Основные характеристики усилителей электрических сигналов

Свойства каждого усилителя могут быть оценены такими основными характеристиками как:

коэффициент усиления,

– полоса пропускания,

– диапазон частот входного сигнала,

– выходная мощность,

коэффициент полезного действия,

– чувствительность,

динамический диапазон,

– собственные помехи,

– искажения.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления усилителя может быть по напряжению KU, по току KI и по мощности KР.

Определение. Коэффициент усиления напряжения (тока) – модуль передаточной функции усилителя, отделяемый отношением напряжения (тока) на сопротивление нагрузки усилителя к напряжению (току) на входе усилителя

; . (2.1)

Определение. Коэффициент усиления мощности усилителя – отношения мощности, развиваемой на сопротивлении нагрузки усилителя к мощности, получаемой усилителем от источника входного сигнала

. (2.2)

Таким образом, коэффициент усиления показывает во сколько раз напряжение (ток) или мощность на выходе усилителя больше соответствующих значений на входе. При этом коэффициент усиления может быть в отвлеченных или логарифмических единицах. Согласно приведенным формулам коэффициент усиления напряжения, тока и мощности определяется в отвлеченных единицах.

Коэффициент усиления в логарифмических единицах (децибелах) по напряжению, току и мощности определяется с помощью следующих формул:

KU(ДБ) = 20 1g KU; KI(ДБ) = 20 1gKI; KP(ДБ) = 10 1gKP.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления в отвлеченных единицах определяется выражением

Кобщ = К1 ∙ К2 ∙ … ∙КN. (2.3)

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления в логарифмических единицах находится как:

КОБЩ(ДБ) = К1(ДБ) + К2(ДБ) + … + КN(ДБ), (2.4)

где К1, К2 , КN коэффициенты усиления первого, второго и т.д. каскадов усиления;

N – число каскадов в усилителе.

Измерение коэффициента усиления в логарифмических единицах вызвано физической особенностью человеческого слуха. С изменением силы звука субъективное ощущение громкости человеческим ухом меняется пропорционально логарифму изменения этой силы:

(2.5)

где S – громкость звука;

I – действующая сила звука;

I0 – наименьшая сила звука, слышимая ухом (порог чувствительности).

Наименьшее возрастание или уменьшение звука, которое ощущает человеческое ухо – 1 децибел.

Полоса пропускания усилителя

Полоса пропускания усилителей является характеристикой избирательных усилителей.

Определение. Полосой пропускания усилителя (Δ fП) называется полоса частот, на границе которой коэффициент усиления напряжения (тока) уменьшается по отношению к наибольшей величине в установленное число раз.

Другими словами, полоса пропускания усилителя - полоса частот, в пределах которой ослабление сигнала по напряжению не более 1,41 раза (рис.2.1).

На рисунке 2.1 обозначено:

– d – относительное ослабление,

– UВХ0 – чувствительность усилителя при его точной настройке на частоту усиливаемого сигнала (Δf ═ 0),

– UВХ – чувствительность усилителя при его расстройке (при Δf),

– Δf – разница (разность) между частотой настройки усилителя и частотой усиливаемого сигнала.

ΔfПδ

1,41

-Δf 0 +Δf

ΔfП

Рис.2.1. Характеристика избирательности усилителя

Из рисунка видно что:

– если усилитель точно настроен на частоту усиливаемого сигнала (то есть Δf = 0), то UВХ = UВХ0 (чувствительность наилучшая), а их отношение UВХ/UВХ0 = 1. В этом случае ослабление сигнала равно единице d=1, а характеристика избирательности всегда пересекает ось ординат на уровне единицы;

– если частота настройки усилителя не совпадает с частотой сигнала (расстройка Δf), то UВХ > UВХ0 и ослабление d >1.

Полоса пропускания усилителя выбирается в соответствии с шириной спектра усиливаемого сигнала (ΔFС).

Избирательность усилителя определяется полосой пропускания усилителя (ΔfП) и формой его характеристики избирательности. Форма характеристики оценивается величиной коэффициента прямоугольности характеристики избирательности.

Определение. Коэффициент прямоугольности усилителя KПd – отношение ширины пропускания усилителя на заданном уровне ослабления d (ΔfП d) к ширине полосы пропускания (∆fП)

, (2.6)

где ΔfПd – ширина полосы пропускания усилителя на заданном уровне ослабления d(при разных dбудет разной и ΔfПd);

ΔfП – ширина пропускания усилителя (на уровне d = 1,41 раза).

Чем ближе форма характеристики усилителя к идеальной (прямоугольной), то есть чем KПd ближе к единице, тем избирательность усилителя будет лучше (выше).

Диапазон частот входного сигнала

Диапазон частот входного сигнала является характеристикой апериодических усилителей. Иногда эта характеристика называется полосой пропускания апериодического усилителя.

Диапазон частот зависит от назначения усилителя и определяется крайними частотами спектра сигнала fН (нижней частотой) и fВ (верхней частотой), между которыми коэффициент усиления не опускается ниже допустимых значений.

Нижняя граничная частота усилителя (fН) – минимальная частота пропускания усилителя.

Верхняя граничная частота усилителя (fВ) – максимальная частота полосы пропускания усилителя.

Узкополосые усилители предназначены для усиления гармонических сигналов с частотным спектром от 10 герц до 10–15 кГц. Широкополосные усилители усиливают сигнал в более широкой полосе частот: от десятков герц до нескольких мегагерц. Это объясняется тем, что в большинстве случаев широкополосные усилители усиливают импульсные сигналы, которые представляют собой сумму гармонических составляющих (рис.2.2).

Спектральный состав импульсов зависит от формы и длительности импульсов. Спектр импульсов безграничен, но с увеличением номера гармоники ее амплитуда убывает. На практике для воспроизведения формы импульса используется часть спектра сигнала (например, с 1-й по 7-ю гармоники). Тогда диапазон частот импульсного сигнала П определяется выражением

,

где П – диапазон частот импульсного сигнала,

–длительность импульса (в секундах).

i РЕЗУЛЬТАТ

1-я гармоника

2-я гармоника

t

3-я гармоника

Рис 2.2. Гармоники импульсного сигнала

Выходная мощность

Выходная мощность является характеристикой апериодических усилителей. Выходная мощность характеризуется мощностью полезного сигнала, развиваемой на сопротивлении нагрузки. Величина выходной мощности определяется назначением усилителя. С увеличением выходной мощности возрастают нелинейные искажения сигнала. Поэтому вводится понятие номинальной выходной мощности, соответствующей заданной величине нелинейных искажений.

Определение. Максимальная мощность, которую можно получить на выходе усилителя при условии, что величина искажений сигнала не превысит заданной величины, называется номинальной мощностью.

При испытаниях номинальная мощность определяется по величине входного напряжения усилителя. Для этого на вход усилителя подается напряжение UВХ с частотой 1000 Гц. Величина входного напряжения UВХ должна быть такой, чтобы на выходе усилителя установилось напряжение, равное

, (2.7)

где РВЫХ – номинальная мощность (Вт),

RН – сопротивление внешней нагрузки (Ом).

В усилителях импульсных сигналов часто необходимо получить на выходе определенную величину напряжения. Поэтому для таких усилителей используется понятие выходное напряжение, а не мощность.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя равен отношению полезной мощности РП,отдаваемой усилителем в нагрузку, к подводимой к нему суммарной мощности от источника питания

. (2.8)

Для ламповых усилителей КПД может определяться с учетом мощности, потребляемой цепями накала. В последнем случае появляется возможность сравнить экономичность работы ламп и транзисторов для различных режимов работы. При определении суммарной мощности ΣP кроме полезной мощности учитывается и мощность потерь в усилителе. Например, в ламповом усилителе в мощность потерь входит:

– мощность рассеяния на аноде,

– мощность потерь на резисторах экранирующей (второй) сетки, автосмещения, накала на сопротивлении нагрузки.

Для транзисторных схем в мощность ΣΡ входят:

– мощность рассеивания на коллекторе,

– мощность потерь на резисторах усилителя напряжения в цепи базы,

– мощность потерь на сопротивлении нагрузки.

КПД не превышает 100%, при этом некоторые усилители при определенных условиях имеют КПД, близкий к идеальному. Коэффициент полезного действия усилителя оценивает его экономичность. Различаются полный КПД и КПД выходной цепи усилителя. Под полным КПД понимается КПД в целом (формула 2.8). КПД выходной цепи усилителя характеризует экономичность различных режимов работы УЭ в усилителе. Он определяется с помощью выражения

, (2.9)

где P0 – мощность, потребляемая цепью коллектора (анода) от источника питания.

Чувствительность

В общем смысле, чувствительность – это способность объекта реагировать определенным образом на определенное малое воздействие.

Определение. Чувствительность усилителя – минимальные напряжения, ток или мощность на входе электронного усилителя, при которых обеспечивается заданное превышение полезного сигнала над шумами усилителя и заданные напряжение, ток или мощность в нагрузке усилителя.

Из этого определения видно, что чувствительность усилителя – это не просто входной сигнал усилителя, а минимальный входной сигнал усилителя (напряжение, ток, мощность), при котором на выходе усилителя обеспечивается заданное отношение сигнал/шум и заданная величина выходного сигнала (напряжение, ток, мощность). Чем более слабые сигналы способен усиливать усилитель при обеспечении одних и тех же условий на его выходе (при заданных: соотношении сигнал/шум, UВЫХ. ЗАДАН, РВЫХ. ЗАДАН, IВЫХ. ЗАДАН), тем чувствительность его лучше. Таким образом, из этих рассуждений можно сделать вывод, что чувствительность усилителя зависит от его усилительных и шумовых свойств.

Количественно чувствительность усилителя оценивается минимальной величиной входного сигнала (UВХMIN, IВХMIN, PВХMIN), при которой на выходе усилителя обеспечивается заданное отношение сигнал/шум и заданная величина выходного сигнала (UВЫХ.ЗАДАН, IВЫХ. ЗАДАН, РВЫХ. ЗАДАН).

Чувствительность усилителя можно определить по амплитудной характеристике усилителя (рис.2.3), показывающей зависимость амплитуды сигнала на его выходе UВЫХ от амплитуды сигнала на его входе UВХ.

Для определения чувствительности при заданной выходной мощности РВЫХ необходимо сначала найти UВЫХ

.

После нахождения UВЫХ по графику амплитудной характеристики (рис.2.3) определяется UВХ. Например, для UВЫХ=2,0В чувствительность усилителя UВХ=0,1В.

Для обеспечения на входе усилителя заданного напряжения (мощности, тока) необходимо выполнить условие

UВХс ≥ UВХ

где UВХ – чувствительность усилителя,

UBXc – напряжение источника входного сигнала.

Видно, что входной сигнал с усилителя должен быть больше или в крайнем случае равен чувствительности усилителя.

UВЫХ [В]

UВЫХ = 2В

0 UВХ = 0,1В UВХ [В]

Рис. 2.3. Амплитудная характеристика усилителя

Как уже было доказано при определении чувствительности усилителя, чувствительность зависит и от его собственных шумов.

Источниками шумов в усилителе могут быть:

– все активные сопротивления,

– УЭ (лампы, транзисторы),

– контуры.

Необходимо также учитывать шум источника входного сигнала усилителя.

Для нормальной работы усилителя необходимо выполнить условие

> 1,

где UСИГН – напряжение сигнала,

UШ – напряжение шума.

Шумы, возникающие за счет хаотичного движения носителей электрических зарядов, называются– тепловыми шумами. Тепловые шумы создаются за счет беспорядочно изменяющегося напряжения, возникающего на концах любого проводника, цепи, элемента схемы, вследствие беспорядочного теплового движения в них электронов. Это напряжение зависит от сопротивления цепи (R), температуры окружающей среды и полосы частот, в которой измеряется шумовое напряжение (ΔfП). Так, напряжение тепловых шумов любой цепи при температуре 15 200С определяется выражением

, (2.10)

где ΔfП измеряется в кГц, а R – в кОм.

Напряжение шума электронной лампы определяется формулой

, (2.11)

где Rэ – шумовое сопротивление лампы, измеряется в кОм.

Шумовое сопротивление лампы Rэ представляет собой эквивалентное сопротивление, которое при включении его в цепь управляющей сетки создает на анодной нагрузке напряжение тепловых шумов, равное напряжению шумов данной лампы.

Основным видом шумов в электронных лампах являются дробовые шумы (из-за дробового эффекта) и шумы распределения (из-за перераспределения электронного потока между электродами лампы). Чем больше сеток в лампе, тем больше шума. Шумы пентода выше шумов триода вследствие большего перераспределения электронного потока между электродами лампы.

Суммарное напряжение шумов (UШ), приведенное к входу усилителя и обусловленное тепловыми шумами и шумами лампы, приближено определяется выражением

. (2.12)

В транзисторах шумы возникают по следующим причинам. На низких частотах шумы, изменяющиеся обратно пропорционально частоте 1/f, обусловленные дробовым эффектом, зависят от процессов, протекающих на поверхности кристалла. Тепловое движение носителей зарядов внутри кристалла создает тепловой шум. Таким образом, основными видами шумов в транзисторах являются тепловые шумы и шумы распределения.

Уровень шумов транзистора, и в целом усилителя, характеризуется коэффициентом шума N, равным отношению полной мощности выходных шумов РВЫХш усилителя к ее части, создаваемой шумами источника сигнала РВХш

, (2.13)

в логарифмических единицах коэффициент шума определяется

N [ ДБ ] = 10 lg N.

Зависимость шумов транзистора от частоты показана на рисунке 2.4.

N

I II III

0 f1 f2 f

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента шума транзистора от частоты

Частота f1 (нижняя граничная частота транзистора) находится в пределах 0,5–5кГц. Частота f2 – верхняя граничная частота транзистора. На частотах меньших f1 (то есть в области I) шумы транзистора пропорциональны 1/f1. С уменьшением частоты (меньше f1) шумы возрастают. Чем частота меньше граничной частоты, тем шумы больше.

Шумы транзистора в области II примерно одинаковы для всех схем включения транзисторов. Наименьший коэффициент шума имеют маломощные транзисторы. Для области II коэффициент шума (NII) примерно составляет 5дБ. На частотах больших f2, то есть в области III, шумы транзистора вновь возрастают за счет уменьшения коэффициента усиления по току.

В области I коэффициент шума NI рассчитывается по формуле

, (2.14)

где f – частота, находящаяся в области частот (f2 – f1);

fН – нижняя рабочая частота транзистора;

NII – коэффициент для области II.

Напряжение шума на выходе усилителя, выраженное через коэффициент шума, определяется выражением

[мкВ], (2.15)

где – средний коэффициент шума для полосы частот;

RН – сопротивление источника сигнала (кОм);

Δf – полоса частот от f1 до f2, пропускаемая усилителем.

Общая величина напряжения шума на выходе усилителя при полосе частот, захватывающая области I и II, определяется выражением

. (2.16)

Шумовые параметры ламп и транзисторов указываются в справочниках.

Таким образом, можно сделать вывод, что любой УЭ имеет шумы, и для нормальной работы усилителя сигнал должен превышать уровень шумов. Следовательно, чем меньше уровень шумов, тем более малый сигнал сможет различить и усилить усилитель, то есть тем лучше его чувствительность.

Собственные помехи

Основными причинами собственных помех усилителя являются:

– наводки,

– фон,

– микрофонный эффект,

– шумы (рассмотрены выше).

Наводки – паразитные сигналы, возникающие под действием электромагнитных возмущений и проходящие по связям, не предусмотренным назначением и конструкцией аппаратуры.

Наводки возникают при работе внешних приборов, электродвигателей, а также из-за влияния цепей самого усилителя. Устранение наводок достигается экранированием усилителя и его цепей, а также применением развязывающих фильтров в цепях питания.

Фон – это шум на выходе усилителя, питаемого от сети переменного тока, представляет собой спектр составляющей частоты питающей сети и ее гармоник.

Основными причинами фона являются:

– недостаточное сглаживание выпрямленного напряжения питания;

– наведение переменной ЭДС в цепях усилителя электрическими и магнитными полями питающих трансформаторов и соседними приборами.

Для устранения или уменьшения фона улучшают сглаживание выпрямленного напряжения, экранируют цепи усилителя, удаляют их от источников фона, а также применяют отрицательную обратную связь (рассмотрена ниже).

Микрофонный эффект – нежелательное изменение параметров электрической, магнитной цепи или электронного прибора, вызванное механической вибрацией или акустическим воздействием.

В результате этого эффекта на выходе усилителя может появиться постороннее напряжение, вызванное толчками, ударами, вибрацией. Микрофонному эффекту, в большей степени, подвержены лампы. Для устранения этого явления в первых каскадах применяются УЭ с малым микрофонным эффектом (например, транзисторы), а также применяется амортизация и звукоизоляция УЭ.

Динамический диапазон

В большинстве случаев напряжение входного сигнала усилителя не является постоянной величиной и изменяется от наибольшего значения до наименьшего.

Наименьший сигнал UВХmin, который способен усилить усилитель, определяется его чувствительностью. При подаче на вход усилителя сильного сигнала он будет усиливаться, но при этом в усилителе возникают нелинейные искажения. Наконец, при UВХmax эти искажения будут предельно допустимыми.

Определение. Отношение максимальной амплитуды входного сигнала UВXmax усилителя, при котором искажения сигнала достигают предельно допустимого значения, к чувствительности усилителя UВХmin называется динамическим диапазоном усилителя

, Д [дБ] = 20 lg Д. (2.17)

Динамический диапазон можно определить и через отношение мощностей сигнала

. (2.18)

Отсюда следует, что динамический диапазон усилителя – диапазон уровней входных сигналов усилителя, которые он способен усиливать. Реальный усилитель может усиливать сигналы не менее UВХmin, так как более слабые сигналы заглушаются шумом, и не более UВЫХmax, так как сигнал выше этого уровня будет вызывать большие нелинейные искажения.

Динамический диапазон характеризует перегрузочную способность усилителя, то есть характеризует величины входных сигналов, которые усилитель способен усиливать с допустимыми искажениями. Динамический диапазон является характеристикой не только усилителей, но и преобразователей частот, радиоприемников, а также других устройств.

Динамический диапазон этих устройств характеризуется величинами порядка 60дБ и выше. Так, профессиональные радиоприемники имеют динамический диапазон порядка 60–100дБ. Для его расширения применяются различные системы регулирования усиления и аттенюаторы.

Выводы по 1-му вопросу:

1. Рассмотренные характеристики и параметры являются универсальными и отражают отличительные особенности не только усилителей электрических сигналов, но и, практически, всех электронных устройств, в том числе и радиопередатчиков, радиоприемников, радиостанций.

2. Следует отметить, что ряд характеристик, таких, как коэффициент усиления, динамический диапазон, измеряется как в относительных, так и в логарифмических единицах.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  




Подборка статей по вашей теме: