5.3. Основные параметры и характеристики усилителей
Коэффициенты усиления усилителя. К важнейшим параметрам усилителя относятся коэффициенты, характеризующие усиление сигнала по напряжению, току, мощности.
Коэффициент усиления напряжения определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению (рис. 5.2), т.е.
к = ивых/ию.
На практике часто пользуются сквозным коэффициентом усиления определяемым как отношение выходного напряжения к ЭДС источника сигнала
Кк = Увых / Ее • •
Сквозной коэффициент усиления называют также коэффициентом усиления по ЭДС. Коэффициент усиления тока определяется как
и коэффициент усиления мощности
-^р — Рвых / Pgx-
В общем случае коэффициенты усиления являются комплексными величинами и зависят от частоты усиливаемого сигнала:
К((0)=—. , К і (<й) = —. , Kp(V)) = —. .
УтПх(^) !вх(®) Р*х(®)
При активном входном сопротивлении Rex и сопротивлении нагрузки R„ входная и выходная мощности являются вещественными, следовательно, вещественны и коэффициенты усиления.
Коэффициент усиления по мощности можно выразить через коэффициенты усиления тока и напряжения:
Кр — K-Kj
Рассмотренные коэффициенты усиления могут характеризовать как усилитель в целом, так и отдельные его каскады. Если усилитель содержит несколько каскадов, то его коэффициент усиления определяется как произведение коэффициентов усиления всех его каскадов. Например, для трехкаскадного усилителя:
к = к1к2к3..
Часто бывает удобно выражать коэффициенты усиления в логарифмических единицах - децибелах (дБ). Коэффициент усиления в децибелах в литературе обозначается буквой G:
G = 20lg К дБ, Gp = 10 Ig Кр дБ,
где G и Gp - коэффициент усиления в децибеллах напряжения и мощности соответственно.
Полоса пропускания частот. Полоса пропускания усилителя -полоса частот от/, до/, в диапазоне которой коэффициент усиления Усилителя изменяется (неравномерность усиления) в заданных пределах. Если отсутствует специальная оговорка, то считается, что в указанной полосе частот коэффициент усиления напряжения изменяется
не более чем на 3 дБ (в 4l раза). В аппаратуре высокого класса неравномерность усиления не превышает 2 дБ. Полоса пропускания различных усилителей различная. Например, полоса пропускания высококачественной аппаратуры звукозаписи и воспроизведения не менее 15000 Гц (от/, =20 Гц до f G =15000 Гц) при неравномерности усиления не более 2 дБ. Полоса пропускания телевизионных усилителей (видеоусилитель) 50 Гц...6 МГц. Система многоканальной связи на 10800 телефонных каналов имеет полосу пропускания 4...60 МГц и т.д.
Нелинейные искажения. Нелинейные искажения возникают в результате нелинейности вольт-амперных характеристик усилительных элементов. Нелинейная зависимость вольт-амперной характеристики электронных приборов приводит к нелинейности сквозной динамической характеристики переменному току усилителя, представляющей собой зависимость выходного тока от ЭДС источника сигнала. Это значит, что зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного является нелинейной, т.е. форма выходного сигнала не полностью соответствует форме входного. Искажение формы выходного сигнала в результате нелинейности сквозной динамической характеристики усилителя является следствием появления в спектре усиленного сигнала дополнительных гармонических составляющих, которых не было в спектре входного сигнала.
Уровень нелинейных искажений выходного сигнала за счет появления новых гармонических составляющих оценивается коэффициентом гармоник (коэффициент нелинейных искажений часто называют коэффициентом гармоник) и определяется как
Jui+u23+ ...+и2п и,
где U}) U2, ••• ~ амплитуды напряжений первой, второй и т.д. гармоник соответственно.
На практике часто бывает удобнее пользоваться амплитудными значениями выходного тока, тогда:
Коэффициент гармоник выражают в процентах (%), а иногда в «разах», т.е. к. [%]= к [раз] -100 %.
В усилителях звуковых сигналов нелинейные искажения на слух незаметны, если коэффициент гармоник не превышает 5%. Коэффициенты гармоник усилителей высшего класса составляют сотые доли пр0цента.
Обычно кг в области нижних частот больше, чем в области высоких частот. Поэтому в паспортных данных усилителя кг указывается для области нижних частот.
Шумы в усилителях. При отсутствии входного (усиливаемого) сигнала на выходе любого усилителя имеется некоторое шумовое напряжение. Шумовое напряжение обусловлено действием как внутренних, так и внешних источников. Внешними источниками шумов являются случайные помехи, действующие на вход усилителя, Помехи создаются промышленными установками, атмосферными явлениями, космическим радиоизлучением и т.д. Влияние внешних шумов можно несколько снизить путем введения в конструкцию усилителя дополнительных элементов фильтрации, оптимальным выбором точки заземления и частотного диапазона, экранированием чувствительных каскадов усилителя.
Внутренние шумы усилителя: фон, тепловой шум, шумы усилительных элементов.
Фон и наводки. Фон - это напряжение шума на выходе усилителя с частотой, кратной частоте сети переменного тока. Фон возникает при питании усилителя от выпрямителя с недостаточно сглаженным напряжением, при расположении усилителя (особенно первых усилительных каскадах) близко к источникам переменного магнитного или электромагнитного полей (к силовым трансформаторам, дросселям и т.д.). Для уменьшения уровня фона повышают степень сглаживания пульсаций напряжения выпрямителя, вводят дополнительные сглаживающие фильтры в каскады предварительного усиления, каскады усилителя охватывают отрицательной обратной связью, а для снижения уровня напряжения наводок применяют экранирование.
Тепловой шум. Тепловым шумом принято называть флуктуаци-онные помехи, вызванные хаотическим тепловым движением носителей тока (свободных электронов). Напряжение тепловых шумов определяется формулой Найквиста:
Еш =yJ4kTRAf ,
где А- = 1,38-10 2' Дж/К - постоянная Больцмана; Т - термодинамическая температура (абсолютная температура); R - сопротивление участка цепи в Омах; Д/'- полоса усиливаемых частот в герцах.
Шумы усилительных элементов. Эти шумы относятся к дробо-. вым шумам, природа возникновения которых объясняется случайны^ характером рекомбинации пар электрон-дырка в полупроводниковых приборах, а в радиолампах - случайным характером вылета отдельных электронов с поверхности катода.
Влияние шумов усилителя принято характеризовать коэффщц^ ентом шума Кш, который показывает, во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на выходе усилителя меньше этого отношения на его входе, т.е.
Наличие шумов на выходе усилителя (собственных шумов усилителя) ограничивает возможность усиления слабых сигналов, сравнимых по уровню с напряжением шумов. Для усиления очень слабых сигналов используются специальные малошумящие усилители, имеющие низкий уровень собственных шумов.
Динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон усилителя представляет собой отношение (в децибелах) максимального напряжения сигнала на выходе усилителя, при котором нелинейные искажения не выходят за пределы допустимого, к минимальному его значению, определяемому уровнем напряжений шумов:
Динамический диапазон усилителя можно определить по его амплитудной характеристике. Амплитудная характеристика (рис. 53) представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного на выбранной частоте (обычно на частоте 1 кГц).
идеальная ^ у характеристика
Отклонение амплитудной характеристики от прямой (идеальной характеристики) в нижней части объясняется существованием внутренних шумов, в верхней части - влиянием нелинейных свойств уси-лИтеля.
Сигнал, подаваемый на вход усилителя, имеет «свой» динамический диапазон. Следовательно, для усиления без искажений уровень напряжения сигнала должен быть больше уровня напряжения шумов, динамический диапазон усилителя должен быть больше динамического диапазона сигнала, т.е. Dy > Dc.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя и линейные (частотные) искажения. АЧХ усилителя - это зависимость коэффициента усиления усилителя (амплитуды выходного напряжения) при постоянном значении напряжения на входе от частоты усиливаемого сигнала. В общем случае АЧХ представляется так, как выглядит на рис. 5.4. На практике по частотной оси откладывают логарифм частоты, т.е. частоту в логарифмическом масштабе.
Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в
yfl раза, называются граничными частотами усиления (fH, fB - верхняя и нижняя граничные частоты соответственно). Частоты, на которых коэффициент усиления остается постоянным (почти постоянным), называют средними частотами, а коэффициент усиления на этих частотах - коэффициентом усиления на средних частотах, и обозначают f0 и Ко соответственно. Таким образом, коэффициент усиления на граничной частоте определяется как
КТ =К0 /
В высококачественных усилителях звуковоспроизведения коэффициенты усиления на нижней и верхней граничных частотах могут быть различны, причем значения граничных коэффициентов усиления К„ и Кн могут отличаться от К,р и, соответственно, будут отличаться значения граничных частот.
На практике удобнее пользоваться нормированной частот^ характеристикой, так как АЧХ, где приводится зависимость абсолк>г ного значения коэффициента усиления от частоты, не позволяет ^ полной мере сравнить частотные свойства двух усилителей одинако вого «профиля». Нормированная АЧХ строится для относительно^ коэффициента усиления:
Y = Kf/Ko.,
где Kf - коэффициент усиления усилителя на любой частоте, К0 - На средних частотах.
Относительный коэффициент усиления К, так же как и коэффи. циент усиления К, может быть выражен и в разах, и в децибеллах, т.е
У[дБ] = 20/^У[раз].
Неравномерность частотной характеристики вызвана частотны-ми искажениями. Количественно степень частотных (линейных) искажений можно определить из нормированной АЧХ как
М= J /Y=K0/Kf.
На практике коэффициент частотных искажений М оценивается в децибелах: ч
M = 20lg(K0/Kf), дБ.
Практический интерес представляют значения коэффициентов частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах (Ми и Мв).
В усилителях звуковых частот частотные искажения ощущаются как некоторое изменение тембра звука. В простых усилителях значения Ми и Мв не менее 6 дБ, а в усилителях высшего класса уровень частотных искажений не должен превышать (0,1 ...1,0) дБ.
На граничной частоте усиления, если в паспорте усилителя отдельно не оговаривается, коэффициенты частотных искажений равны:
Энергетические параметры усилителя - выходная мощность, потребляемая от источника питания мощность, коэффициент полезного действия (КПД), мощность, потребляемая входной цепью усилителя.
Номинальная выходная мощность определяется при условии, что коэффициент гармоник не превышает максимально допустимого значения. При определении номинальной выходной мощности усилителя звуковых частот на вход усилителя подается гармонический сигнал с частотой 1 кГц обычно в течение 10 минут.
Максимальная выходная мощность определяется так же, как и номинальная, но при коэффициенте гармоник кТ = 10 %.
Потребляемая от источника питания мощность определяется как сумма мощностей потребляемых каскадами усилителя ото всех используемых источников питания при номинальной выходной мощности. Если усилитель питается только от одного источника питания, естественно, потребляемая мощность также определяется только от одного источника питания, например:
Ро~10 - Е,„
где 10 - ток, потребляемый от источника питания, Е„ - напряжение источника питания.
Коэффициент полезного действия (КПД). Среди энергетических параметров особый интерес представляет полный (промышленный) КПД усилителя
Л у ~ Рвых / Ро •
Промышленный КПД многих усилителей гармонических сигналов не превышает 60%. Больший КПД позволяют получить усилители класса D. Коэффициент полезного действия таких усилителей достигает 95 - 97%.