2.2.5 Основные технические показатели и характеристики

УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

Технические показатели усилительных каскадов представляют собой количест­венную оценку их работы. Это коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, коэффициент полезного дейст­вия, чувствительность (номинальное входное напряжение), диапазон усилива­емых частот, линейные и нелинейные искажения, динамический диапазон, ча­стотная, фазочастотная, переходная характеристики.

Коэффициентом усиления, или коэффициентом передачи, называют отноше­ние выходного сигнала ко входному. Он определяется обычно в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

В зависимости от характера входной и выходной величин различают: коэф­фициент усиления по напряжению К_U = Uвых / Uвх; коэффициент усиления по току К_I = Iвых / Iвх; коэффициент усиления по мощности К_Р = Рвых / Рвх.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произ­ведению коэффициентов усиления отдельных каскадов и представляет собой безразмерную величину:

К_U = К_U1К_U2 … К_Un. (3.13)

Громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна лога­рифму его интенсивности. При сравнении мощности двух колебаний вводится логарифмическая единица — Бел или его десятая часть — децибел. Тогда коэф­фициент усиления, выраженный в логарифмических единицах, равен:

К_U (дБ) = 20lg (Uвых / Uвх),

К_I (дБ) – 20lg (Iвых / Iвх), (3.14)

Кр (дБ) = 10lg (Рвых / Рвх).

Коэффициенты усиления многокаскадного усилителя, выраженного в деци­белах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженных в тех же единицах:

K_U(дБ) = K_U1 + K_U2 + ... + K_Un. (3.15)

Рисунок 3.16 – представление усилителя в виде активного четырехполюсника

Коэффициенты усиления по напряжению и току в общем случае являют­ся комплексными величинами, характеризуемыми модулем и фазой. Это связа­но с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разно­му из-за наличия реактивных элементов схемы и частотных свойств активных элементов — транзисторов. Коэффициент усиления по мощности всегда есть число действительное, поскольку он имеет смысл лишь при активном характере нагрузки. Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно представить в виде ак­тивного четырехполюсника. Одна из возможных эквивалентных схем представ­лена на рисунке 3.16.

Ко входу усилителя (сечение 1-1) подключается источник входного сигнала в виде генератора напряжения с ЭДС Ег, имеющий внутреннее сопротивление г. За счет источника входного сигнала во входной цепи протекает входной ток Iвх, который создает на входе усилителя (на входном сопротивлении) входное представляет собой сопротивление (полное вх или резистивное Rвх) меж­ду входными зажимами усилителя и определяется выражением

(3.16)

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

Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источ­ником сигнала для внешней нагрузки . Нагрузкой усилителя может быть око­нечное (исполнительное) устройство или вход последующего усилительного каскада.

К выходу усилителя (сечение 2-2') подключается нагрузка Rн, через которую протекает выходной ток Iвых. Выходное сопротивление (полное , или рези­стивное Rвых) определяют между выходными зажимами при отключенном сопро­тивлении нагрузки :

(3.17)

Выходное сопротивление усилителя Rвых в области средних частот полосы пропускания практически активное. В усилителях звуковых частот (УЗЧ) вы­ходное сопротивление во много раз меньше сопротивления нагрузки Rн Rвых, что необходимо для лучшего воспроизведения звука. Различие сопротивлений по­давляет собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабля­ет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению называют коэффициентом демпфирования:

Кд = Rн /Rвых. (3.18)

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

Если нагрузка связана с усилением с помощью длинной линии (воздушной или кабельной, коаксиальной), то необходимо согласование выходного сопротив­ления усилителя с сопротивлением линии во избежание отражений, приводящих к искажениям формы сигнала.

Выходная мощность характеризуется номинальной мощностью, развиваемой усилителем в нагрузке. Это мощность на выходе усилителя при работе на расчет­ную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений:

(3.19)

где Uвых. m — амплитудное значение выходного напряжения.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, кото­рые возникают за счет нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигнала.

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение вы­ходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, по­требляемой от источника питания:

(3.20)

где Ро - мощность, потребляемая от источника питания.

Чувствительностью (номинальным входным напряжением) называют напря­жение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем она меньше, тем выше чувствительность усилителя. Минимально допустимое напряжение ограничивается уровнем собственных шу­мов усилителя, на фоне которых нельзя выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искаже­нием формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках ВАХ транзистора.

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к наи­меньшему называют динамическим диапазоном:

(3.21)

Диапазоном усиливаемых частот (полосой пропускания) называется разность граничных частот в.гр - н.гр, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью; допустимые изме­нения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Полоса пропускания частот усилителя должна быть больше или равна шири­не спектра усиливаемых частот. Она зависит от класса и качества аппаратуры. С расширением полосы пропускания растет стоимость аппаратуры, усложняется конструкция, увеличивается воздействие на усилитель различного рода помех. На практике полосу пропускания сужают до минимальных пределов, обеспечи­вающих необходимое качество работы усилителя.

Искажения сигнала. Кроме получения необходимого коэффициента усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его форму. Отклонение фор­мы выходного сигнала от формы входного принято называть искажениями. Они бывают нелинейные и линейные.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителя. При подаче на вход усилителя напряжения синусоидальной формы из-за нелинейности входной и выходной характеристик транзистора форма входного и выходного токов отличаются от синусоидальной из-за появления составляющих высших гармоник. Это относится как к синусои­дальному входному напряжению, так и ко входному сигналу любой другой фор­мы. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелиней­ных искажений (клир-фактор) усилителя, выраженным в процентах:

где Р₂, Р₃ , …,Рn — мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й,..., n - й гармонических составляющих напряжения (U₂, U₃, … Un); P₁ — мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения U₁.

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

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

К_r=Кr₁ +Кr₂+ …+ Кrn. (3.22)

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 предоконечных и выход­ных каскадах, на входе которых действуют сигналы большой амплитуды.

В усилителях звуковой частоты нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При Кr < 2-3 % они почти не заметны на слух. В высоко­качественных усилителях звуковой частоты Кr < 0,2 %, а в усилителях многока­нальной связи — сотые и тысячные доли процента, что исключает взаимные по­мехи каналов.

Рисунок 3.17 – Характеристики усилителя: а – амплитудно – частотная; б – фазочастотная

Линейные искажения определяются зависимостью параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Существуют линейные искажения трех видов; частотные, фазовые и пере­ходные. Частотные искажения связаны с несовпадением реальных и идеальных харак­теристик в рабочем диапазоне частот. Эти искажения зависят от частоты усили­ваемого сигнала. Зависимость коэффициента усиления от ча­стоты входного сигнала К = F() принято назы­вать амплитудно-частотной (частотной) ха­рактеристикой (АЧХ) (рисунок 3.17, а). Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Ре­ально же гармонические составляющие входно­го сигнала усиливаются неодинаково, посколь­ку реактивные сопротивления элементов схемы по-разному зависят от частоты. Типичным для АЧХ является наличие так называемой области средних частот, в которой К почти не зависит от частоты и обозначает­ся Ко.

В диапазоне низких и высоких частот ам­плитудно-частотная характеристика изменяется, имея неравномерность усиления. Частоты усиления, на которых коэффициент усиления изменяется в раз или на 3 дБ по сравнению со средней частотой/называют граничными частотами: нижней н.гр и верхней в.гр.

Степень искажения на отдельных частотах выражается коэффициентом ча­стотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте Ко к коэффициенту усиления на данной частоте. Наибольшие частотные искажения возникают на границах рабочего диапазона частот н.гр и в.гр.

(3.23)

Если М > 1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет за­вал, а если М < 1, то подъем. Коэффициент частотных искажений многокаскад­ного усилителя определяется как

М = M_tM₂ ...Мn [раз]; M = M_t + M₂+...+ Мn [дБ]. (3.24)

Частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом таким образом, чтобы общий коэффициент частот­ных искажений не выходил за пределы заданного. Допустимая величина частот­ных искажений зависит от назначения усилителя.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются сдвигом фаз меж­ду входным и выходным сигналами, что вызывает появление фазовых искаже­ний. Это сдвиги фаз, вызванные реактивными элементами усилителя. Поворот фазы усилительным каскадом не учитывается.

Фазовые искажения усилителя оцениваются его фазочастотной характери­стикой  = F(f). График фазочастотной характеристики представляет собой зави­симость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты (рисунок 3.17,6). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фа­зовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характери­стикой является прямая линия, начинающаяся в начале координат (пунктирная линия на рисунке 3.17, б).

Рисунок 3.18 – Амплитудная характеристика усилителя

На практике амплитудно- и фазочастотную характеристики удобнее строить На практике амплитудно- и фазочастотную характеристики удобнее строить в лога­рифмическом масштабе по оси частот. Это удобно тем, что растягивается область ниж­них и сжимается область верхних частот. Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от ампли­туды синусоидального входного напряже­ния: Uвых = (Uвх), (рисунок 3.18)). Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напря­жения собственных помех и шумов. Участок характеристики ниже точки А не используется, так как полезный сиг­нал трудно отличить от напряжения собственных помех и шумов.

На участке АВ коэффициент усиления — величина постоянная, и этим участком определяется динамический диапазон усилителя. Кроме того, с его помощью можно опреде­лить коэффициент усиления по напряжению.

Выше точки В линейность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается, в выходном напряжении появляются дополнительные ча­стотные составляющие, возникают нелинейные искажения. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала. Эти ограничения обычно наступают в оконечных каскадах усилителя, работающих при наибольшем входном сигнале.

Амплитудная характеристика обладает хорошей наглядностью и позволяет определить коэффициент усиления, динамический диапазон, минимальные и мак­симальные допустимые значения входного сигнала, уровень собственных шумов.

Переходная характеристика выражает зависи­мость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряже­ния (рисунок 3.19). Эта характеристика определяет про­цесс перехода усилителя из одного состояния в другое.

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, С, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости.

Рисунок 3.19 – Переходная характеристика усилителя

Напряжение на выходе не может измениться скачкообразно при подаче на вход импульса. Время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 выходного напряжения, называется време­нем нарастания tнар (рисунок 3.19). Превышение мгновенного значения напряжения над установившемся назы­вают выбросом  и выражают в процентах. Существует так называемое критическое значение выброса, при котором  не зависит от числа каскадов усилителя. Неравномерность вершины нормирован­ной переходной характеристики обозначается через , измеряется, как и выброс, в процентах от стационарного значения и не должна превышать 10 % для усили­телей высококачественного воспроизведения.

ВЫВОДЫ:

1. Основными показателями усилителя являются: входные и выходные вели­чины; коэффициент полезного действия усилителя; коэффициент усиления усилителя; полоса пропускания частот; линейные и нелинейные искажения; динамический диапазон и собственные шумы усилителя.

2. Коэффициент усиления усилителя показывает, во сколько раз выходное напря­жение, ток или мощность больше входного напряжения, тока или мощности.

3. Линейные искажения обусловлены наличием реактивных элементов схемы и разделяются на частотные и фазовые.

4. Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью амплитудной характе­ристики усилительного элемента.