Усилитель низкой частоты

Методические указания для студентов и курсантов специальностей 21040265, 16090565

Составили: О.В. Солодков

С.С. Веселова

Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Морской государственный университет

им. адм. Г.И. Невельского»

Кафедра радиоэлектроники и радиосвязи

Усилитель низкой частоты

Методические указания для студентов и курсантов специальностей 21040265, 16090565

Составители: О.В. Солодков

С.С. Веселова

Владивосток

2013

Составители:

Олег Владимирович Солодков

Серафима Сергеевна Веселова

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Методические указания

Печатается с готового оригинал-макета, подготовленного

авторами

Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Формат 60×84 1/16

Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им.адм. Г.И. Невельского

690059, Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50 а

Цель работы: исследование усилителя низкой частоты

Оборудование: усилитель НЧ, милливольтметр, осциллограф, генератор НЧ, динамик, аттенюатор.

Основные теоретические сведения.

УНЧ – устройство (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом, к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню –3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот.

Функции УНЧ: Усилители низкой частоты применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотрансляционной аппаратуры.

Основными техническими показателями электронных усилителей являются: входное и выходное сопротивления; коэффициенты усиления и коэффициент полезного действия; выходная мощность, амплитудная, частотная, фазовая, переходная характеристики; величина нелинейных искажений, уровень собственных шумов; динамический диапазон.

Входные и выходные показатели. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник (рис.1), к входным зажимам которого присоединен источник усиливаемого сигнала с ЭДС и внутренним сопротивлением , а к выходным – сопротивление нагрузки . Для выходной цепи усилитель представляет источник ЭДС с внутренним сопротивлением .

Для усиливаемого сигнала усилитель характеризуется входным сопротивлением . Сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке.

Рис.1 Эквивалентная схема усилителя

Протекающий от источника сигнала в усилитель ток и входное напряжение определяют формулами:

(1)

(2).

При согласовании нагрузки и выходного сопротивления усилителя в нагрузке выделяется наибольшая мощность.

Ко входным показателям относят: входное напряжение , входной ток , входную мощность сигнала , при которых усилитель обеспечивает на выходе заданные значения напряжения, тока или мощности; общее входное сопротивление , представляющее собой сопротивление между входными клеммами усилителя переменному для входного сигнала с ЭДС источника сигнала и его внутреннем сопротивлением . При активном входном сопротивлении усилителя:

(3)

(4)

(5).

Выходными показателям являются: выходное напряжение ; выходной ток ; выходная мощность , отдаваемая усилителем в нагрузку ; выходное сопротивление , которое определяют как сопротивление между выходными клеммами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки.

(6)

(7).

Наибольшая выходная мощность при допустимой величине нелинейных искажений называется номинальной . Значения выходного напряжения и выходного тока , обеспечивающие на выходе номинальную мощность, называются номинальными.

Коэффициент усиления. Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз сигнал на выходе усилителя больше, чем на его входе. Различают коэффициенты усиления по напряжению, по току, по мощности.

Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение амплитуды напряжения сигнала на выходе усилителя к амплитуде напряжения сигнала на его входе:

(8).

Коэффициентом усиления по току называется отношение амплитуды тока сигнала в нагрузке усилителя к амплитуде тока сигнала на входе усилителя:

(9).

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение мощности сигнала на выходе усилителя к мощности сигнала на его входе:

(10).

Часто для достижения, например необходимого , используют многокаскадные усилители, в которых предыдущего каскада является для следующего и общий коэффициент усиления равен:

; (11)

; (12)

. (13)

Коэффициент усиления – величина безразмерная и в ряде случаев принято усилительные свойства выражать в логарифмических единицах – децибелах.

Коэффициент усиления по напряжению в дБ:

; (14)

коэффициент усиления по току в дБ:

; (15)

коэффициент усиления по мощности в дБ:

. (16)

Выходная мощность. При чисто активной нагрузке и синусоидальном напряжении:

, (17)

где – действующее и амплитудное значение выходного напряжения; – амплитуда тока в нагрузке.

Амплитудно-частотная характеристика. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты усиливаемого сигнала (рис. 2). На оси ординат частотной характеристики откладываются значения коэффициента усиления в линейном масштабе, а на оси абсцисс – значения частоты входного сигнала в логарифмическом масштабе, так как диапазон частот входного сигнала часто оказывается очень широким. На рис.2 прямой линией показана идеальная частотная характеристика усилителя, не вносящего частотных искажений; кривой – реальная характеристика усилителя, ослабляющего (срезающего) нижние и верхние частоты заданного диапазона.

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют полосу пропускания усилителя , где и ‑ нижняя и верхняя граничная частота.

ΔF

Рис. 2 Амплитудно-частотная характеристика электронного усилителя

Фазочастотная характеристика (ФЧХ). Она представляет собой зависимость угла сдвига фаз «» между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты сигнала (рис. 3).

Рис. 3 Фазочастотная характеристика однокаскадного усилителя

Фазовые сдвиги в усилителе возникают в результате наличия в нем реактивных элементов (индуктивностей, емкостей).

При прохождении сигнала через идеальный усилитель все составляющие независимо от частоты их сдвигаются на одно и то же время. При этом форма выходного сигнала тоже не меняется. В этом случае фазовая характеристика представляет собой прямую линию. Спектральные компоненты сигнала полностью сохраняют амплитуду и частотные соотношения.

В реальном усилителе значение фазовых сдвигов зависит от частоты. И составляющие сигнала, имеющие разные частоты, оказываются сдвинутыми на разные углы, что искажает форму сигнала на выходе. ФЧХ реального усилителя показана на рис.3 сплошной кривой. При положительных значениях угла сдвига фаз  выходной сигнал опережает входной, при отрицательных – выходной сигнал отстает от входного.

Искажения формы выходного сигнала, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих сигнала, называются фазовыми искажениями.

В усилителях сигналов звуковой частоты фазовые искажения не учитываются, так как на слух они практически не воспринимаются. В усилителях видеосигналов их необходимо учитывать, поскольку они вызывают искажения изображений.

Нелинейные искажения (НИ). Выражаются в изменении формы усиливаемого сигнала. Основная причина их возникновения – нелинейность характеристик усилительных элементов. На рис.4 в качестве примера приведена входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, и показано, как искажается форма тока , т.е. входного тока усилителя, при синусоидальной форме входного напряжения . В результате нелинейных искажений выходное напряжение усилителя содержит кроме постоянной составляющей и основной (первой) ещё и высшие гармонические составляющие, которые в исходном сигнале отсутствует.

Рис. 4 Нелинейные искажения

Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений, представляющим квадратный корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:

, (18)

или близким к нему коэффициентом гармоник:

, (19)

где - действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе. Эти коэффициенты часто выражают в %.

Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного напряжения амплитуды напряжения на входе: . По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя (рис. 5).

Рис. 5 Амплитудная характеристика электронного усилителя

Динамический диапазон и коэффициент усиления усилителя определяются на линейном участке амплитудной характеристики.

Идеальная амплитудная характеристика электронного усилителя представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя. В реальных усилителях амплитудная характеристика имеет только участок в виде прямой линии, начало и конец АХ ‑ нелинейны. При отсутствии сигнала на входе усилителя напряжение на его выходе будет равно напряжению собственных шумов. при этом

, (20)

где – коэффициент усиления по напряжению.

Для получения требуемого отношения напряжение на входе усилителя должно превышать в раз. Сигналы с амплитудой, меньшей напряжения собственных шумов, будут неразличимы на фоне шумов. Таким образом, при малых сигналах искажения АХ обусловлено наличием собственных шумов, а при больших сигналах – нелинейным характером усилительного элемента.

Динамический диапазон усилителя ‑ отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому. Обычно он выражается в децибелах:

. (21)

Минимальный сигнал, который можно выделить на фоне собственных шумов, определяется напряжением собственных шумов, приведенное ко входу. Максимальный сигнал ограничивается допустимой величиной нелинейных искажений.

О динамическом диапазоне наглядное представление дает амплитудная характеристика.

Коэффициент полезного действия. Различают два значения КПД: электрический КПД выходной цепи усилителя и полный КПД усилителя (промышленный).

Электрический КПД выходной цепи усилителя – это отношение номинальной выходной мощности к мощности, потребляемой выходным каскадом усилителя от источника питания :

. (22)

Полный КПД усилителя определяется отношением номинальной выходной мощности к мощности, потребляемой всеми цепями усилителя от источника питания:

. (23)

Коэффициент интермодуляционных искажений. Суть интермодуляции состоит в том, что при действии на входе усилителя двух или более модулированных или немодулированных колебаний, находящихся за пределами АЧХ усилителя и при нелинейной ВАХ усилительного элемента может образоваться комбинационная составляющая с частотой, попадающей в полосу пропускания усилителя.

Рассмотрим пример (рис.6), когда на вход испытываемого усилителя подадим сигналы с частотой 50 Гц и 5000Гц, с отношением амплитуд 4:1. Наличие нелинейных элементов и цепей в усилителе приводит к возникновению на этих двух частотах биений: сигнал с частотой 5000Гц модулируется сигналом частотой 50Гц. Глубина этой модуляции зависит от того, насколько сильно выражена нелинейность в усилителе.

Сигнал, полученный в результате биений, подается для наблюдения на вертикальный вход осциллографа через фильтр, исключающий НЧ составляющую. Усилитель имеет номинальную нагрузку . По наблюдаемой на экране осциллографа кривой можно рассчитать величины и и вычислить коэффициент интермодуляционных искажений по формуле:

. (24)

Рис.6 Явление интермодуляции

Следствием его может оказаться хорошо заметное на слух искажение сигнала, например, при наличии нескольких компонент с частотами в 10 – 15 кГц, продукты интермодуляции могут находиться в области сотен герц и практически не маскируются полезным сигналом.

Порядок выполнения измерений:

1. Для выполнения лабораторной работы необходимо подключить исследуемый УНЧ и приборы согласно схеме, которая представлена на рис.7: Установить регулятор громкости выданного преподавателем УНЧ или приемника на максимальное значение, частоту подаваемого с ГНЧ сигнала 1000Гц, снять зависимость . При использовании аттенюатора следует помнить, что он ослабляет сигнал, поступающий с выхода ГНЧ в указанное на нем число раз. Значения следует выбирать согласно варианту задания, рекомендованные значения приведены в табл. 1.

Рис.7 Структурная схема подключения измерительных приборов

Таблица 1

Результаты измерений

Параметры	Значения
1в – Uвх, мВ	0	0,05	0,15	0,5	1,5	5	7	10	12	15
2в – Uвх, мВ	0	2	4	10	30	100	300	400	500
Uвых

Построить по полученным результатам график амплитудной характеристики в логарифмическом масштабе (рис.8). Расчет проводить для значений, соответствующих линейному участку.

Рис.8 Амплитудная характеристика усилителя

2. Из построенного графика найти коэффициент усиления по напряжению и коэффициент усиления по мощности, в дБ и в разах. При расчётах воспользуйтесь выражениями (8), (14), (10), (16), не забывайте учитывать единицы измерения, т.к. они сильно отличаются.

3. С учетом известного значения и усилителя вычислить , по выражению (17). Также, используя выражение (10) и (16), вычислить коэффициент усиления по мощности в разах и дБ.

4. Измерив при отсутствии сигнала на входе усилителя, вычислить напряжение шумов, приведенное ко входу, по выражению (20).

5. Используя измеренные и вычислить динамический диапазон усилителя.

6. Снятие АЧХ исследуемого УНЧ следует проводить при выходной мощности, равной . Из полученного найдем, зная , . Для полученного определяем подбором . Установив полученное , кГц, определяем АЧХ. Рекомендованное значение частоты приведено в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерений АЧХ исследуемого УНЧ

, кГц	0,05	0,1	0,2	1	3	10	30	60	80	100	120	140	160	180

Постройте АЧХ (рис.9) в логарифмическом масштабе и вычислите полосу пропускания усилителя.

Рис.9 АЧХ усилителя

8*. Дополнительно по заданию преподавателя выполните п.7 для двух положений регулятора тембра: 1 – ручка тембра в крайнее левое положение – минимум; 2 – ручка тембра в крайнее правое положение – максимум. Постройте АЧХ (рис.10) для 2х случаев, определите глубину регулировки тембра, используя выражение:

Рис.10 АЧХ усилителя для 2х тембров

9*. Проведите те же измерения, что и п.2, для нагрузок с сопротивлением 8 Ом, 18 Ом, 1,8 Ом. Вычислить номинальную и максимальную мощность для каждого значения , кГц. Построить зависимость (рис.11).

Рис.11 Зависимость

10. В соответствии с параметрами испытуемого УНЧ измерить спектральный состав выходного сигнала при значениях выходной мощности , , и . Определить величины нелинейных искажений и построить график зависимости от выходной мощности для этих величин .

11. По полученным результатам измерений и вычислений определить основные параметры УНЧ и сделать вывод о возможных причинах.

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1. Структурную схему установки.

2. Все измерения зависимостей , АЧХ исследуемого УНЧ.

3. Расчетные значения коэффициента усиления по напряжению и по мощности, в дБ и в разах; выходной и входной номинальной мощности; напряжения шумов, приведенное ко входу; динамического диапазона усилителя; глубины регулировки тембра; полосы пропускания усилителя по приведенным в методических указаниях формулам.

4. Построенные зависимости амплитудной характеристики, АЧХ в логарифмическом масштабе, зависимость .

5. Анализ полученных результатов, выводы по работе.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте назначение УНЧ в составе РПУ прямого усиления.

2. Назовите основные характеристики УНЧ.

3. Что такое коэффициент усиления? Что он показывает? Существует ли предел усиления?

4. Что показывает АЧХ?

5. Как определяется полоса пропускания усилителя?

6. Как подобрать оптимальный динамик?

7. Чем вызваны искажения полученной АХ усилителя?

8. Чем определяется уровень входного сигнала, поступающего на усилитель?

9. Что такое нелинейные искажения?

10. При каких величинах НИ хорошо обнаруживаются при подаче на вход гармонического колебания?

11. Какова ориентировочная величина Кни которые можно обнаружить «на слух»?