Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

1.2. Входное и выходное сопротивление

Входное сопротивление Zвх усилителя или другого АЭУ

— это внутреннее сопротивление между его входными зажимами. В большинстве случаев — это параллельное соединение входного сопротивления (активного, резистивного) Rвх и входной емкости Свх . Желательно, как правило, иметь большое Rвх и малую Свх.

Выходное сопротивление Zвых — это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель (или АЭУ) является источником колебаний с внутренним сопротивлением Zвых. В области средних частот Zвых можно считать активным.

Если усилитель работает на нагрузку, подключенную через коаксиальный кабель, то Rвых должно быть равно 75 Ом во избежание отражений и искажений сигнала.

Для усилителя низкой частоты (УНЧ) желательно, чтобы Zвых было как можно меньше — это ослабляет зависимость Uвых от Zн. Последнее важно, если усилитель работает на нестабильную нагрузку.

1.3. Коэффициенты усиления (передачи)

Коэффициент усиления (или передачи) напряжения KU — это отношение амплитуды выходного напряжения Uвых к амплитуде входного напряжения Uвх (рис.1-1):

KU = Uвых / Uвх

Он определяется в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале и в дальнейшем для просто ты обозначается через К (без индекса U).

рис.1-1

Отношение Кскв = Uвых / Ег называется сквозным коэффициентом передачи.

Из рисунка следует, что

Кскв = Квх ·К,

где Квх = Zвх / (Zг + Zвх ) — коэффициент передачи (в комплексной форме) входной цепи, состоящей из входного Zвх

и Zг .

Коэффициент усиления (передачи) тока KI:

KI = Iвых / Iвх

— используется реже, т. к. технологически его трудно измерять (необходим разрыв цепи).

Иногда используют понятие сопротивление передачи:

Zп = Uвых / Iвх,

или проводимости передачи:

Yп = Iвых / Uвх.

1.4. Коэффициент усиления (передачи) по мощности

Кр = Рн / Рвх .

где Рн - мощность в нагрузке; Рвх - входная мощность. Так как громкость звукового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей используют логарифмическую единицу “Бел” (по имени изобретателя телефона А. Белла). Коэффициент усиления (передачи) по мощности выражают и в более мелких единицах — дециБелах:

Кр[дБ] = 10 lg Кр.

Если Rн = Rвх = R, то:

Это удобно, так как позволяет перемножение коэффициентов усиления заменить сложением.

1.5. Амплитудно - и фазочастотная характеристики

Комплексный коэффициент усиления по напряжению:

К К еj .

где К — это модуль коэффициента усиления; φ – фаза выходного сигнала.

Зависимость модуля коэффициент усиления от частоты К = f(ω) — это амплитудно-частотная характеристики уси-

сительный коэффициент усиления; d - допустимый уро-

вень снижения коэффициента усиления; φ (в градусах) – фаза выходного сигнала (относительно входного);

а). б).

рис.1-2

Для АЧХ типичным является наличие так называемой области средних частот, где К почти не зависит от ω и обозначается К0 . Как правило, по оси ординат используют относительный масштаб, откладывая относительное усиление y = K/K0 . Такая АЧХ y(ω) или y(f ) называется нормированной. На нижних и верхних частотах АЧХ обычно спадает. Частоты, на которых относительное усиление y уменьшается до условной величины d, называются граничными частотами усиления. Типовым (стандартным) условием считается значение

Диапазон fв … fн — называется полосой пропускания усилителя.

Из-за спада АЧХ на краях полосы не все спектральные составляющие сложного входного колебания усиливаются одинаково — возникают частотные искажения (амплитуд- но-частотные). Они оцениваются коэффициентом частотных искажений:

М = К0 / К = 1 / y,

который определяют на граничной частоте и выражают в дециБелах:

М [дБ] = 20 lg M.

Для звуковых частот — это изменение тембра. Для звуковых частот допустимо М = 3дБ (1,41 раза); для измерительных устройств ≤ 0,1 дБ и т. д.

Зависимость фазового сдвига от частоты рис. 1-2 б) называется фазочастотной (фазовой) характеристикой. Если фазовая характеристика (ФЧХ) четырехполюсника не является прямой, исходящей из начала координат, то время прохождения через четырехполюсник различных спектральных составляющих сложного колебания — различно. Это приводит к искажению его формы, т. е. фазо-частотным (фазовым) искажениям.

Частотные и фазовые искажения называются линейными, т. к. создаются за счет L и С схемы, которые являются линейными элементами. Линейные искажения меняют форму сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют.

Масштаб по оси ω — для АЧХ и ФЧХ обычно берут логарифмический, так как он удобен — растягивается нижняя и сжимается верхняя область частот. Таким образом, можно подробно рассматривать равные (относительные) интервалы изменения частоты в любой ее области.

1.6. Переходная характеристика

Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения Uвых

от времени при подаче на вход небольшого перепада напряжения, не вызывающего перегрузку усилителя.

ПХ подобно АЧХ обычно строят в относительном масшта-

бе (рис.1-3):

рис.1-3

По вертикали отношение h(t) Uвых (t) , где Uвых (t) — вы-

Uвых0

ходное напряжение; Uвых0 — выходное напряжение после установления фронта.

По существу, это есть ПХ коэффициента передачи по напряжению. Но можно строить ПХ и для других передаточных функций.

Время изменения нормированной ПХ от 0,1 до 0,9 называется временем нарастания tнар.

Часто в конце фронта получается выброс иногда с последующими колебаниями на вершине ПХ.

Относительная величина выброса δ измеряется в процентах (%). Спад верхней части ПХ обозначается . Эти величины нормируются при проектировании изделия.

ПХ однозначно определяет АЧХ и ФЧХ АЭУ — это всего лишь иной метод их оценки, оценки качества устройства

— временной метод.

Иногда оценку производят по импульсной характеристике

— реакции усилителя на очень короткий импульс, что по существу является производной от ПХ.

1.7. Нелинейные искажения

Нелинейные искажения — это изменения формы сигнала, обусловленные кривизной характеристик диодов, транзисторов, полупроводниковых конденсаторов, микросхем и т. д.

Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержены даже гармонические (синусоидальные) колебания. На этом основана их количественная оценка.

Коэффициент гармоник — это отношение эффективного (действующего) значения суммы высших гармоник выходного напряжения к эффективному значению его первой гармоники:

КГ

U22 U32 U42 ...

U1

Можно использовать не эффективные значения, а амплитудные. Можно использовать также значения токов. Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник:

В звуковых усилителях эти искажения воспринимаются на слух как хрипы, дребезжание. При КГ ≤ 2 ÷ 3% — искажения на слух не заметны.

Однако в высококачественных усилителях устанавливают КГ ≤ 0,2%, а в усилителях многоканальной связи < 0,001%. Нелинейные искажения оценивают затуханием нелинейности (в дБ):

Часто нормируют затухание по второй и третьей гармоникам:

В любом усилители нелинейные искажения увеличиваются при приближении амплитуды выходного напряжения к максимально возможному значению. Напряжение Uвых (или Uвх), при котором КГ равен заданному (допустимому) значению, называется номинальным.

Тогда выходная номинальная мощность

При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты. На слух они более заметны, т. к. они являются вновь возникшими составляющими. Поэтому для высококачественных усилителей измеряют такие интермодуляционные искажения, подавая на вход два синусоидальных колебания с сильно различающимися амплитудами: амплитуда сигнала f1 берется на 12 дБ меньше номинальной, а f2 — на 24 дБ (ГОСТ 23849-87). Количественно определяется (и нормируется) отношение суммарного на-

пряжения комбинационных составляющих к напряжению частоты f2 на выходе усилителя.

1.8. Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия характеризует экономичность расходования энергии питания. Обычно он измеряется при усилении сигнала на f = 1кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным — это отношение номинальной выходной мощности в нагрузке к суммарной мощности, потребляемой от всех источников:

Рном .

Р

Разность Р Рном является мощностью потерь в усили-

теле.

Применяются также КПД выходной цепи:

η = Р~ / РП,

где Р~ — мощность переменного тока в выходной цепи УЭ (например, транзистора); РП — мощность, потребляемая этой цепью.

Чем выше η, тем меньше потери в УЭ, которые превращаются в тепло. Таким образом, η косвенно характеризует удельные размеры, массу (на единицу выходной мощности).

1.9. Собственные помехи

Собственные помехи возникают внутри АЭУ. В основном это фон, наводки, шумы, а в УПТ — это еще и дрейф

нуля.

Фон — это колебания с частотой питающей сети, или кратной ей. Возникают в результате недостаточности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, из-за цепей накала катодов (при питании их переменным током). Наводки — помехи, наводимые в АЭУ электрическими или магнитными полями. Источники этих полей — трансформаторы, соединительные провода, электросети.

Количественная оценка фона и наводок — отношение их напряжения на выходе усилителя к Uном при номинальной выходной мощности. Как правило, норма ≈ -60 ÷ -70 дБ.

Собственные шумы усилителя представляют собой флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных носителей заряда (электронов, дырок) во всех электропроводящих материалах, из которых сделаны детали АЭУ.

Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материалов, очень слабые. Но, будучи усиленными, могут быть соизмеримы с уровнем полезного сигнала. Их оценка будет дана ниже.

Дрейф нуля — медленное изменение выходного напряжения Uвых из-за нестабильности напряжения источника питания Uпитания и характеристик транзисторов. Как правило, этот вид искажений относится к усилителям постоянного тока (УПТ). Их оценка будет дана ниже.

1.10.Амплитудная характеристика. Динамический диапазон

Амплитудная характеристика (АХ) — это зависимость амплитуды или действующего значения выходного напря-