Wzmacniacze rezystancyjne

Wzmacniacze można scharakteryzować następującymi parametrami: wzmocnienie napięciowe, zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów, charakterystyka częstotliwościowa, zniekształcenia nieliniowe, poziom szumów, impedancja wejściowa, impedancja wyjściowa. Wzmocnieniem napięciowym wzmacniacza nazywa się liczbę, która określa ile razy amplituda napięcia na wyjściu jest większa od ampli­tudy na wejściu wzmacniacza Wzmocnienie często jest określane w decybelach (dB). W przypadku wzmocnienia napięciowego wzmocnienie w decybelach (dB) określa wzór Zakres częstotliwości przenoszonych przez wzmacniacz nazywa się szerokością pasma \f Jako częstotliwość graniczną wzmacniacza przyjmuje się taką często­tliwość, przy której wzmocnienie maleje v2 razy w stosunku do wzmoc­nienia w środku pasma przenoszenia wzmacniacza, np. przy częstotli­wości 1000 Hz. Odpowiada to spadkowi wzmocnienia o 3 dB. Na rys. 2.1 przedstawiono przykładową charakterystykę amplitudo­wą wzmacniacza. Charakterystykę tę wyznacza się np. w następujący sposób: Do wejścia wzmacniacza podaje się sygnał o stałej amplitudzie i zmiennej częstotliwości. Na wyjściu wzmacniacza mierzy się amplitudę napięcia wyjściowego i oblicza się wzmocnienie dla każdej częstotli­wości. W taki sposób otrzymuje się przebieg zmian wzmocnienia w funkcji częstotliwości. Przyczyną postawania zniekształceń nieliniowych są nieliniowe za­leżności prądowo-napięciowe elementów (diod, tranzystorów). W wyniku oddziaływania sygnału na element nieliniowy sygnał ulega odkształ­ceniu, np. w sposób przedstawiony na rys. 2.2. Jeśli sygnał wejściowy ma przebieg sinusoidalny o określonej częstotliwości, to w zniekształco­nym sygnale wyjściowym pojawia się oprócz częstotliwości sygnału wejściowego wiele innych składowych o częstotliwościach harmonicznych. Im większe są amplitudy poszczególnych harmonicznych, tym zniekształ­cenia są większe. Wartość zniekształceń nieliniowych wzmacniacza określa w procentach współczynnik zawartości harmonicznych Źródłem szumów są przypadkowe ruchy nośników ładunku istnie­jącego w każdym przewodniku w temperaturze wyższej od zera bez­względnego. Szumy w sposób nieunikniony towarzyszą każdemu sygnało­wi. Poziom szumów powstających w danym elemencie zależy od jego budowy i parametrów elektrycznych, np. poziom szumów powstających w rezystorze zależy od wartości rezystancji, temperatury, w jakiej znajdu- je się rezystor i od szerokości pasma częstotliwości. Szumy powstające pod wpływem temperatury noszą nazwę szumów termicznych. Średnia kwadratowa wartość napięcia szumów termicznych Oprócz szumów termicznych wyróżnia się szumy śrutowe i szumy strukturalne. Szumy śrutowe są związane ze skwantowaną strukturą nośników prądu. Średnia kwadratowa wartość szumów śrutowych jest wprost proporcjonalna do składowej stałej prądu. Szumy strukturalne są związane z ziarnistą budową materii i w przy­bliżeniu są proporcjonalne do j-. Często są nazywane szumami „typu j-\ Szumy typu j- odgrywają istotną rolę we wzmacniaczach sygnałów o bardzo małych częstotliwościach. Poziom szumów zależy od warunków pracy elementu. Na przykład poziom szumów w tranzystorze zależy od jego konstrukcji, wybranego punktu pracy i rezystancji źródła sygnału sterującego tranzystor oraz od częstotliwości sygnału. Poziom szumów na wyjściu dowolnego wzmacniacza jest proporcjo­nalny do szerokości pasma częstotliwości przenoszonych przez wzmac­niacz. Wzmacniacz wytwarzający szumy można przedstawić w postaci schematu zastępczego (rys. 2.3). Schemat zastępczy takiego wzmacniacza składa się ze wzmacniacza idealnego (nie szumiącego) oraz rezystancji R o wartości takiej samej, jak w przypadku wzmacniacza szumiącego. Wzmacniacz idealny jest sterowany ze źródła szumów o wartości sku­tecznej U„ tak dobranej, aby wartość mocy szumów wydzielona w re­zystancji Rn była taka, jak w przypadku wzmacniacza szumiącego. Wzmacniacz szumiący jest sterowany ze źródła sygnału o amplitudzie sygnału U, (rys. 2.4). Jeśli amplituda napięcia sygnału jest mniejsza od napięcia skutecznego szumów, to moc szumów wydzielona w rezy­stancji obciążenia R,, jest większa od mocy sygnału wydzielonego w re- zystorze i?0. Nie możemy także odróżnić sygnału od szumów. Chcąc wydzielić z tła szumów sygnał użyteczny, napięcie sygnału powinno być znacznie większe od wartości skutecznej napięcia szumów. Jak wy­nika z przeprowadzonych rozważań, o minimalnej wartości wzmacnia­nego napięcia sygnału decyduje wartość skuteczna napięcia szumów wzmacniacza. Z użytkowego punktu widzenia nie jest istotna wartość bezwzględna napięcia szumów, lecz stosunek poziomu sygnału do po­ziomu szumów. Właściwości szumowe wzmacniacza określa definiowany następująco współczynnik szumów całkowita moc szumów oddana do obciążenia wzmacniacza całkowita moc szumów oddana do obciążenia wzmacniacza idealnego Jako całkowitą moc szumów oddaną do obciążenia wzmacniacza rozumie się moc szumów wydzieloną w obciążeniu wzmacniacza, po­chodzącą od szumów własnych wzmacniacza i od szumów źródła steru­jącego. Natomiast jako całkowitą moc szumów oddaną do obciążenia wzmacniacza idealnego rozumie się moc szumów pochodzącą od źródła sterującego. Moc pochodząca od szumów własnych wzmacniacza jest równa zero, gdyż zgodnie z założeniem jest to wzmacniacz idealny. Jeżeli wzmacniacz nie zawiera żadnych źródeł szumów (jest wzmacnia­czem nie szumiącym), to współczynnik szumów jest równy jedności. Zagadnienie szumów jest bardzo obszerne i może stanowić odrębny problem do rozważań, który został tutaj tylko zasygnalizowany.