Тема 1.2 Основные показатели усилителя

Качество работы усилителя оценивают по техническим показателям, к которым следует отнести:

- входное и выходное сопротивления;

- номинальную выходную и потребляемую мощности;

- частотный и динамический диапазоны;

- искажения и уровень помех, а так же эргономичные показатели, к которым относят надежность, стабильность, габариты, массу, удобство управления и т. д.

Рассмотрим эти показатели:

Коэффициент усиления - показывает отношение уровня сигнала на выходе к уровню сигнала на входе усилителя. Различают коэффициенты усиления по току, напряжению, мощности, которые определяются:

К _i = I _вых/I_вх K_u = U_вых / U_вх K_p = P_вых/ P_вх

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется

K = K₁•K₂•K₃•….K_N

На практике коэффициент усиления принято определять по логарифмической шкале т.к. человеческое ухо воспринимает изменения громкости звука пропорционально логарифму изменения звуковой энергии, и тогда коэффициент усиления в дБ определяется:

K_дБ = 20 lg U_вых / U_{вх или} K_дБ = 20 lg К

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя будет определяться

K_дБ = K_1дБ+ K_2дБ + K_3дБ +….K_{n дБ}

Следует знать, что увеличение напряжения в 10 раз соответствует увеличению его на 20 дБ

А увеличение в 2 раза – на 6 дБ, т.к. 20 lg2 = 20 • 0,3 = 6 дБ

Коэффициент усиления по мощности определится

K _рдБ = 10 lg P_вых/Р_{вх , т.к.} Р = U²/R

Искажения в усилителях -Реальный сигнал звуковой частоты является сложным и содержит гармонические составляющие, т.е. синусоидальные колебания различной частоты, амплитуды, фазы. Если форма кривой на выходе усилителя отличается от формы кривой на его входе, то это отразится на качестве звука.

Причины появления искажений различны, и также различно их влияние на качество звука. Различают искажения:

- частотные;

- фазовые;

- нелинейные.

Частотные –это изменение формы кривой сигнала в результате неодинакового усиления колебаний разной частоты.

Причиной появления этих искажений являются реактивные элементы – индуктивности катушек и емкости конденсаторов, сопротивления которых зависят от частоты (вспомнить формулы Х_с и Х_L).

В результате частотных искажений нарушается соотношение между амплитудами составляющих сигналов разной частоты. Это воспринимается на слух как изменение тембра: если недостаточное усиление верхних частот, то звук становится глухим, а нижних - металлическим.

Численно частотные искажение определяются по частотной характеристике, т.е. зависимости коэффициента усиления от частоты сигнала, т.е. K_дБ = f(f).

Рис. 5 Частотная характеристика (а); определение коэффициента частотных искажений (б) и относительного усилителя (в)

На этой характеристике частоту следует откладывать в логарифмическом масштабе, а коэффициент усиления - как в логарифмическом масштабе, так и в относительных величинах или в дБ.

Частотный диапазон делится на отдельные области:

а) область средних частот - 300- 3000гЦ, в этой области мало сказывается влияние реактивных элементов;

б) область верхних частот - свыше 3000гЦ;

в) область нижних частот - ниже 300гЦ.

Частота 400гЦ (иногда 1000гЦ) называется средней (f _о),

f _н - нижняя граничная частота, f _в - верхняя граничная частота.

При отсутствии частотных искажений характеристика имеет вид горизонтальной прямой. Если коэффициент усиления на граничных частотах уменьшается или увеличивается, то в характеристике будет некоторый спад или подъем вершин (рис. 5б). Оцениваются частотные искажения коэффициентом частотных искажений (М), который определяется: М = К₀/К ,

где K_o- коэффициент усиления на средней частоте,

K- коэффициент усиления на данной частоте.

Обычно его определяют на граничных частотах, где он имеет максимальную величину

М_н = К₀/К_н М_в = К₀/К_в

Или его выражают в дБ по формулам:

М_ндБ = 20 lg М_н = K_oдБ - K_ндБ

М_{в дБ} = 20 lg М_в = K_oдБ - K_вдБ

Указанные формулы имеют одно неудобство: подъему характеристики соответствует знак минус, а спаду - плюс, что нарушает привычное представление о том, что положительные величины откладываются выше нулевого уровня, а отрицательные - ниже.

Поэтому при построении частотной характеристики используют стандартный бланк, на котором по оси ординат откладывается относительное усиление (Y) в дБ, и это есть величина, обратная коэффициенту частотных искажений, т.е.

Y = К/К₀ = 1/М или Y _дБ = - М_дБ

Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений (М) и относительное усиление (Y) определяются как произведение коэффициентов в относительных величинах или как их сумма в дБ.

Поэтому, если на одной частоте в одном каскаде спад, а в другом – такой же подъем, то общая частотная характеристика будет без искажений, что используется для коррекции ЧХ.

Малозаметные на слух частотные искажения составляют -+ 2 дБ, и эта их величина считается допустимой для УАС.

Фазовые - это искажения формы кривой сигнала, вызванные тем, что сдвиг фаз между выходным и входным сигналом не пропорционален частоте. Причина - наличие реактивных элементов. Как и частотные, фазовые искажения сказываются при усилении сложного сигнала, в котором нарушается соотношение между фазами отдельных составляющих. Оценить эти искажения можно по фазовой характеристике, т. е. зависимости угла сдвига фаз от частоты: φ = f(f).

Рис.6 Разложение сложного сигнала и фазовая характеристика

На слух фазовые искажения не воспринимаются, но если в усилителе есть цепь обратной связи, то они могут привести к генерации на высоких частотах.

Нелинейные –это изменение формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов.

Рис.7 Входная характеристика транзистора

По графику видно, что при отсутствии сигнала на базе действует напряжение базы покоя U_б0 и протекает ток базы покоя I_{бо -} им соответствует точка покоя P. Искажения возникают, так как используется криволинейный участок характеристики P-А.

Причинами появления нелинейных искажений могут быть и нелинейность выходных характеристик, и неравномерность их сдвига при равных изменениях тока базы.

Любая несинусоидальная кривая раскладывается на составляющие: основную - с частотой сигнала и гармоник высшего порядка - с частотами, кратными частоте основного сигнала. И тогда, при подаче сигнала с частотой 400 Гц на выходе можно получить сигналы с частотами 400, 800, 1200, 1600 и т.д. Гц.

Кроме того, могут появиться комбинационные тона -это колебания с частотами, представляющими сумму или разность любой пары составляющих сложного сигнала. Они делают звук хриплым, дребезжащим, а речь - неразборчивой.

Для учета нелинейных искажений вводится понятие коэффициента гармоник К_г

К_г = √ P₂ + P₃ +…../ Р₁ • 100% или К_г = √ I₂ + I₃ +…../ I₁ • 100% или

К_г = √ U₂ + U₃ +…../ U₁ • 100%

Коэффициент гармоник выражает долю действующих значений высших гармоник в процентном отношении к основному сигналу.

Если преобладает, какая - либо из гармоник, то формула может быть упрощена:

К_г = I₂ / I₁ • 100% - по второй гармонике;

К_г = I₃ / I₁ • 100% по третьей гармонике.

Следует знать, что в симметричном сигнале преобладает третья гармоника, а в несимметричном - вторая гармоника. Численно коэффициент гармоник не должен превышать 1% на средних частотах.

Входные показатели -к входным показателям относятся:

а) входная мощность, которая развивается на входе источником сигнала

P_вх = I_вх • U_вх = U²_вх / R_вх

б) чувствительность - это то входное напряжение или ток, при котором на выходе развивается номинальная мощность. Например, чувствительность аппаратуры серии «Звук-Т» при работе от фотодиода составляет 1мА, от микрофона 1мВ, от магнитофона 0,865 В.

в) входное сопротивление - это сопротивление току на входных зажимах усилителя, его следует согласовывать с сопротивлением источника сигнала.

Т.к. каждый каскад усилителя является нагрузкой предыдущему, а источником сигнала последующему, то необходимо согласование сопротивлений между каскадами. Если на входе или выходе усилителя есть соединительные шланги, обладающие определенной емкостью, то их влияние следует учитывать, считая, что емкостное сопротивление включено параллельно входному или выходному сопротивлению соответственно.

Выходные показатели -выход усилителя характеризуется:

а) выходной мощностью, которая определяется:

P_вых = I_вых • U_вых = U²_вых / R_н

Эта мощность непрерывно меняется с изменением громкости звука, а с увеличением мощности растут и нелинейные искажения, поэтому выделяют понятие номинальной мощности, при которой нелинейные искажения лежат в допустимых пределах.

Для достаточной громкости в залах разной вместимости необходима мощность усилителя:

200 мест – 12Вт

300 мест – 25Вт

500 мест – 50Вт

1000 мест – 100вт

б) номинальным выходным напряжением - это напряжение сигнала на расчетном сопротивлении нагрузки при номинальной мощности.

Для аппаратуры серии «Звук-Т» оно составляет U_вых=25В или 20 В

в) выходным сопротивлением - это сопротивление на выходных зажимах усилителя при отключенной нагрузке, оно должно быть согласовано со входным сопротивлением следующего каскада или нагрузки.

г) коэффициентом полезного действия (КПД) –

это отношение номинальной выходной мощности к мощности, потребляемой от источника, он определяется

η = P_{вых. ном.}/ Р_ист

И выходная мощность и выходное напряжение зависят от сопротивления нагрузки (рис.8):

R_{н опт} - оптимальное сопротивление нагрузки, при котором развивается максимальная мощность.

Рис.8 Графики зависимости мощности и напряжения на выходе от сопротивления нагрузки

Разность между выходной мощностью и мощностью источника составляет потери, которые в большей степени идут на нагрев коллектора. При большой мощности потерь транзисторы могут выйти из строя.

Уровень помех -помехами называют посторонние колебания на выходе усилителя. При отсутствии входного сигнала в громкоговорителях может прослушиваться шум, а это результат собственных помех усилителя. Причины возникновения помех различны:

а) собственный шум транзисторов, резисторов шум элементов первых каскадов наиболее опасен;

б) пульсации питающего напряжения.

Для устранения этих помех, источники питания снабжены фильтрами в) наводка со стороны внешних электрических и магнитных полей. Они могут привести к появлению фона переменного тока или создавать в.ч. колебания (шорохи, трески).

Кроме того, шорохи и трески могут возникнуть из-за некачественного монтажа и неисправности деталей.

Для количественной оценки помех вводят понятие уровня помех – это отношение напряжения помех на выходе и номинальному напряжению сигнала, его выражают в процентах или дБ и обозначают L.

L = U_п / U_ном • 100% или L_дБ = 20 lg U_п / U_ном

U_ном = √ P_ном • R_н, т.к. P_ном = U²_ном / R_н

На графике уровень помех показывают:

Рис.9 Диаграммы уровня помех (а) и динамического диапазона (б) усилителя

Динамический диапазон –это отношение максимального уровня громкости к минимальному

Д_(дБ)= 20 lg U_макс / U_мин = 20 lg U_ном / U_мин

Динамический диапазон на 5-10дБ меньше уровня помех, т.к. минимальный уровень громкости звука в зале должен быть выше 5-10дБ уровня помех, и расширить его можно только за счет снижения уровня помех.

Частотный диапазон -Это ряд частот, который пропускает усилитель без заметных искажений. Усилитель пропускает диапазон от 30гЦ до 16-18 КГц, т.е. практически весь диапазон слышимых звуков.

Амплитудная характеристика - Это зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного, U_mвых= ƒ(U_mвх)

Идеальная характеристика - это прямая, выходящая из начала координат, угол наклона ά определяет коэффициент усиления, и чем угол больше, тем выше коэффициент усиления. Реальная характеристика отличается от идеальной т.к. присутствуют помехи, а при больших сигналах амплитуда выходного напряжения растет медленнее из-за наличия нелинейных искажений.

Рис.10 Амплитудная характеристика

По амплитудной характеристике можно определить номинальное входное и выходное напряжения, уровень помех, минимальное напряжение и, зная сопротивление нагрузки, найти выходную мощность, чувствительность и коэффициент усиления.