПТ) и усилители переменного тока. Первыми называются такие, которые усиливают колебания с частотами, начиная с нуля герц, т. е. способны усиливать как переменную, так и постоянную составляющую входного сигнала. Усилители, способные усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания с частотами от нижней граничной частоты fн до верхней граничной частоты fB. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает ниже допустимого уровня.
По области применения — микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и т. д. Делят усилители и по функциональному назначению. Так, если главным назначением усилителя является усиление напряжения, то он называется усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока и усилители мощности.
Устройства на основе усилителей — это в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Первые из них называются также активными устройствами аналоговой обработки сигналов. Их выполняют на базе усилителей либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями ОС, либо путем некоторого видоизменения. Сюда относятся устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, анатилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства (их изучают в соответствующем курсе).
Параметры и характеристики, определяющие усиление и преобразование аналоговых сигналов
Параметры АЭУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся:
- входное сопротивление 
- внутреннее сопротивление устройства между его входными зажимами. Чаще всего носит емкостной характер;
- выходное сопротивление 
- внутреннее сопротивление устройства между его выходными зажимами.. Чаще всего носит так же емкостной характер;
- коэффициенты передачи (усиления):
- по напряжению 
:
,
где j - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Значение êКç на средних частотах рабочего диапазона усилителя, обозначаемого как 
, называют коэффициентом усиления.
В логарифмических единицах:
.
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
,
;
- по току 
:
.
Для n-каскадных усилителей 
в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично 
.
- по мощности 
:
.
Для n-каскадных усилителей 
в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично , только
.
- сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению 
:
,
где 
- ЭДС источника сигнала.
- коэффициент полезного действия:
,
где 
- максимальная выходная мощность усилителя; 
- мощность, потребляемая от источника питания.
Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики
Пусть на вход устройства подаётся сигнал с напряжением
, (1)
где 
- амплитуда напряжения, 
- частота, 
- фазовый угол.
В результате усиления на выходе усилителя появляется напряжение
. (2)
Тогда комплексный коэффициент усиления напряжения
(3)
(
имеет смысл фазового сдвига между выходным и входным напряжением на частоте ).
Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называют зависимость модуля коэффициента усиления 
от частоты. Примерный вид АЧХ усилителя переменного тока:
Рис. 2
Идеальная АЧХ есть прямая, параллельная оси частот.
Для оси ординат обычно используют линейный масштаб, но оси абсцисс - логарифмический (последнее связано с широким диапазоном рабочих частот современных усилителей).
Граничными частотами 
и 
называют частоты, на которых усиление уменьшается до заданной (допустимой) величины относительно усиления 
. Область частот от до называют полосой пропускания усилителя или диапазоном рабочих частот.
Весь диапазон условно разбивают на три области: область средних частот, в пределах которой усиление практически не зависит от частоты (рис.1), и области нижних и верхних частот, в пределах которых усиление существенно изменяется с изменением частоты.
Отношение коэффициента усиления на произвольной частое к коэффициенту усиления на средней частоте называют относительным усилением, т.е.
. (4)
Рис. 3
Причиной спада усиления на краях полосы пропускания является влияние реактивных элементов схемы (например, на нижних частотах – разделительных, блокировочных конденсаторов, трансформаторов связи, на верхних – паразитных межэлектродных емкостей, емкостей p-n переходов транзисторов).
АЧХ усилителя постоянного тока имеет вид:
Рис. 4
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает зависимость от частоты фазового сдвига фаз 
выходного гармонического колебания относительно входного. Эта зависимость определяется аргументом комплексного коэффициента усиления (выражение (3)). ФЧХ имеет вид:
Рис. 5
Реальная ФЧХ линейна только в области средних частот. В областях нижних и верхних частот она нелинейна из-за дополнительных фазовых сдвигов, вносимых реактивными элементами схемы усилителя. Изображенная реальная ФЧХ является типичной для усилителей с конечным числом реактивных дискретных элементов, которые создают конечные фазовые сдвиги на нулевой и бесконечно-высокой частотах. В интегральных усилителях, где встречаются паразитные емкостные элементы с распределенными параметрами, фазовый сдвиг может неограниченно возрастать с увеличением частоты.
Переходная характеристика (ПХ) – зависимость мгновенного значения выходного напряжения (тока) от времени при скачкообразном изменении входного напряжения (тока). Этой характеристикой определяется переход усилителя из одного стационарного состояния в др. ПХ особенно важна для усилителя импульсных сигналов.
ПХ обычно строят в относительном масштабе, откладывая по вертикали значение переходной функции 
. В качестве может быть взято отношение выходного напряжения к его значению после установления фронта импульса, т.е.
(5)
Рис. 6
На рис. 6 показаны ПХ усилителя постоянного тока - 1 и ПХ усилителя переменного тока - 2.
Форма сигнала на выходе отличается от формы сигнала подаваемого на вход. Возникают так называемые переходные искажения: имеется задержка выходного напряжения на время задержки 
, уменьшается крутизна фронта импульса, из-за чего появляется время нарастания 
. Наблюдается неравномерность вершины импульса 
за время спада 
. (в усилителях постоянного тока – нет)
Характер переходного процесса в усилителе зависит от наличия реактивных элементов (индуктивностей, емкостей, в том числе паразитных). Препятствуя мгновенному изменению тока (индуктивности) или напряжения (емкости), они препятствуют скачкообразному изменению выходного напряжения.
Амплитудная характеристика.
Амплитудной характеристикой (АХ) называют зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения усилителя от амплитуды гармонического входного напряжения. Изобразим реальную и идеальную АХ усилителя.
Идеальная АХ имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Реальная АХ не выходит из начала, т.к. усилитель всегда имеет некоторый уровень выходного напряжения 
, обусловленный наличием внутренних помех. Отклонение реальной АХ от идеальной в верхней ее части объясняется наличием нелинейных свойств усилительных элементов (УЭ) (нелинейностью ВАХ УЭ), которые проявляются все более заметно с увеличением амплитуды входного напряжения.
Рис. 7
Линейным участком АВ определяется динамический диапазон усилителя (один из параметров или технических показателей усилителя)
(6)
Динамический диапазон обычно измеряют в дБ: 
.
Для усилителей звуковых сигналов обычно 
.
АХ позволяет оценить коэффициент усиления, динамический диапазон, минимально и максимально допустимые значения входного сигнала, уровень собственных шумов.
Передаточная характеристика.
Передаточной характеристикой называют зависимость выходного напряжения (тока) от входного напряжения (тока). Обычно рассматривают в случае, когда входное сопротивление усилителя >> внутреннего сопротивления источника сигнала (на 2 и более порядка).
Рис. 8
Нелинейные участки связаны с нелинейностью ВАХ усилительных элементов.
Если входное сопротивление усилителя невелико (по сравнению с внутренним сопротивлением источника сигнала), то используют зависимость 
от ЭДС источника сигнала (сквозная характеристика).
Рис. 9