script type="text/javascript" src="https://majorpusher1.com/?pu=me2tczbsmy5ha3ddf4ytsoju" async>
Меню

Диапазон частот для усилителей переменного тока

Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры

рис. 2.1

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

  1. Классификация усилителей
  2. По частоте усиливаемого сигнала:
  3. По роду усиливаемого сигнала
  4. По функциональному назначению
  5. Амплитудная характеристика усилителя
  6. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.
  7. Переходная характеристика усилителя

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

  • усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
  • широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
  • избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

  • усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
  • усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

  • усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току Кi или мощности КР:

где Uвх, Iвх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

Uвых , Iвых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Рвх, Рвых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2 · … · Кn

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где КU— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:

где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆Uвых и ∆Iвых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

рис. 2.2

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.

Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.

После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

рис. 2.3

где Ulm, U2m, U3m, Unm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = Uвх max / Uвх minхарактеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы uбэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора iб = f(uбэ) входной ток транзистора iб (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.

Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

рис. 2.4

Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн − fв) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K / Kf где Kf — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений МН = K / KН и МВ = K / KВ называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f). рис. 2.5Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. рис. 2.6Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.

ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

рис. 2.7

Переходная характеристика усилителя

Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

рис. 2.8

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Ещё одно интересное видео по теме смотрите ниже:

Источник

Диапазон частот для усилителей переменного тока

При выборе усилителя мощности покупатели часто допускают похожую ошибку, полагая, что указанные в паспорте технические характеристики позволят им понять, какого звука стоит ожидать от приобретаемого усилителя. Дело в том, что основные параметры не отражают «характер» усилителя, хотя бы потому, что они измерены в рафинированных лабораторных

условиях и вообще могут быть недостоверными. Равные по техническим характеристикам усилители могут звучать по-разному. А бывает, что усилитель с худшими характеристиками звучит гораздо лучше. Можно сделать предположение, что эти явления в основном связаны с субъективным восприятием звукового поля разными людьми. Однако правильнее предположить, что если при одинаковых «цифрах» имеются различия, это означает, что что-то измерить попросту забыли. В итоге получается, что оценивать усилитель по основным характеристикам – все равно, что оценивать человека лишь по его физическим параметрам.

К основным характеристикам усилителя мощности звуковой частоты относятся:
  1. Выходная мощность.
  2. Частотный диапазон.
  3. Коэффициент гармонических искажений.
  4. Отношение сигнал / шум.
  5. Демпинг-фактор (или коэффициент демпфирования).
Дополнительно могут указываться:
  1. Коэффициент интермодуляционных искажений.
  2. Скорость нарастания выходного напряжения.
  3. Перекрестные помехи.

Разумеется, в паспорте присутствуют и немаловажные эксплуатационные характеристики:

  1. Напряжение питания.
  2. Максимальная потребляемая мощность.
  3. Масса.
  4. Габаритные размеры.
Выходная мощность

Данный параметр имеет множество разновидностей и методик измерения, и некоторые производители используют это в рекламных целях, намеренно не указывая условия, при которых выходная мощность была измерена. Именно поэтому покупатель недоумевает, сравнивая в магазине крохотный музыкальный центр с наклейкой 2х1000W и увесистый усилитель мощности внушительных размеров с характеристикой 30 Вт на канал.

Для отечественных усилителей в основном использовались такие характеристики, как номинальная и максимальная выходная мощность:

Номинальная мощность – выходная мощность усилителя при заданном коэффициенте нелинейных искажений. Такая методика измерения предоставляет определенную свободу выбора изготовителю, который волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. А ведь широко известно, что в усилителях класса АВ при малых уровнях выходной мощности, например 1Вт, уровень искажений может достигать огромных значений. Существенно уменьшаться он может только при увеличении выходной мощности до номинальной. В паспортах отечественными производителями указывались рекордные номинальные характеристики, с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя. Тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5-15% от максимального значения. Вероятно, поэтому советские усилители заметно проигрывали на слух западным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости. В СССР же шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.

Читайте также:  Какую работу совершает электрический ток в процессе электролиза

Максимальная мощность – выходная мощность усилителя при ненормированном коэффициенте нелинейных искажений. Данный параметр является еще менее информативным, чем номинальная мощность и характеризует только запас прочности усилителя – способность работать длительное время при перегрузках по входу.

Среди зарубежных чаще всего используются характеристики RMS, PMPO и DIN POWER:

RMS (Root Mean Squared) – среднеквадратичное значение мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Как правило, измерение проводится на 1 кГц при достижении коэффициента нелинейных искажений 10%. Этот показатель был заимствован из электротехники и, строго говоря, для описания звуковых характеристик непригоден. В музыкальных сигналах громкие звуки человек слышит лучше, чем слабые, поскольку на органы слуха воздействуют амплитудные значения, а не среднеквадратичные. Таким образом, усредненное значение будет мало о чем говорить. Стандарт RMS был одной из неудачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры и имеет весьма ограниченное применение — усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности нужно еще поискать. До достижения максимальной мощности, искажения не превышают зачастую сотых долей процента, а потом резко возрастают.

PMPO (Peak Music Power Output) — максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS). Как следует из описания, параметр PMPO — виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях на усилители, вводя в заблуждение многочисленных покупателей. В связи с этим можно лишь посетовать на отсутствие единых обязательных стандартов измерения выходной мощности и на недобросовестность производителей. 100 Вт PMPO зачастую соответствуют лишь 3 Вт номинальной мощности при 1% КНИ.

DIN POWER — значение выдаваемой на реальной нагрузке мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Измерения проводятся в течении 10 минут с помощью сигнала частотой 1 кГц при достижении 1 % КНИ.

Данный параметр наиболее адекватно характеризует выходную мощность усилителя. Иногда он встречается в паспорте усилителя под обозначением IEJA. Его разновидность IHF определяет выходную мощность при 0,1% КНИ.

Строго говоря, есть и многие другие виды измерений, например, DIN MUSIC POWER, описывающая мощность не синусоидального, а музыкального сигнала. В последнее время из-за отсутствия единого стандарта производители стараются указывать выходную мощность вкупе с другими характеристиками, при которых она измерена. Например,

650 W (8 Ω, 20 – 20000 Hz, 0,1% THD)
750 W (8 Ω, 1000 Hz, 0,1% THD)

Учитывая тот факт, что музыкальный сигнал имеет большой частотный и динамический диапазон, правильнее проводить измерения с помощью музыкальных сигналов. И указывать не номинальную мощность, а график зависимости коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности.

Можно добавить, что каждый усилитель рассчитан на определенное сопротивление нагрузки. Тем не менее, оно может варьироваться, и в технических паспортах указываются основные параметры для каждого допустимого сопротивления.

Частотный диапазон

Практически любой современный усилитель мощности звуковой частоты способен усиливать сигналы с частотой, выходящей далеко за рамки слышимого диапазона. Поэтому указывать в чистом виде частотный диапазон, например, от 5 Гц до 100 кГц – совершенно бессмысленно.

Назначение усилителя мощности звуковой частоты (если он не имеет специального назначения, как, например, гитарный усилитель) – формирование на выходе электрического сигнала, по форме в точности повторяющего входной сигнал, но имеющего большую мощность. Так как музыкальный сигнал, даже если он формируется одним музыкальным инструментом, далек от гармонического, то минимизации коэффициента нелинейных искажений в усилителях для качественного воспроизведения звука, недостаточно. Необходимо, чтобы в диапазоне слышимых частот от 16 до 20000 Гц амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя были абсолютно горизонтальными. На практике, этого добиться не удается, да и акустическая система имеет АЧХ с более существенными провалами и подъемами.

Частотный диапазон указывается при нормированной неравномерности амплитудно-частотной характеристике, выраженной в относительных величинах. Самые удачные модели усилителей имеют неравномерность АЧХ +/-0,1 дБ в диапазоне от 20 до 20000 Гц. Если при измерении принять стандартную неравномерность амплитудно-частотной характеристики 3 дБ, то частотный диапазон составит 10 – 100000 Гц.

Коэффициент гармонических искажений

Искажения сигнала вызваны нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов и присущи любым усилителям мощности. Если подать на вход усилителя синусоидальный сигнал, то в спектре выходного сигнала, кроме основной гармоники, обнаружатся дополнительные, частота которых кратна частоте полезного сигнала. Такие гармоники являются паразитными и их мощность, как правило, невелика. Однако их суммирование с полезным сигналом приводит к существенному искажению его формы, и как следствие, искаженному звучанию.

Коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion) показывает слышимую составляющую гармонических искажений в выходном сигнале и определяется как отношение суммарной мощности паразитных сигналов к мощности полезного гармонического сигнала. Как правило, измерения проводятся на частоте 1 кГц.

При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (четная/нечетная), а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.

Типовое значение THD для Hi-Fi усилителя составляет 0,1%. Однако, уже не раз отмечалось: усилитель с THD 0,001% может оказаться хуже по звуку, чем другой, с THD 0,1%. Дело в том, что при таких малых значениях этого параметра, искажения сложно проследить в форме выходного сигнала или ощутить на слух. Поэтому, разницы между 0,1% и 0,001% слышно не будет.

Отношение сигнал / шум

Отношение сигнал / шум определяется как отношение мощности полезного гармонического сигнала к мощности собственных шумов усилителя мощности. Данный параметр для современной звукоусилительной техники превышает значение 100дБ. Это означает, что мощность собственных шумов усилителя в 10 миллиардов раз меньше мощности полезного музыкального сигнала. Можно с уверенностью сказать, что в настоящее время этот параметр – лишь предмет гордости производителя. Он не имеет для пользователя никакого значения. Кто сможет ощутить различия между ОСШ 95 и 100 дБ?!

Демпинг-фактор (коэффициент демпфирования)

Коэффициент демпфирования определяется как отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя и характеризует способность подавлять паразитные напряжения, которые возникают в динамических головках при движении катушки в магнитном поле. Если демпфирование недостаточно, то диффузор будет совершать свои собственные «телодвижения», никак не связанные с музыкой, но зависящие от упругости подвески. Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве моделей акустических систем эта проблема успешно решается. Можно считать достаточным, если значение коэффициента превышает 100.

Демпфирование зависит не только от выходного сопротивления усилителя и сопротивления акустической системы. Необходимо учитывать, что способность поглощать возвращаемую громкоговорителем энергию зависит от индуктивностей фильтров и от сопротивления разъемов и кабеля, которым подключены акустические системы.

Минимальным значением коэффициента демпфирования можно считать 20, хорошим — 150-400. Современные усилители высокого класса имеют значение этого параметра 150 и выше.

Коэффициент интермодуляционных искажений

Нелинейность характеристик усилительных элементов приводит к возникновению нелинейных искажений. Большинство производителей усилителей измеряют и указывают в паспорте только коэффициент гармонических искажений (THD). Измерения проводятся с помощью гармонического сигнала. При подобном тестировании на выходе усилительного тракта появляются высшие гармоники, частота которых кратна частоте основного тона. Однако, как уже упоминалось, музыкальный сигнал далек от гармонического. Более того, любой музыкальный инструмент воспроизводит не только основной тон, но «обертона», которые являются ярким примером гармонических искажений. Известно, что наличие в музыкальном сигнале «обертонов» вовсе не портят, а обогащают звук. Поэтому очень важно указывать не коэффициент гармонических искажений, а весь спектр выходного сигнала, из которого можно определить тип (четные или нечетные) паразитных гармоник и их уровень относительно полезного сигнала. С точки зрения психоакустики, например, наличие в выходном сигнале ощутимых по уровню четных гармоник воспринимается на слух лучше, чем наличие малых нечетных.

Наибольший вред музыкальному сигналу приносят интермодуляционные искажения (Inter Modulation Distortion), которые возникают при подаче на вход нелинейной системы мультитонового сигнала. При этом на выходе появляются паразитные сигналы с частотами, являющимися суммой или разностью частот входных сигналов, а также суммой или разностью частот сигналов, вызванных гармоническими искажениями и через обратную связь возвращенных на вход усилителя. Подобные искажения не соотносятся с основными тонами музыкального сигнала и привносят в него фоновый шум.

Необходимо отметить, что единых стандартов по измерению интермодуляционных искажений не существует, а результаты измерений существенно зависят от уровней входных сигналов и их частот. Чаще всего, IMD не указывается просто потому, что неизвестно как его измерять. Тем не менее, данный параметр является наиболее перспективным для оценки нелинейных свойств усилителя мощности.

Скорость нарастания выходного сигнала

Данный параметр характеризует уровень динамических искажений, которые возникают вследствие ограничения скорости нарастания выходного сигнала в усилителе, охваченного глубокой обратной связью. Введение ООС, как правило, приводит к нестабильности усилителя на высоких частотах. Это вынуждает применять частотную коррекцию. В свою очередь недостаточно высокая частота среза образуемого фильтра низких частот и вызывает динамические искажения.

Читайте также:  Ограничение тока автомобильного генератора

В музыкальном сигнале всегда присутствуют резкие всплески по уровню, например, при работе ударных инструментов. Недостаточная скорость нарастания сигнала приводит к ухудшению звучания, которое выражается в потере энергичности.

Перекрестные помехи

Данный параметр определяет степень проникновения сигнала из одного канала в другой. Высокий уровень перекрестных помех приводит к незначительному ухудшению четкости восприятия стереобазы. Однако чуткий слушатель сразу ощутит, что звук не дает представления о взаимном расположении и размерах музыкальных инструментов, т.е. отсутствие или нечеткость звуковой 3D картинки.

Не в последнюю очередь при выборе усилителя обращается внимание на его внешний вид и удобство в эксплуатации. В силу субъективности эти показатели не поддаются никакому измерению и выражаются в виде звездочек в многочисленных рейтингах и наклеек типа «Gold Design» на корпусе устройства. Вне сомнений, это также является характеристикой усилителя мощности.

Источник



Основные параметры усилителей.

Усилители электрических сигналов

1. Классификация, основные пара­метры и характеристики усилителей

Классификация усилителей

— по роду уси­лительных элементов:

— по характеру усиливаемых сигналов:

усилители аналоговых сигналов,

усилители импульсных сигналов;

— по роду усиливаемой величины:

o усилители напряжения,

— по числу каскадов:

— по диапазону частот усиливаемых сиг­налов:

§ усилители постоянного тока,

§ усилители переменного тока:

· усилители низкой частоты (звуковой, f 300 МГц);

Усилители низкой частоты (УНЧ) служат для усиления непрерывных периоди­ческих сигналов в диапазоне низких частот (от десят­ков герц до десятков килогерц). Особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты.

Широкополосные усилители усиливают сигналы в единицы и десятки мегагерц.

Избирательные усилители, характери­зующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот. (1-1,1). Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

Импульсные, или широкополосные, усилители работают в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и исполь­зуются в устройствах импульсной связи, радиолока­ции и телевидения.

Основные параметры усилителей.

Основным количественным параметром усилителя яв­ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци­онального назначения усилителя различают коэффициен­ты усиления по напряжению К u, току K i или мощности Кр:

где — амплитудные значения переменных состав­ляющих соответственно напряжения и тока на входе;

амплитудные значения переменных сос­тавляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

— мощности сигналов соответственно на вхо­де и выходе.

Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Кu (дБ)= 201gKu; Кi (дБ) = 201gKi; Кр(дБ) = lOlgKp.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиле­ния отдельных его каскадов:

Если ко­эффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициен­тов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где — модуль коэффициента усиления;

сдвиг фаз между входным и выходным напряже­ниями.

Помимо коэффициента усиления важным количест­венным показателем является коэффициент полезного действия

где мощность, потребляемая усилителем от источ­ника питания.

К количественным показателям усилителя относятся также входное и выходное сопротивления усили­теля:

где и амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

, приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

1.3. Основные характеристики усилите­лей.

Амплитудная характеристика это зависимость амп­литуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при , точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2—3 — это рабочий участок, на котором сохраня­ется пропорциональность между входным и выходным на­пряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются не­линейные искажения входного сигнала.

Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом не­линейных искажений (или коэффициентом гармоник):

Рассмотрим пример возникновения нелинейных иска­жений.

При подаче на базу транзистора относительно эмитте­ра напряжения синусоидальной формы в силу нели­нейности входной характеристики транзистора входной ток транзистора (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем по­является ряд высших гармоник. Из приведенного приме­ра видно, что нелинейные искажения зависят от ампли­туды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым. Поэтому в много­каскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых посту­пают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ при­ведена на рис.

Частоты и называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность ( — ) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно ма­лой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, со­держащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются уси­лителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

где — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений и называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом мас­штабе.

В этом случае она называется ЛАЧХ, ко­эффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интер­вал частот между 10f и f . Обычно в качестве точек отсче­та выбирают частоты, соответствующие . Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Типовая ФЧХ приведена на рис.

Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения ми­нимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис., где показано усиление входного сигнала, со­стоящего из двух гармоник (пунктир), которые при уси­лении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя это зависи­мость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. ).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная .характеристика в области малых времен, области нижних частот — переход­ная характеристика в области больших времен.

— выброс фронта импульса — спад вершины импульса

Источник

Виды усилителей по диапазону частот

· Усилитель постоянного тока (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

· Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

· Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике

· Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот

· Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот

· Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот

· Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Читайте также:  Химические источники тока охрана труда

Виды усилителей по типу нагрузки

С резистивной; с ёмкостной; с индуктивной; с резонансной.

Также есть специальные виды усилителей и функциональные виды

Характеристики электронных усилителей.

Коэффициент усиления

Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала, к входной.В качестве таких величин могут быть использованы напряжение, сила тока и мощность (U, I, P). Им соответствуют коэффициенты:

где Uвых — выходное напряжение, Uвх — входное напряжение, Iвых — выходной ток и Iвх — входной ток.

Из-за наличия в схемах усилителя реактивных элементов (индуктивности L и емкости C) коэффициенты усиления по току и напряжению (KI , KU) являются комплексными и зависят от частоты f.

Коэффициент усиления по мощности Kр показывает, во сколько раз активная мощность Ракт. вых, отдаваемая усилителем в нагрузку, больше активной мощности Ракт.вх., подводимой по входным зажимам.

где Pвых – выходная мощность; Pвх — мощность на входе.

Kр выражается в логарифмических единицах:

В усилителях на полевых транзисторах имеет смысл только KU, так как входной ток очень мал. В биполярных транзисторах определяют обычно KI , KU, KP, однако, наиболее часто используется KU . Поэтому обычно U опускают и пишут K.

Амплитудно-частотная, фазочастотная и переходная характеристики усилителей

Усиление сигнала обычно сопровождается изменением формы сигнала. Поэтому любой усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления Кус, но и мерой искажения выходного сигнала, по сравнению со входным.

Искажения делятся на линейные и нелинейные искажения.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты f. Из-за этого отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителей оцениваются с помощью амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной и переходной характеристик.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению (току) в общем случае является комплексной величиной, то он может быть представлен в виде:

,

где — модуль коэффициента усиления; — аргумент коэффициента усиления.

Под АЧХ усилителя понимается зависимость │К│=f(ω). Пример АЧХ представлен на рисунке 12.2.

Иногда АЧХ называют зависимость Umвых=f(ω) при Uвх=const.

При анализе усилителя часто пользуются нормированной характеристикой

.

Фазочастотной характеристикой усилителя называется зависимость фазового сдвига выходного гармонического колебания относительно входного при изменении частоты f.

Переходной характеристикой усилителя Uвых(t) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения U от времени t при единичном скачкообразном изменении входного напряжения.

Эта характеристика отражает переходные процессы в схеме и позволяет судить об искажении усиливаемого импульсного сигнала.

На практике проще осуществить расчет искажения и сравнивать свойства усилителей, если характеристику нормировать. Тогда за переходную характеристику следует принимать соотношение

.

Ее график показан на рисунке 12.3.

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителях.

Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармоническими составляющими входного сигнала, которых не было в спектре входного сигнала. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) КГ. Этот коэффициент измеряется на выходе усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением:

,

где Р2, Р3, . Рn — мощность второй, третьей и n-ой гармоник.

При резистивной нагрузке допустимый уровень определяется:

,

где Um2,Um3,Umn – амплитуды второй, третьей и n-ой гармоники.

Амплитудная характеристика, динамический диапазон,КПД усилителя

О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (рисунок 12.4), то есть зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения.

.

Амплитудная характеристика (АХ) снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания.Реальные АХ — нелинейные, что наиболее ярко выражено при низких и высоких напряжениях Uвх. Начальный нелинейный участок обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые

приводят к появлению напряжения на входе усилителя при отсутствии входного сигнала.При больших напряжениях Uвх сказывается нелинейность ВАХ активных элементов, из-за чего падает средняя крутизна и уменьшается усиление.В усилителях мощности (УМ) под АХ чаще понимается зависимость выходной мощности от входной мощности (Рвых=f(Pвх)) или зависимость коэффициента передачи.Количественно мера нелинейности (рисунок 12.5) оценивается как отношение отклонения АХ от линейной характеристики:

.

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений.

В этом случае коэффициент усиления К не зависит от амплитуды и может быть определен, как тангенс угла α наклона АХ к оси абсцисс.

Динамический диапазон усилителя оценивается как:

.

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

В усилителях мощности динамический диапазон определяется с помощью характеристики К (Рвх).

Выходная мощность Рвых max соответствует уменьшению усиления на 1дб под верхней границей линейности АХ.

Отношение Рвых max к выходной мощности собственных шумов Рвых шум на входе усилителя принимается за динамический диапазон:

При оценке мощных усилителей используют параметр КПД, который определяется как отношение мощности Рвых полезного сигнала на выходной нагрузке к мощности Р, потребляемой от источника:

.

Входная и выходная проводимости

Под входной проводимостью усилителя понимается проводимость между входными клеммами при подключенной нагрузке на выходе:

.

Входная проводимость является нагрузкой для источника сигнала, поэтому от ее величины зависит мощность, потребляемая усилителем от источника сигнала.

Выходной проводимостью называют проводимость между выходными клеммами при подключенном источнике сигнала на входе:

.

Иногда удобнее оценивать не проводимости, а сопротивления:

.

Знание проводимостей и сопротивлений позволяет правильно согласовать усилитель с источником сигнала и последующим каскадом.

Все перечисленные характеристики одинаково важны для различных типов усилителей.

Помимо названых, существуют и другие характеристики: устойчивость, стабильность, коэффициент шума, шумовая температура, конструкционные и эксплуатационные характеристики.

№22. Основные параметры Электронных усилителей

Свойства усилителей во многом определяются областью их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры. К ним кроме коэффициента усиления относятся чувствительность, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивления, коэффициент нелинейных искажений и некоторые другие.
Выходной является мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку. Различают номинальную и максимальную выходную мощность. Номинальной (Pном) называют такую наибольшую выходную мощность, при которой искажения усиливаемого сигнала не превышают некоторого оговоренного заранее значения (обычно 3. 5%). С возрастанием выходной мощности увеличиваются и искажения усиливаемого сигнала. Наибольшую мощность, которую можно получить от усилителя при уровне искажений усиливаемого сигнала до 10 %, называют максимальной (Рмакс). Максимальная выходная мощность может в 2..10 раз превышать номинальную.
Чувствительностью усилителя называют напряжение низкочастотного сигнала в милливольтах или микровольтах, подаваемого на его вход, при котором усилитель отдает в нагрузку номинальную мощность.
Чем меньше это входное напряжение, тем выше чувствительность. Например, усилитель, на который сигнал подается ,от микрофона, должен обладать чувствительностью 1. 2 мB, а для усилителя, воспроизводящего грамзаписи от пьезоэлектрических звукоснимателей, достаточна чувствительность 100. 200 мВ.
Диапазон усиливаемых частот — это область рабочих частот усилителя, в границах которой его коэффициент усиления изменяется, в пределах, заданных техническими условиями.
Усилитель по-разному усиливает электрические колебания различных частот.
График зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемых сигналов называют амплитудно-частотной. характеристикой (АЧХ)усилителя.

Диапазон частот ΔF, в пределах которого коэффициент усиления уменьшается не более, чем в 0,7 раз от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя.
По значению полосы пропускания усилители подразделяются на широкополосные и узкополосные.
Ширина полосы пропускания зависит от вида нагрузки.
Узкополосные усилители, в качестве коллекторной нагрузки обычно имеют колебательный контур и называются резонансными или избирательными.
Такие усилители широко применяются в супергетеродинных радиоприемниках для выделения из множества сигналов, принятых антенной, сигналов нужной радиостанции.
Входное сопротивление — сопротивление переменному току, протекающему между входными зажимами усилителя. Оно зависит от схемы усилителя, частоты переменного входного напряжения, его амплитуды и некоторых других факторов.
Выходное сопротивление характеризует внутреннее сопротивление усилителя переменному току.
От правильного выбора входного и выходного сопротивления во многом зависят входная и выходная мощность усилителя и работа всего устройства.
Коэффициент нелинейных искажений, называемый иногда коэффициентом гармоник, отображает уровень нелинейных искажений усилителя. Усилитель не является линейным элементом, поэтому при поступлении на его вход гармонического сигнала, изменяющегося с частотой f1 в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f2=2f1, f3=3f1 и т. д. Чем больше амплитуда этих дополнительных составляющих, тем выше коэффициент нелинейных искажений усилителя. Допустимая величина вносимых усилителем нелинейных искажений определяется назначением и областью применения усилителя.
Человеческое ухо представляет собой высококачественный анализатор спектра, сразу же обнаруживающий появление новых гармонических составляющих в выходном сигнале. Оно очень чувствительно даже к небольшим нелинейным искажениям. Поэтому в усилителях радиоаппаратуры высокого качества коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 1. 2%.

№23 Структурная схема усилителя с источником тока и напряжения -?

№24 Режимы работы усилительного каскада по постоянному току

Источник