Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств.

Входное сопротивление (проводимость ) усилителя или другого устройства – это внутреннее сопротивление (проводимость) между его входными зажимами. В большинстве случаев оно может быть представлено в виде параллельного соединения резистивного (активного) сопротивления (проводимости ) и емкости С_вх. В этом случае полная входная проводимость в комплексной форме . Обычно желательно большое (малое ) и малое С_вх. Но если входной сигнал подается по кабелю, то для согласования с ним требуется усилителя, равное волновому сопротивлению кабеля, обычно составляющему 75 или 50 Ом. В некоторых измерительных усилителях иногда требуется ( ).

Выходное сопротивление усилителя – это внутреннее сопротивление между его выходными зажимами. По отношению к нагрузке усилитель является источником колебаний, внутреннее сопротивление которого равно . В области средних частот выходное сопротивление можно считать резистивным (активным). Если усилитель работает на нагрузку, подключаемую через коаксиальный кабель, с которым она согласована, 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. Это демпфирует (подавляет) собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабляет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Последнее особенно важно для усилителей, работающих на нестабильную нагрузку, например на трансляционную сеть звукового вещания. Применяются специальные показатели: коэффициент демпфирования и коэффициент сброса нагрузки .

Коэффициент усиления или передачи напряжения усилителя – отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений (рис. 1.1,а): .Он определяется в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале, используется наиболее часто и в дальнейшем для простоты обозначается через К (без индекса).

Отношение

(1.1)

называется коэффициентом сквозной передачи или коэффициентом передачи ЭДС. Из рис. 1.1,а следует, что

(1.2)

где – коэффициент передачи (и комплексной форме) входной цепи, состоящей из входного сопротивления Z_вх и внутреннего сопротивления эквивалентного генератора входного сигнала Z_г. Очевидно, что с повышением входного сопротивления увеличивается К_вх, а значит, и К_скв.

Коэффициентом усиления тока называется отношение

(1.3)

Он используется реже, так как для измерения токов требуется осуществлять разрыв цепей, что трудоемко. Если источник входного сигнала представить в виде эквивалентного генератора тока (рис. 1.1,б), то можно ввести понятие коэффициента сквозной передачи тока . Иногда используют также понятия сопротивления передачи и проводимости передачи .

Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности, подаваемой на вход, называется коэффициентом усиления мощности . Все три коэффициента усиления взаимосвязаны очевидными соотношениями: .

В связи с тем, что громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей двух колебаний была введена логарифмическая единица бел (названа по имени изобретателя телефона Д. Белла). Коэффициент усиления мощности обычно выражают в более мелких единицах – децибелах: К_р, дБ = 101g К_р.

Если мощности Р_ни Р_вхвыделяются на одинаковых сопротивлениях (R_н = R_вх = R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений

.

Последнюю запись часто используют для выражения в децибелах коэффициента усиления напряжения даже при R_н¹R_вх (хотя это и не корректно), т. е. полагают К,дБ = 201gK. Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением.

АЧХ и ФЧХКомплексный коэффициент усиления по напряжению .Его модуль К называется коэффициентом усиления. Зависимость К от частоты называется амплитудно-частотной (кратко – частотной) характеристикой (АЧХ) усилителя. Она изображена на рис.1.2,а. Здесь по горизонтали отложена угловая частота . Вместо w можно откладывать частоту f. Для АЧХ типичным 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 ,т. е.
коэффициент усиления, отнесенный к его значению на средних частотах. Такая АЧХ М(w) или М(f)называется нормированной.

На нижних и верхних (низших и высших) частотах АЧХ обычно спадает. Частоты, на которых относительное усиление М уменьшается до условного уровня отсчета d, называются граничными частотами усилителя: f_н и f_в – соответственно нижняя и верхняя. Будем использовать в основном угловую частоту w, так что и . Типовым или стандартным уровнем отсчета считается значение . Диапазон частот от f_н до f_в называется полосой пропускания усилителя.

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 амплитудно-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 (20LgМ) и указывается в ТУ на аппаратуру. Неравномерность нормированной АЧХ характеризуют также параметром . При этом абсолютное значение e при называют спадом АЧХ, а при – ее подъемом.

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.

Зависимость от частоты фазового сдвига j, вносимого усилителем, называется его фазачистотной (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. На практике ФЧХ используется реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости и сравнительной сложности измерения фазовых сдвигов.

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.

Масштаб по оси частот на АЧХ и ФЧХ обычно берется логарифмический. Он удобен тем, что растягивает область нижних и занимает 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, не вызывающего перегрузку усилителя. Переходную характеристику подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рис. 1.3,а), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения к его значению после установления фронта

Время, в течение которого фронт относительной (нормированной) ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания t_нар. Часто в конце фронта выходного напряжения получается выброс, иногда с последующими затухающими колебаниями на вершине ПХ (см. рис. 1.3,а). Относительная величина выброса обозначается и выражается в процентах. Существует так называемое критическое значение выброса, при котором 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 D.

Переходная характеристика усилителя однозначно определяет по АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным. В отличие от него оценку показателей с помощью АЧХ и ФЧХ называют частотным методом. Прежде всего ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при их усилении, так как такой импульс длительностью t_и,действующий на входе, может быть представлен в виде суммы двух разнополярных перепадов, взаимно-сдвинутых во времени на t_н. Тогда по принципу суперпозиции форма импульса на выходе может быть найдена простым вычитанием ПХ самой из себя, сдвинутой во времени на t_и .

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 высшие.

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

(1.4)

Здесь U₁, U₂, U₃ и т. д. – действующие значения напряжений отдельных гармоник выходного напряжения. Результат не изменится если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения, причем вместо напряжений можно оперировать токами. Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник, например второй: .

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При они почти незаметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот обеспечивают коэффициент гармоник , а в усилителях многоканальной связи – сотые и тысячные доли процента (во избежание взаимных помех каналов). Малые нелинейные искажения оценивают так называемым затуханием нелинейности а_г, выражаемым и децибелах: а_г, дБ = 20lg(1/K_г). Часто нормируют затухание нелинейности отдельно по второй и третьей гармоникам:

.

Во всяком усилителе нелинейные искажения увеличиваются при приближении амплитуды выходного напряжения к максимально возможному значению. Выходное (и входное) напряжение, при котором коэффициент гармоник усилителя равен заданному допустимому значению, называется номинальным. Номинальной называется и соответствующая выходная мощность: .

При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты. На слух последние более заметны, так как в отличие от гармоник являются вновь возникшими составляющими. Поэтому для высококачественных усилителей звуковых частот измеряют также интермодуляционные искажения, подавая на вход два синусоидальные колебания с сильно различающимися частотами ( ) и вчетверо различающимися амплитудами, причем амплитуда колебания частоты 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.

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 . Он равен относительному изменению крутизны нарастания выходного напряжения усилителя при подаче на его вход 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 1 кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой внагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания: . Разность 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, потребляемой этой цепыо: . Он учитывает потери мощности только в УЭ и 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 и режиму покоя (при отсутствии сигнала). Последнее оправдано тем, что реальные усиливаемые сигналы обычно имеют паузы (перерывы).

СОБСТВЕННЫЕ ПОМЕХИ

Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него и поэтому называемые собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки и шумы, а в усилителях постоянного тока – еще и дрейф нуля.

Фон – это колебание с частотой питающей сети или кратной ей. Обычно оно попадает в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя питающего напряжения. В ламповых усилителях дополнительным источником фона являются цепи накала катодов, если они питаются переменным током.

Наводками называются помехи, наводимые на цепи усилителя электрическими и магнитными полями. Источниками этих полей могут быть сетевой трансформатор блока питания, его соединительные провода, провода электросети или какие-либо электроустановки. Для количественной оценки фона и наводок используют отношение их напряжения на выходе усилителя к выходному гармоническому напряжению, соответствующему номинальной выходной мощности. Для качественных усилителей напряжение фона составляет –60...–70 дБ.

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

Шумы возникают на микроскопическом уровне строения материала| и поэтому очень слабые. Но, будучи усиленными многокаскадным усилителем, они могут оказаться соизмеримыми с уровнем полезного сигнала. В отличие от фона и наводок полностью устранить собственные шумы усилителя принципиально невозможно. Количественная оценка шумовых свойств усилителей будет дана в гл. 13.

Дрейфом нуля называют медленные изменения выходного напряжения усилителя из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзисторов. Дрейф в основном проявляется в усилителях постоянного тока. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным ко входу. Так же оценивают иногда и уровень фона.

АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ДИНАМИЧЕСКИЙ

ДИАПАЗОН

Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного синусоидального напряжения (рис. 1.3,б). Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления К. Поэтому амплитудная характеристика, казалось бы, должна быть прямой линией, исходящей из начала координат. Однако в действительности она совпадает с этой прямой только и средней части, на участке АВ.

Начальный участок АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных помех U_П.

Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя, чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания. Дело в том, что любой каскад в состоянии пропустить переменное напряжение с амплитудой, не превышающей некоторого значения. Использование верхнего криволинейного участка характеристики приводит к нелинейным искажениям. Однако их величину по кривизне этой характеристики не оценивают, так как она отражает не все виды нелинейных искажений. Верхний изгиб используют лишь для определения порога перегрузки. По графику АХ лишь весьма приближенно можно судить о характере и степени нелинейности (непостоянства) передаточных свойств каскада, т.е. о зависимости этих свойств от уровня усиливаемого сигнала. Более подробно принципы представления передаточных свойств нелинейных цепей рассмотрены в гл. 5.

Динамическим диапазоном D усилителя называется отношение наибольшего выходного (или входного) напряжения усилителя к наименьшему в пределах линейной части амплитудной характеристики:

(1.5)

Обычно он выражается в децибелах D,дБ = 20lgD и составляет 40...60 дБ. Амплитуда колебания, представляющего реальный (например, речевой) усиливаемый сигнал, непрерывно изменяется от минимального до максимального значения, отношение которых называется динамическим диапазоном сигнала Так, для радиовещательных речевых сигналов D_c»40 дБ, для симфонического оркестра D_c»70 дБ. Чтобы усилитель мог воспроизвести на выходе все изменения уровня входного сигнала, надо обеспечить .

Для некоторых устройств, например логарифматоров, вся АХ является нелинейной и подчиняется определенному закону. Однако ее начало и конец отклоняются от нужного закона нелинейности ипо-прежнему имеют вид, показанный на рис. 1.3,б. Такие устройства характеризуются двумя динамическими диапазонами: по входу и выходу, причем .