ЛекцииСАиЦУ_ФКП

В большинстве случаев оно может быть представлено в виде параллельного соединения резистивного (активного) сопротивления RВХ (проводи-

мости gВХ = R1

ВХ

мость в комплексной форме Y ВХ = gВХ + jωСВХ . Обычно желательно боль-

шое RВХ (малое gВХ) и малое СВХ.

К входу усилителя (1-1’ рис. 1.1.) подключается источник входного сигнала в виде генератора напряжения с ЭДС ЕГ, имеющий внутреннее сопротивление ZГ.

За счет источника входного сигнала во входной цепи протекает входной ток IВХ, который создает на входе усилителя (на входном сопротивлении) входное напряжение UВХ. Входное сопротивление усилителя представляет собой сопротивление (полное ZВХ или резистивное RВХ) между входными за-

жимами усилителя и определяется выражением Z ВХ = U ВХ .

I ВХ

Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот. В области низких частот его реактивная составляющая очень мала и на практике не учитывается.

Если входной сигнал подается по кабелю, то для согласования с ним требуется RВХ усилителя, равное волновому сопротивлению кабеля, обычно составляющему 75 или 50 Ом. В некоторых измерительных усилителях иногда требуется RВХ → 0 (gВХ → ∞).

Выходное сопротивление ZВЫХ усилителя — это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель является источником колебаний, внутреннее сопротивление которого равно ZВЫХ. Нагрузкой усилителя может быть оконечное (исполнительное) устройство или вход последующего усилительного каскада.

К выходу усилителя (2-2’ рис. 1.1.) подключается нагрузка RН, через которую протекает выходной ток IВЫХ. Выходное сопротивление (полное

13

ZВЫХ или резистивное RВЫХ) определяют между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки ZН:

Z ВЫХ = U ВЫХ .

I ВЫХ

В области средних частот полосы пропускания выходное сопротивление усилителя можно считать практически резистивным (активным).

Если усилитель работает на нагрузку, подключаемую через коаксиальный кабель, с которым она согласована, RВЫХ должно равняться волновому сопротивлению кабеля, во избежание отражений, приводящих к искажениям формы импульсов.

Для усилителей звуковой частоты желательно, чтобы их выходное сопротивление было как можно меньше сопротивления нагрузки RВЫХ << RН. Это демпфирует (подавляет) собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабляет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Это особенно важно для усилителей, работающих на нестабильную нагрузку, например на трансляционную сеть звукового вещания.

Отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению на-

зывают коэффициентом демпфирования:

Для усилителей высшего класса коэффициент демпфирования лежит в пределах от 10 до 100.

Амплитудно- и фазочастотная характеристики

Комплексный коэффициент усиления по напряжению K = Ke jϕ . Его модуль К называется коэффициентом усиления. Зависимость К от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (кратко– частотной) характеристикой (АЧХ) усилителя. Она изображена на рис. 1.2..

14

зависят от частоты.

Типичными для АЧХ является наличие так называемой области средних частот, в которой К почти не зависит от частоты и обозначается К0. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления. Чаще всего на АЧХ по вертикальной оси используют относительный масштаб, откладывая

относительное (нормированное) усиление M = K , т.е. коэффициент усиле-

K0

ния, отнесенный к его значению на средних частотах. Такая АЧХ M(ω) или

M ( f ) называется нормированной.

На нижних и верхних (низших и высших) частотах АЧХ обычно спадает. Частоты, на которых относительное усиление M уменьшается до условного уровня отсчета d, называются граничными частотами усилителя: fН и fВ —

15

Вследствие спада усиления на краях полосы пропускания не все спектральные составляющие сложного колебания усиливаются в одинаковое число раз. Это приводит к искажениям его формы, которые называются ампли- тудно-частотными или частотными искажениями. Их косвенной мерой является значение относительного усиления на граничных частотах полосы пропускания. Изменение усиления на граничных частотах относительно его значения на средних частотах называется неравномерностью частотной характеристики, выражается в децибелах ( 20lg M ) и указывается в технических ус-

ловиях на аппаратуру.

Если М<1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал, а если М>1, то подъем.

В звуковых сигналах частотные искажения воспринимаются на слух как изменение тембра (высоты тона). Спад величины М на граничных частотах в усилителях звуковой частоты допускается не более чем на 3 дБ (в 1,41 раза), а в усилителях измерительных приборов — не более чем на 0,1 дБ.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются сдвигом фаз между входным и выходным сигналами.

Зависимость от частоты фазового сдвига ϕ, вносимого усилителем, на-

зывается фазочастотной (кратко-фазовой) характеристикой (рис. 1.2,б).

Из теории цепей известно, что если фазочастотная характеристика (ФЧХ) четырехполюсника не является прямой, исходящей из начала координат, то время прохождения через него различных спектральных составляющих сложного колебания различно. Это приводит к искажениям его формы, которые называются фазочастотными или фазовыми. Это сдвиги фаз, вызванные реактивными элементами усилителя. Фазовые искажения в усилите-

16

ле отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. На практике ФЧХ используются реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости и сравнительной сложности измерения фазовых сдвигов. В связи со слабой чувствительностью уха к фазовым искажениям к ФЧХ УЗЧ не предъявляют жестких требований за исключением линейности ФЧХ в пределах полосы пропускания.

Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют. Линейные искажения не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала. Они вызывают лишь изменение соотношения амплитуд и фаз между отдельными спектральными составляющими.

На практике АЧХ и ФЧХ обычно строятся в логарифмическом масштабе по оси частот. Он удобен тем, что растягивает область нижних и сжимает область верхних частот. Это позволяет одинаково подробно рассматривать равные относительные изменения частоты в любой ее области.

Переходная характеристика

Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход небольшого перепада напряжения (мгновенного скачка напряжения), не вызывающего перегрузку усилителя. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Характер переходного процесса в усилителе во многом зависит от наличия реактивных элементов L, C, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости.

Переходную характеристику подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе, откладывая по вертикали отношение выходного напряже-

17

ния к его значению после установления фронта h(t)= U ВЫХ (i) (рис. 1.3.).

U ВЫХ0

Время, в течение которого фронт относительной (нормированной) переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания tНАР.

Часто в конце фронта выходного напряжения получается выброс, иногда с последующими затухающими колебаниями на вершине ПХ

(см. рис. 1.3.). Отно-

сительная величина

δ и выражается в процентах.

Существует так называемое критическое значение выброса, при котором δ усилителя не зависит от числа его каскадов. Критический выброс и стараются обеспечить при разработке. Он составляет единицы процентов и зависит от схемы каскадов.

Спад верхней части нормированной ПХ в заданный момент времени обозначается через , измеряется, как и выброс, в процентах от стационарного значения и не должен превышать 10% для усилителей высококачественного воспроизведения.

Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, а именно временной. В отличие от него, оценку показателей с помощью АЧХ и ФЧХ называют частотным методом.

ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импуль-

сов при их усилении, так как такой импульс длительностью tи , действующий

18

на входе, может быть представлен в виде суммы двух разнополярных пере-

падов, взаимно сдвинутых во времени на tи . Тогда по принципу суперпози-

ции форма импульса на выходе может быть найдена простым вычитанием ПХ самой из себя, сдвинутой во времени на tи .

Изредка оценку усилителя временным методом ведут по импульсной характеристике, которая представляет реакцию усилителя на очень короткий импульс и по существу является производной от ПХ.

Нелинейные искажения

Нелинейные искажения – это изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов, микросхем и других элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. На этом и основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и выс-

шие (2f, 3f, 4f…).

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего (эффективного) значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

Здесь U1 , U2 , U3 и так далее — действующие значения напряжений от-

дельных гармоник выходного напряжения. Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения, причём вместо напряжений можно оперировать токами. Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник, например:

19

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При КГ < 2..3% они почти не заметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот обеспечивают коэффициент гармоник КГ < 0,2%, а в усилителях многоканальной связи — сотые и тысячные доли процента (во избежание взаимных помех каналов).

Малые нелинейные искажения оценивают так называемым затуханием линейности аГ , выраженным децибелах:

Часто нормируют затухание нелинейности отдельно по второй и третьей гармоникам:

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие имеют малую мощность.

Во всяком усилителе нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и не связаны с его частотой. Для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен иметь малую амплитуду. В связи с этим в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном возникают в предконечных и выходных каскадах, на входе которых действуют сигналы большой амплитуды.

Выходное (и входное) напряжение, при котором коэффициент гармоник усилителя равен заданному допустимому значению, называется номи-

нальным.

Номинальной называется и соответствующая выходная мощность:

U 2

P = ВЫХ.НОМ ; ВЫХ.НОМ. RН

20

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов отдельных каскадов:

К1Σ = КГ1 + КГ2 +K+ КГn;

При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты, проявляющиеся как модуляция высокочастотных составляющих низкочастотными при работе элементов в нелинейной области, так называемые интермодуляционные ис-

кажения.

На слух последние более заметны, так как в отличие от гармоник являются вновь возникшими составляющими с частотами равными сумме и разности входных сигналов, сумме и разности удвоенных частот сигналов и так далее. Характерные ощущения при этом отождествляются с большей жесткостью звука и присутствием в нем «металлических» компонентов.

Поэтому для высококачественных усилителей звуковых частот измеряют также интермодуляционные искажения, подавая на вход два синусоидальных колебания с сильно различающимися частотами f1 и f2 > f1 и вчетверо различающимися амплитудами, причем амплитуды колебания f1 берется на 12 дБ, а частоты f2 — на 24 дБ меньше номинальной (ГОСТ 23849-87). Количественной мерой искажений является отношение суммарного напряжения комбинационных составляющих к напряжению частоты f2 на выходе усилителя.

Интермодуляционные искажения измеряют в процентах и он лежит в тех же пределах, что и коэффициент гармоник.

При усилении импульсных сигналов прямоугольной формы нелинейность усилителя не приводит к искажению формы отдельных импульсов, но изменяет соотношение их амплитуд (если они не равны).

При усилении пилообразных импульсов их форма искажается.

Для оценки степени нелинейности импульсных усилителей используют коэффициент нелинейности КНЕЛ. Он равен относительному изменению крутизны нарастания выходного напряжения усилителя при подаче на его вход

21

линейно нарастающего напряжения максимальной амплитуды, пропускаемой усилителем.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя характеризует экономичность расходования энергии питания. Обычно он измеряется при усилении гармонического колебания частоты 1кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания:

η∑ = Pн ;

P∑

Разность P∑ − PН = PПОТ . является мощностью потерь в усилителе.

Применяется также КПД выходной цепи усилительного элемента (УЭ), который представляет отношение мощности переменного тока, создаваемой в выходной цепи УЭ (например, транзистора), к мощности питания, потреб-

ляемой этой цепью: η = P~ . Он учитывает потери мощности только в УЭ и

PП

применяется для оценки экономичности оконечных каскадов как основных потребителей энергии питания.

Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь в нем, которая превращается в тепло. Например, для предотвращения перегрева оконечных транзисторов их приходится снабжать радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Таким образом, КПД усилителя косвенно характеризует также его удельные размеры и массу (на единицу выходной мощности).

Экономичность питания усилителя оценивают по КПД и по току питания в режиме покоя (при отсутствии сигнала). Последнее оправдано тем, что реальные усиливаемые сигнала обычно имеют паузы (перерывы).

22