Wzmacniacze

Podstawową funkcją wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału bez zmiany jego kształtu. Wzmocnienie to odbywa się kosztem energii doprowadzonej z pomocniczego źródła napięcia stałego. W każdym wzmacniaczu wyróżnia się więc dwa zasadnicze obwody: obwód sygnału i obwód zasilania. Obwód zasilania stwarza właściwe warunki dla wzmocnienia sygnału, natomiast obwód sygnału jest związany z przenoszeniem sygnału przez wzmacniacz.

/rys. 5.1/ /schemat ogólny wzmacniacza/

Wzmocnienia wzmacniaczy często określa się w mierze logarytmicznej – decybelach. Wtedy:

$$K_{u\lbrack dB\rbrack} = 20log\frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}}$$

$$K_{i\lbrack dB\rbrack} = 20log\frac{I_{\text{wy}}}{I_{\text{we}}}$$

$$K_{p\lbrack dB\rbrack} = 20log\frac{P_{\text{wy}}}{P_{\text{we}}}$$

Ze względu na przeznaczenie wymaga się od wzmacniacza dużego wzmocnienia napięciowego, prądowego lub mocy. Zależnie więc, który ze współczynników wzmocnienia jest w danym układzie istotny, wyróżnia się wzmacniacze napięciowe, prądowe lub mocy.

Wzmacniacz idealny powinien przenosić sygnały bez zmiany ich kształtu. We wzmacniaczach rzeczywistych powstają dwojakiego rodzaju zniekształcenia sygnałów:

1. Zniekształcenia nieliniowe, wywołane np. przez nieliniowość charakterystyk statycznych niektórych elementów wzmacniacza, szumy i zakłócenia.

2. Zniekształcenia liniowe, wywołane niejednakowym przenoszeniem przez wzmacniacz sygnałów o różnych częstotliwościach.

W każdym wzmacniaczu powstają pewne napięcia zmienne, niezależnie od sygnału. Są one nazywane szumami. Poziom szumów ogranicza możliwość wzmacniania bardzo małych sygnałów, gdyż sygnał musi mieć wartość znacznie od nich większą. Ze względu na szumy charakterystyka przenoszenia nie rozpoczyna się w początku układu współrzędnych.

Właściwości wzmacniacza opisują jego charakterystyki częstotliwościowe:

• amplitudowa K_u = f(f) /rys. 5.3a/

• fazowa φ = f(f) /rys. 5.3b/

• amplitudowo-fazowa I_mK_u = f(Re K_u) /rys. 5.3c/

/rys.5.3/ /charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza/

Charakterystyka amplitudowa określa zależność modułu wzmocnienia od częstotliwości. Wykreśla się ją najczęściej w podziałce półlogarytmicznej lub logarytmicznej. Przy określonej częstotliwości lub w określonym paśmie częstotliwości ma ona maksimum równe K_um. Dwie wartości częstotliwości, przy których wzmocnienie zmniejsza się do określonej wartości, są nazywane częstotliwościami granicznymi: dolną f_d i górną f_g. We wzmacniaczach jako typowe przyjęto zmniejszenie wzmocnienia do wartości $\frac{K_{\text{um}}}{\sqrt{2}}$. Dla niektórych typów wzmacniaczy jako częstotliwość graniczną przyjmuje się częstotliwość, przy której K_u jest równe jedności. Szerokość pasma przenoszenia B równa się różnicy górnej i dolnej częstotliwości granicznej

B = f_g - f_d

Z charakterystyki fazowej wzmacniacza φ = f(f) określa się przesunięcie fazowe miedzy sygnałami wejściowym i wyjściowym.

Obie charakterystyki częstotliwości, a wiec amplitudową i fazową, można przedstawić w postaci wykresu na płaszczyźnie zmiennej zespolonej. Wykres taki, stanowiący miejsce geometryczne punktów końcowych promienia o długości K_u i kącie nachylenia φ, nazywa się charakterystyką amplitudowo-fazową. /rys. 5.3c/

Na ogół wzmacniacz stanowi kaskadowe połączenie szeregu stopni wzmacniających /rys.5.5/, spośród których można wyróżnić:

• stopień wejściowy (wzmacniacz wstępny, przedwzmacniacz) współpracujący ze źródłem sygnału;

• stopnie pośrednie;

• stopień wyjściowy, współpracujący z obciążeniem.