Основные показатели

Свойства усилителей характеризуются рядом эксплуатационных и качественных показателей.

Коэффициент усиления по напряжению, току или мощности показывает, во сколько раз установившееся напряжение (ток или мощность) на выходе усилителя больше, чем на входе, и определяется как отношение напряжения (тока или мощности) на выходе усилителя к его одноименному значению на входе: Ka = UBЫX/UBХ.; Кт =Iвых/Iвх; Км = Рбых/pвх.

Поскольку восприятие органов слуха человека подчиняется логарифмическому закону, то обычно коэффициент усиления выражают не в относительных числах, а в логарифмических единицах — децибелах: Kн[дБ]=20 lgKH; Kт[дБ]=20 lg Kт; Kм[дБ]=10 lg Км.

При выражении коэффициента усиления в относительных числах Kн=10Kн[дБ]/20; Kт=10Км[дБ]/10; Kм = 10Км[дБ]/10.

Если усилительное устройство состоит из нескольких последовательно включенных каскадов, его общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов К=К1*К2*К3...Кп. Если коэффициенты усиления каскадов выра« жены в логарифмических единицах, их общий коэффициент усиления

равен сумме:

Пример. Трехкаскадный усилителе имеет коэффициент усиления первого каскада K1=100, второго К2=4, третьего Kз=25. Определить коэффициент усиления в относительных единицах и децибелах.

Номинальная выходная мощность — наибольшая мощность, отдаваемая нагрузке, при которой искажения не превышают допустимые, определяется по формуле

Выходная мощность усилителя зависит от напряжения на его входе. Номинальное входное напряжение Uex, при котором усилитель низкой частоты отдает в нагрузку заданную выходную мощность, называют чувствительностью усилителя. Усилители напряжения обычно характеризуют номинальным выходным напряжением — эффективным напряжением на нагрузке, соответствующим номинальной выходной мощности.

Коэффициент полезного действия усилителя характеризует его экономичность и определяется как отношение полезной мощности сигнала, отдаваемой усилителем нагрузке, к общей мощности, потребляемой им от источника питания:

Амплитудная характеристика (рис. 74, а) усилителя представля ет собой зависимость выходного напряжения сигнала от входного, При слишком большом входном напряжении амплитудная характеристика искривляется из-за перегрузки усилительных элементов. Отклонение реальной амплитудной характеристики от идеально прямой в области малых входных напряжений (или при отсутствии входного сигнала) возможно за счет напряжения собственных шумов Uш в выходной цепи.

Рис. 74. Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики усилителей

Динамический диапазон усилителя — отношение (выраженное в децибелах) максимального входного напряжения сигнала к минимальному DдБ — 201g (Uвх.макс/Uвх.мин). Минимальное напряжение сигнала на входе усилителя ограничивается его собственными шумами или уровнем помех, а максимальное — искажениями, которые возникают в усилителе вследствие нелинейности характеристик усилительных элементов.

; Если динамический диапазон сигнала больше динамического диапазона усилителя, возникают искажения, для уменьшения которых сжимают диапазон сигнала с помощью ручной или автоматической регулировки усиления. Передача будет хорошей, если соотношение воспроизводимых мощностей составляет 106, что соответствует отношению напряжений 103, т. е. динамический диапазон усилителя D=201gl03=60 дБ.

Частотная характеристика (рис. 74, б) усилителя представляет собой зависимость его выходного напряжения или коэффициента усиления К от частоты f усиливаемых колебаний. При снятии частотной характеристики напряжение на входе усилителя поддерживается постоянным.

По частотной характеристике можно определить частотные искижения. Для удобства их определения строят частотную характеристику в логарифмическом масштабе. Если усилитель не вносит искажений, его частотная характеристика линейна (прямая 1). В реальных усилителях коэффициенты усиления на нижних Кв и верхних частотах (из-за влияния реактивных сопротивлений) меньше (кривая 2) или больше (кривая 5) коэффициента усиления Ко на средних частотах. *

Частотные искажения, обусловленные непостоянством коэффи циента усиления по частоте, тщенива ют коэффициентом частотных ис-кажений, определяемым как отношение коэффициента усиления на средней (обычно 1000 Гц) частоте к коэффициенту усиления на рассматриваемой частоте: M=Ko/Kf.

В области спада частотной характеристики М>1 , а в области подъема M<l. Если неравномерность частотной характеристики превышает ±25% (М=0,75-М,25), то частотные искажения становятся заметными на слух. Для оценки неравномерности частотной характеристики коэффициент М удобно выражать в децибелах: МдБ =20 lg М=20 lg K0/Kf=20 lg Kо-20 lg Kf=K0pp- KдБ . Положительная величина Л1дБ соответствует спаду, а отрицательная — подъему частотной характеристики, что следует учитывать при ее построении. В многокаскадных усилителях с коэффициентами частотных искажений mi, Mz, ..., Мп общий коэффициент M=Mi-M2X iX...Afn.

Очевидно, если одни каскады имеют спад, а другие — подъем частотной характеристики, это приводит к взаимной компенсации частотных искажений и исправлению (коррекции) частотной характеристики.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) оценивается областью частот, в пределах которой .частотные искажения не превышают заданных. Обычно полоса пропускания лежит между граничными частотами fH и fB, на которых коэффициент усиления меньше на 3 дБ по сравнению с его значением на средних частотах.

Рис. 75. Фазовая характеристика усилителя:

Фн, Ф0, Фв — фазовые сдвиги на нижних fH, средних f0 и верхних fв частотах

При ослаблении верхних частот звук становится глухим, бася-щим, а при малом усилении в области низких частот — металлическим, звенящим. Звуковые колебания, слышимые ухом человека, находятся в пределах 20 — 20000 Гц. Хорошее качество звучания можно получить при боспроизведении полосы частот 50 — 10000 Гц, а удовлетворительное — 100 — 6000 Гц. Усилители систем телефонной связи, где важна разборчивость, а не натуральность речи, выполняют с болеб узкой эффективно передаваемой полосой частот (300 — 3400 Гц).

Фазовые искажения, вносимые усилителем, оценивают по его фазовой характеристике, которая отражает различие фазовых сдвигов ф между выходным и входным напряжени-ями отдельных составляющих усиливаемого сигнала (рис. 75). Если коэффициент усиления усилителя одинаков для всех гармоник входного сигнала (т. е. усилитель не создает частотных искажений) и все гармоники сложного сигнала сдвигаются усилителем на одно и то же время (т. е. угол сдвига фаз, вносимый усилителем, пропорционален частоте), форма выходного сигнала повторяет форму входного без искажений.

Нелинейные искажения проявляются в искажении формы выходного сигнала и объясняются нелинейностью входных и выходных характеристик транзисторов, электронных ламп, а также наличием в £хеме других нелинейных элементов (трансформаторов, дросселей с нелинейными кривыми намагничивания материала сердечников).

Чем выше нелинейность усилителя, тем больше гармоник и комбинационных частот в выходном сигнале усилителя, влияющих на характер звучания (возникает треск, речь становится хриплой, снижается разборчивость).

Количественно нелинейность усилителя оценивают коэффициентом нелинейных искажений, определяемым как отношение действующего значения всех высших гармоник тока или напряжения, появившихся в выходном сигнале, к действующему току или напряжению первой гармоники (при активном сопротивлении нагрузки и подаче на вход усилителя синусоидального напряжения)

Влияние гармоник выше третьего порядка на форму выходного сигнала невелико. Допустимая величина Кг зависит от назначения усилителя: для высококачественного звуковоспроизведения речи и музыки усилителем — 1 — 2 %, для телефонии — до 10 %.

Содержание раздела