Характеристики усилителей: классификация, формулы, схемы, параметры

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).

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 К_U, току К_i или мощности К_Р: 

К_U = U_вх / U_вых

К_I= I_вх/ I_вых

К_P= P_вх / P_вых

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

U_вых , I_вых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

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

К_U (дБ) = 20LgK_u

К_I(дБ) = 20LgK_i

К_Р (дБ) = 10LgK_p

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

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

К (дБ) = К₁ (дБ) + К₂ (дБ) +… + К_n(дБ).

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:

Ќ_U = К_U · e^jφ

К_U = U_вых / U_вх

где К_U— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_вх и U_вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

η = P_вых / P_ист

где Р_ист — 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 R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя:

R_вх = U_вх / I_вх

R_вых = |∆ U_вых | / |∆ I_вых |

где U_вх и I_вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆U_вых и ∆I_вых — 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).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вx = 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):

К_Г = √( U²_2m + U²_3m + … + U²_nm) / U_lm

где U_lm, U_2m, U_3m, U_nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = U_{вх max} / U_{вх min}характеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы u_бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора i_б = f(u_бэ) входной ток транзистора i_б (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.

Частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_н − f_в) — 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 = K₀ / K_f где K_f — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М_Н = K₀ / K_Н и М_В = K₀ / K_В 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). Обычно 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. 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. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя

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

10.2. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя оэ

Схема усилителя ОЭ представлена на рис. 10.3. Она аналогична схеме на рис. 9.3, так как для нормальной работы усилителя термостабилизация обязательна.

Рис. 10.3. Схема усилителя ОЭ

Амплитудно-частотная характеристика усилителя ОЭ представлена на рис. 10.4. Входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ примерно 100…1000 Ом, выходное 10⁴10⁵Ом (см таблицу 6.1), поэтому амплитудно-частотная характеристика получается достаточно равномерной в области средних частот (500 Гц – 50 кГц). На низкой частоте (менее 200 Гц) коэффициент усиления по напряжению снижается из-за влияния разделительной ёмкости С. В области высоких частот сказывается влияние ёмкости коллекторного перехода, и коэффициент усиления по напряжению также снижается.

Рис. 10.4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ОЭ

10.3. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя ок

Схема усилителя ОК представлена на рис. 10.5. По сравнению со схемой ОЭ в ней отсутствует конденсатор Сэ, так как выходной сигнал снимается с Rэ, и конденсатор оказывал бы паразитное шунтирующее действие.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя ОК представлена на рис. 10.6.

Рис. 10.5. Схема усилителя ОК

Входное сопротивление транзистора в схеме ОК зависит от коэффициента передачи тока базы транзистора и сопротивления нагрузки Rн(+1), а выходное составляет примерно 10…100 Ом (см таблицу 6.1), поэтому амплитудно-частотная характеристика получается ещё более равномерной, чем у схемы ОЭ.

Рис. 10.6. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ОК

На низкой частоте (менее 100 Гц) коэффициент усиления по напряжению из-за влияния разделительной ёмкости С снижается гораздо меньше, так как входное сопротивление высокое. Поскольку нагрузка включена в эмиттер, то в области высоких частот влияние ёмкости коллекторного перехода практически не сказывается, и коэффициент усиления по напряжению снижается уже из-за инерционности перемещения носителей зарядов через область базы.

К сожалению, обладая самой равномерной амплитудно-частотной характеристикой, усилитель ОК не усиливает сигнал по напряжению, K_U< 1.

10.4. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя об

Схема усилителя ОБ представлена на рис. 10.7. По сравнению со схемой ОЭ в ней также отсутствует конденсатор Сэ, так как входной сигнал поступает на Rэ, и конденсатор оказывал бы паразитное шунтирующее действие.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя ОБ представлена на рис. 10.8.

Рис. 10.7. Схема усилителя ОБ

Входное сопротивление транзистора в схеме ОБ составляет примерно 10…100 Ом, а выходное 10⁵10⁶Ом (см таблицу 6.1), поэтому амплитудно-частотная характеристика получается существенно неравномерной.

Рис. 10.8. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ОБ

На низкой частоте (менее 2 кГц) коэффициент усиления по напряжению снижается из-за влияния разделительной ёмкости С, образующей делитель напряжения с малым входным сопротивлением транзистора. В области высоких частот сказывается влияние ёмкости коллекторного перехода, и коэффициент усиления по напряжению также снижается.

Преимуществом схемы ОБ является самый большой коэффициент усиления по напряжению K_U= 100…200. Существенное уменьшениеK_Uна низкой частоте является недостатком схемы, но этот недостаток сравнительно просто исключается – схему ОБ применяют для усиления сигналов на высокой частоте (радио диапазон), применяя в ней высокочастотные транзисторы.

Контрольные вопросы

1. Чем объясняется зависимость коэффициента усиления транзисторного усилителя от частоты?

2. Почему амплитудно-частотные характеристики усилителей ОЭ, ОК и ОБ различны?

3. Как влияет величина разделительной ёмкости на входе усилителя на вид АЧХ?

Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 1

РадиоКот >Конкурсы >Поздравь Кота по-человечески 2018! >

Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 1

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     В предыдущих частях данной статьи (1, 2, 3) мы рассмотрели кратко основные возможности измерительного комплекса на базе ПК с использованием ПО Visual analyser, подробно ознакомились с основными настройками измерительного комплекса, а так же протестировали его возможности.

     В данной части статьи мы поговорим о проведении практических измерений различных параметров устройств на примере лампового усилителя, а так же рассмотрим способы повышения точности проводимых измерений. Итак, пожалуй, начнём.
     Для начала рассмотрим кратко конструкцию самого усилителя. Схема электрическая принципиальная исследуемого усилителя показана на схеме ниже. Разберёмся как он работает.

     Итак, с выхода Вашего аудиоустройства, через разделительный конденсатор С3 и антипаразитный резистор R5 сигнал поступает на вход предварительного усилителя-фазоинвертора, выполненного на радиолампах Ла2, Ла3 [1] по схеме дифференциального усилителя [2]. Нагрузкой каскада служат анодные резисторы R6, R10, а так же цепочка балансировки схемы по переменному току R7 — R9, включённая параллельно анодным резисторам.

     Применение резистора утечки сетки R4 небольшого номинала позволило значительно уменьшить чувствительность усилителя к наводкам переменного тока, но в свою очередь потребовало установки на входе конденсатора С3 достаточно большой для ламповых усилителей ёмкости (при использовании современных источников сигнала нет необходимости использовать усилители с высоким входным сопротивлением т.к. большинство источников сигнала рассчитаны на подключение к ним нагрузки около 32 Ом, соответственно на практике достаточно входного сопротивления усилителя равного 300-600 Ом. Исключение составляют только источники сигнала с высоким выходным сопротивлением, например некоторые модели винил-корректоров, головки воспроизведения, а так же звукосниматели различного типа и т.д.).
     Источник тока дифференциального каскада выполнен по схеме симметричного каскодного токового зеркала на транзисторах VT1-VT4. Применение каскодной схемы позволяет получить достаточно высокое динамическое сопротивление источника тока необходимое для нормальной работы дифференциального усилителя.
     С выхода дифференциального усилителя-фазоинвертора усиленный сигнал поступает на вход катодных повторителей Уайта, выполненных на радиолампах Ла1, Ла4 [3, 4]. Применение катодных повторителей позволяет согласовать высокое выходное сопротивление предварительного усилителя и более низкое входное сопротивление выходного каскада во всей полосе частот усилителя.
     С выхода катодных повторителей, через разделительные конденсаторы С15, С16 усиленный по току и напряжению сигнал поступает на вход выходного каскада, выполненного на радиолампах Ла5, Ла6 [5]. Режим каскада по постоянному току так же задаётся симметричным каскодным токовым зеркалом с коэффициентом отражения тока 1:1, выполненным на транзисторах VT5-VT8.
     Токозадающим плечом является плечо, реализованное на транзисторе VT7. Установленный резистором R30 и внутренним сопротивлением лампы Ла5 ток отражается с коэффициентом 1:1 во второе плечо, реализованное на транзисторе VT8. Тем самым поддерживается ток покоя радиолампы Ла6 выходного каскада.
     В то же время отражённый во второе плечо правого (по схеме) токового зеркала ток является опорным током для левого (по схеме) токового зеркала, реализованного на транзисторах VT5, VT6. Заданный во втором плече ток вновь отражается левым токовым зеркалом в токозадающее плечо с коэффициентом 1:1, стараясь поддержать исходный ток.
     Таким образом получается, что правое токовое зеркало воздействует само на себя через цепь обратной связи по постоянному току. Кроме того данное токовое зеркало по величине вносимого в плечи выходного каскада сопротивления является практически симметричным.

Для устранения глубокой местной ООС со стороны катода токовое зеркало дополнительно шунтировано конденсаторами С17, С18.
     Предположим, по каким-то причинам ток радиолампы Ла5 начал увеличиваться. В связи с увеличением тока покоя увеличивается падение напряжения на токозадающем резисторе R30, что приводит к уменьшению тока покоя из-за возросшего напряжения автосмещения плюс само токовое зеркало старается поддержать заданный ток. При уменьшении тока покоя происходит всё в точности наоборот.
     В это же время ток второго плеча при правильной настройке токового зеркала изменяется на такую же самую величину согласно коэффициенту отражения. Таким образом разбалансировки выходного каскада по постоянному току не происходит.
     Для корректной и стабильной работы токового зеркала транзисторы VT5 – VT8 должны иметь одинаковый тепловой режим и статический коэффициент передачи по току. Кроме того данные транзисторы необходимо установить на радиатор площадью 5-10 квадратных сантиметров толщиной 0.5-1 мм. Идеальным вариантом является использование согласованной пары транзисторов в одном корпусе либо прикрепление транзисторов на радиатор с обратных сторон напротив друг друга через изолирующие прокладки.
     Нагрузкой выходного каскада служит трансформатор Tr1 с подключённой на выход акустической системой Ba1.
     Ещё одной особенностью построения выходного каскада является двойное управление анодным током ламп Ла5, Ла6. Подобный тип управления позволяет увеличить крутизну характеристики ламп выходного каскада, а так же дополнительно повысить линейность каскада в целом. Недостатком такого типа управления является необходимость установки достаточно мощного предвыходного каскада, способного работать в линейном режиме с током сетки ламп выходного каскада на пиках сигнала.
     Резистор R31 – резистор общей отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель полностью.
     Резистор R11, конденсаторы С4, С5 – дополнительный развязывающий фильтр питания предварительного усилителя-фазоинвертора.
     Конденсаторы С6, С7 – дополнительный емкостной фильтр питания выходного каскада усилителя.
     Для повышения стабильности работы дифференциального усилителя-фазоинвертора его питание осуществляется от дополнительного стабилизатора напряжения, выполненного на интегральном стабилизаторе DA1 [6].
     Конденсаторы С10, С11 – дополнительный фильтр выходного напряжения стабилизатора напряжения.
     Конденсаторы С13, С14 – дополнительный фильтр входного напряжения стабилизатора напряжения.
     Конденсатор С12 – дополнительный фильтр опорного напряжения стабилизатора.
     Резистор R18 – дополнительная нагрузка стабилизатора напряжения. Данная нагрузка требуется из-за необходимости установки минимального тока нагрузки стабилизатора для обеспечения его правильной работы. Для применённого стабилизатора Da1 минимальный ток нагрузки должен быть не менее 10 мА.
     Все использованные детали указаны на схеме. Остановимся только на конструкции выходного трансформатора усилителя.
     В качестве выходного трансформатора мной использован универсальный выходной тороидальный трансформатор ТВЗ-250/2, изготовленный специально для проведения подобных экспериментов.
     Трансформатор имеет 2 максимально симметричные первичные обмотки и набор вторичных обмоток, позволяющих перекрыть диапазон приведённых к аноду сопротивлений нагрузки примерно от 700 Ом до 10-15 кОм на плечо при использовании нагрузки на вторичной обмотке равной 4/8 Ом.
     Для получения максимальной симметрии первичных обмоток трансформатора сначала наматывается половина одной из первичных обмоток трансформатора, далее наматывается полностью вторая первичная обмотка и поверх снова половина первичной обмотки. После этого половины первичной обмотки соединяются последовательно.
     Поверх первичных обмоток намотаны все необходимые вторичные обмотки. При намотке КАЖДАЯ вторичная обмотка, одна первичная обмотка и половины второй первичной обмотки РАВНОМЕРНО распределяются по окружности сердечника трансформатора.
Так как изготовление качественного тороидального трансформатора в домашних условиях представляет определённые трудности намотка данного трансформатора производилась на специализированном предприятии (кто бы как не ругал Торел, а при хорошем ТЗ результат получается более чем достойный) [7].
     В изготовленном трансформаторе сопротивление каждой первичной обмотки равно 19 Ом, а индуктивность выше 100 Гн.
     Готовый трансформатор и его заводской паспорт с указанным количеством витков всех обмоток показан в подборке фото ниже.

     Настройка усилителя не представляет сложности.
     Для настройки необходимо вытащить все лампы усилителя из ламповых панелек, включить усилитель и выставить резистором R20 напряжение на выходе стабилизатора равное 15 Вольт.
     После этого можно выключить усилитель и установить лампы предварительного усилителя-фазоинвертора Ла2, Ла3 в ламповые панельки, а так же выставить движок переменного резистора R8 в среднее положение. Далее необходимо снова включить усилитель и дать ему прогреться 3-5 минут после чего на аноде лампы Ла2 либо Ла3 резистором R13 необходимо выставить напряжение равное 180 Вольт и снова выключить усилитель.
     Далее необходимо вернуть радиолампы Ла1, Ла4 в ламповые панельки, включить усилитель, дать ему прогреться 3-5 минут после чего резисторами R3, R22 выставить токи анодов ламп Ла1, Ла3 равные 15 мА (при этом на резисторах R2, R21 должно падать напряжение равное 70.5 Вольт).
     Далее снова необходимо выключить усилитель и установить радиолампы Ла5, Ла6 в ламповые панельки, после чего снова включить усилитель и дать ему прогреться 3-5 минут и выставить резистором R30 токи анодов ламп Ла5, Ла6 равные 50 мА. Разбалансировка токов анодов ламп Ла5, Ла6 выходного каскада, вызванная разбросом характеристик ламп, а так же транзисторов VT5-VT8 токового зеркала компенсируется подстройкой сопротивления резистора R27.
     Настройка усилителя по переменному току производится подстройкой резистора R8 по минимуму искажений на выходе усилителя любым известным способом (один из которых будет рассмотрен ниже при описании измерения коэффициента нелинейных искажений). На этом настройку усилителя можно считать законченной.
     На фото ниже показан макет описанного усилителя во время проведения испытаний.

     В подборке видео ниже показана работа макета усилителя во время проведения испытаний.

     Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.
     Таким образом, описание исследуемого усилителя подошло к концу и можно смело приступать к измерению его различных технических характеристик.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ)

     Согласно [10] амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя называется зависимость коэффициента усиления
напряжения (тока) электронного усилителя от частоты гармонического входного сигнала.
     Схема электрическая принципиальная подключения измерительного комплекса для измерения АЧХ усилителя показана на схеме ниже.

     Будем считать, что по умолчанию для измерения параметров усилителя используется вход и выход левого канала (канал А измерительного комплекса) звуковой карты ПК, если иное не указано отдельно.
     Для измерения АЧХ нам понадобится как минимум 1 эквивалент нагрузки в виде резистора [11, приложение 1]. Сопротивление данного резистора должно быть равно номинальному сопротивлению нагрузки усилителя, а допустимая мощность рассеяния не менее максимальной выходной мощности усилителя. Кроме того необходимо сделать запас по мощности равный 20-30% для обеспечения надёжной работы эквивалента.
     Из технической литературы известно [12], что двухтактный усилитель на радиолампах 6П3С в некоторых режимах работы может развивать на выходе максимальную мощность практически равную 50 Вт. Отсюда следует, что мощность резистора эквивалента нагрузки для испытания описанного усилителя необходимо взять не менее 60-65 Вт. Сопротивление резистора должно быть равно 4 Ом т.к. именно на это сопротивление рассчитан исследуемый усилитель.
     В предыдущей части данной статьи при испытании возможностей измерительного комплекса было отмечено, что вход любой звуковой карты ПК имеет определённый максимально-допустимый входной уровень напряжения, выше которого звуковая карта ПК начинает ограничивать уровень входного напряжения и появляются достаточно высокие искажения (наступает так называемый клиппинг). Проводить измерения выше данного уровня напряжения на входе невозможно, соответственно для проведения измерений необходимо дополнительно на вход подключить делитель напряжения.
     Коэффициент деления делителя рассчитывается исходя из максимальной мощности усилителя, номинального сопротивления нагрузки и максимального допустимого напряжения на используемом входе усилителя.
     Для исследуемого усилителя коэффициент деления делителя должен быть не менее 1:10. Логика вычисления коэффициента деления достаточно проста. Для начала необходимо вычислить максимальное действующее значение напряжения на эквиваленте нагрузки при максимальной выходной мощности:

     Далее необходимо определить максимальное допустимое напряжение на входе звуковой карты ПК так, как это было описано в предыдущей части данной статьи. Для применённой мной звуковой карты максимальное входное напряжение равно 2-м Вольтам (действующее значение).
     Для обеспечения надёжности работы звуковой карты, а так же исключения работы на пределе возможностей оборудования, измерения обычно производят при уровнях ниже максимального на 20-30%. Соответственно в расчётах за максимальный допустимый уровень напряжения на входе необходимо принять 1.4 Вольта.
     Коэффициент деления при этом будет равен отношению напряжения на эквиваленте нагрузки при максимальной выходной мощности усилителя к максимальному допустимому напряжению на входе звуковой карты ПК.
     Скажем так же пару слов о выборе номиналов резисторов делителя – с одной стороны сопротивление делителя должно быть как можно больше для уменьшения влияния на сопротивление эквивалента нагрузки (либо же в качестве резистора эквивалента необходимо использовать проволочный резистор с возможностью подстройки сопротивления, например ППБ, ПП3 и им подобные достаточной мощности), а с другой стороны как можно меньше – для уменьшения чувствительности к наводкам переменного тока.
     Рекомендую в качестве нижнего (по схеме) резистора делителя Rд2 использовать резистор с сопротивлением в 10-20 раз выше, чем сопротивление эквивалента нагрузки т.е. в нашем случае примем сопротивление резистора Rд2 равное 47-51 Ом. Сопротивление верхнего (по схеме) резистора Rд1 вычисляется исходя их необходимого коэффициента деления делителя т.е. для нашего случая сопротивление резистора Rд1 будет равно 470-510 Ом. На этом выбор эквивалента нагрузки и расчёт элементов делителя можно считать законченным.
     Методика измерения АЧХ подробно описана в предыдущей части данной статьи, поэтому рассматривать её не будем.
     На скрине ниже приведена АЧХ исследуемого усилителя.

     По приведённой АЧХ можно определить эффективный диапазон частот усилителя, ограниченный усилением (ширина полосы пропускания усилителя по заданному уровню). Под данной характеристикой усилителя понимают диапазон частот, в пределах которого отклонения частотной характеристики усиления от заданной не превышают указанных в ТУ на усилитель значений.
     Для разрабатываемых в радиолюбительском творчестве усилителей разработчик вправе установить самостоятельно уровень допустимого отклонения частотной характеристики усилителя либо воспользоваться таблицей, приведённой в [13, таблица 1]. Чаще всего за величину отклонения принимают уровень отклонения равный -3 дБ (реже -1 дБ либо -0.1 дБ). В качестве опорной частоты принимают 1 кГц.
     По приведённому скрину можно сделать вывод о том, что эффективный диапазон частот усилителя по уровню -3 дБ, ограниченный усилением простирается от 8 Гц до 26 кГц т.к. на опорной частоте АЧХ «проходит» на уровне -62.5 дБ, а на частотах в 8 Гц и 26 кГц на уровне -65.5 дБ.
     К сожалению, неравномерность частотной характеристики усилителя при небольших отклонениях АЧХ (менее 1-1.5 дБ) в полосе пропускания усилителя относительно уровня на опорной частоте определить невозможно (кроме краёв полосы пропускания) т.к. частотная характеристика усилителя достаточно линейна (отклонения меньше точности измерений).
     Неравномерность частотной характеристики при её определении указывают либо в виде пары чисел со знаками, характеризующими максимальное отклонение частотной характеристики относительно опорной частоты в положительную и отрицательную сторону либо, что более информативно, строят график зависимости неравномерности частотной характеристики в частотной области (где по оси Х откладывают частоту, а по оси У – величину неравномерности частотной характеристики относительно опорной частоты). На этом анализ амплитудно-частотной характеристики усилителя можно считать законченным.

Выходное напряжение и мощность

     При измерении выходного напряжения и мощности в отечественной литературе обычно под данными характеристиками подразумевают следующие:
1. Выходное напряжение, ограниченное искажениями;
2. Выходную мощность, ограниченную искажениями;
3. Кратковременное максимальное выходное напряжение;
4. Кратковременную максимальную выходную мощность;
5. Долговременное максимальное выходное напряжение;
6. Долговременную максимальную выходную мощность;
7. Выходную мощность, ограниченную температурой.
     При измерении выходного напряжения воспользуемся описанным ранее эквивалентом нагрузки и схемой подключения измерительного комплекса, а само значение напряжения будем измерять встроенным в Visual analyser вольтметром. Для полноценного использования вольтметра необходимо провести его калибровку. Калибровку используемого канала (канала А) будем производить с учётом подключенного усилителя и делителя напряжения.
     Для калибровки вольтметра необходимо параллельно эквиваленту нагрузки подключить внешний образцовый вольтметр, после чего выставить частоту, генерируемую встроенным генератором сигналов равную 100-200 Гц синусоидального сигнала (пункты 22, 24), запустить встроенный генератор сигнала и выставить по вольтметру любой удобный для отсчёта уровень сигнала так, что бы напряжение на входе звуковой карты ПК с учётом делителя не превышало максимально-допустимого значения, определённого нами ранее (при этом нелинейные искажения усилителя должны быть небольшими, либо же вместо выхода усилителя сигнал на делитель необходимо подавать с внешнего генератора сигналов с низким уровнем собственных искажений, предварительно исключив эквивалент нагрузки, а образцовый вольтметр подключив параллельно делителю напряжения).
     Далее необходимо зайти в основные настройки программы и перейти на вкладку «Calibrate» (Калибровка). Перед Вами откроется окно, показанное на фото ниже.

     В данном окне необходимо выбрать тип единиц измерения и измеряемую величину, используемые при калибровке (В, мВ, дБ, размах, действующее значение либо постоянная составляющая). Данные настройки расположены в нижней части окна (Units, пункт 29). Для удобства измерения и вычисления параметров усилителя выберем Вольты (Volts) и действующее значение напряжения (RMS).
     После этого необходимо в поле «Level of known input signal (Units)» (известный уровень входного сигнала, пункт 27) ввести уровень напряжения на эквиваленте нагрузки, определённый по внешнему образцовому вольтметру. Для рассматриваемого случая уровень напряжения равен 1.85 Вольта действующего значения напряжения. Далее необходимо нажать кнопку «Start measure signal (L)» (начать измерение сигнала) – начнётся процесс калибровки левого канала измерительного комплекса. Во время калибровки кнопка «Start measure signal (L)» будет недоступна.
     Калибровка правого канала измерительного комплекса (пункт 28) производится аналогичным способом. Калибровку можно произвести как с учетом делителя (тогда вольтметр будет показывать напряжение, подаваемое на делитель сразу), так и без него (тогда показания необходимо дополнительно домножать на знаменатель коэффициента деления делителя), либо комбинированно (для одного канала с учётом делителя, а для другого без него).
     По окончанию калибровки необходимо установить галочки в графы «Apply calibration left channel» (применить калибровку левого канала) и «Apply calibration right channel» (применить калибровку правого канала) – калибровочные поправки будут применены для соответствующих каналов (пункт 26). После этого генерацию сигнала встроенным генератором сигнала можно отключить.
     Так же дополнительно можно сохранить калибровочные поправки в виде отдельного файла. Для этого необходимо в нижней части данного окна нажать кнопку «Save» (сохранить) и в появившемся окне выбрать имя и путь сохранения калибровочного файла, подтвердить сохранение (пункт 29).
     Рядом с кнопкой сохранения калибровочного файла расположены кнопки загрузки (Load) и сброса (Reset) настроек калибровки каналов измерительного комплекса.
     На фото далее показано окно встроенного вольтметра при проведении испытаний усилителя. Все основные настройки в данном окне интуитивно понятны и в дополнительном пояснении не нуждаются. Активация встроенного вольтметра осуществляется в правой части основного окна программы в меню быстрого доступа к основным настройкам программы (пункт Volt meter).

     На этом калибровку можно считать законченной. Перейдём непосредственно к измерению выходного напряжения и вычислению выходной мощности усилителя.
     Согласно [11] под выходным напряжением, ограниченным искажениями понимается напряжение, развиваемое усилителем на номинальном эквиваленте нагрузки при котором общие гармонические искажения достигают значения, указанного в ТУ на исследуемый усилитель.
     Если значение общих гармонических искажений не указано, то выбирают уровень общих гармонических искажений равный 1%. Это справедливо для большинства усилителей без разделения на группы сложности. В противном случае необходимо воспользоваться [13, таблица 1].
     Для радиолюбительских целей часто допустимо прировнять понятия номинального напряжения/мощности на выходе усилителя и выходного напряжения/мощности, ограниченных искажениями, что обычно и делается в большинстве случаев, но в общем случае номинальные мощность/напряжение и мощность/напряжение ограниченные искажениями различны по своей сути.
     Достаточно часто за номинальное напряжение/мощность на выходе мной принимаются такие значения, при которых начинается заметный быстрый рост общих гармонических искажений на выходе усилителя, но при этом максимальные мощность и напряжение, ограниченные искажениями измеряются согласно ГОСТ.
     В этом случае номинальная мощность, соответственно, ниже максимальной, ограниченной искажениями.
     Отсюда очевидный вывод — оба параметра вполне могут быть произвольно заданы в ТУ разработчиком, но при этом номинальная мощность и напряжение соответствуют штатной работе усилителя в номинальных условиях работы, а максимальная мощность и напряжение, ограниченные искажениями соответствуют предельным параметрам мощности и напряжения при заданном уровне искажений (по умолчанию равным 1%). Надеюсь, я не запутал Вас подобными формулировками…
     Для измерения напряжения, ограниченного искажениями необходимо во встроенном генераторе сигналов измерительного комплекса (пункты 22, 24) выставить частоту генерируемого сигнала равную 1000 Гц, запустить генератор сигналов и плавно повышая уровень сигнала на выходе добиться увеличения коэффициента нелинейных искажений усилителя до 1%.
     После этого усилитель необходимо выдержать в данном режиме работы 60 секунд и зафиксировать уровень напряжения на выходе усилителя встроенным вольтметром.
     На фото далее показан результат измерения максимального напряжения, ограниченного искажениями для исследуемого усилителя.

     По фото видно, что действующее значение напряжения равно 7.57 Вольта. Небольшим недостатком вольтметра является невозможность штатного сохранения скриншота экрана с результатом измерения напряжения по аналогии с АЧХ.
     Для вычисления выходной мощности, ограниченной искажениями необходимо выходное напряжение, ограниченное искажениями возвести в квадрат, и поделить на номинальное сопротивление эквивалента нагрузки. Для исследуемого усилителя выходная мощность, ограниченная искажениями равна 14.3 Вт.
     Согласно [11] под кратковременным максимальным выходным напряжением усилителя подразумевается максимальное выходное напряжение, которое может развивать усилитель при заданном сопротивлении нагрузки (независимо от формы выходного сигнала, соответственно и уровня общих гармонических искажений) спустя 1 секунду после подачи на вход синусоидального сигнала заданной частоты (опорной, обычно равной 1 кГц).
     Измерение данного напряжения производят аналогично предыдущему случаю, но с тем различием, что входное напряжение ступенями увеличивают до тех пор, пока напряжение на выходе не перестанет возрастать. Интервал времени между ступенями равен 60 секунд, а длительность подачи сигнала – до установления стабильных показаний встроенного вольтметра (т.к. ГОСТ требует использовать самописец и регистрировать сигнала на выходе ровно через 1 секунду после подачи напряжения на вход усилителя, что в радиолюбительских условиях невозможно).
     На фото ниже показан результат измерения кратковременного максимального выходного напряжения исследуемого усилителя. По фото видно, что действующее значение напряжения равно 10.3 Вольта.

     Для вычисления кратковременной максимальной выходной мощности необходимо кратковременное максимальное выходное напряжение возвести в квадрат, и поделить на номинальное сопротивление эквивалента нагрузки. Для исследуемого усилителя кратковременная максимальная выходная мощность равна 26.5 Вт (при описании мной ламповых усилителей данная мощность соответствует максимальной мощности, которую усилитель способен развивать в клиппинге).
     Измерение долговременной максимальной выходной мощности и долговременного максимального выходного напряжения измерительным комплексом для рассматриваемого усилителя невозможно т.к. требует подачи на вход шумового сигнала с нормированным спектром и уровнем в 10 раз выше номинального значения.
     В некоторых случаях для усилителя дополнительно измеряется выходная мощность, ограниченная температурой, которая в общем случае может быть ниже, чем максимальная мощность, ограниченная искажениями (в случае экономии производителя на охлаждении активных компонентов, например, или при особых условиях работы усилителя). Для данного усилителя не целесообразно производить измерение данной мощности т.к. в конструкции нет элементов, способных выйти из строя даже при постоянной работе с выходной мощностью, равной кратковременной максимальной выходной мощности. На этом измерение выходных мощностей и напряжений можно считать законченными.
     В следующей части статьи мы продолжим знакомство с методами измерения различных параметров усилителя с использованием измерительного комплекса Visual analyser [14].
     На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко.

1. Параметры 6Г2
2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21.
3. Параметры 6Н6П
4. Морган Джонс, Ламповые усилители. Второе издание, Москва: Издательство «ДМК Пресс», 2011 г.
5. Параметры 6П3С
6. Параметры LM317L
7. Официальный сайт Торел
10. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.
11. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
12. Параметры 6П3С
13. ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
14. Официальный сайт Visual analyser

 

Все вопросы в Форум.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

---

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Характеристики усилителей

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.

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.

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.

Усилитель низкой частоты

Цель работы: Изучение работы электронных усилителей и их схемотехника. Экспериментальное и компьютерное исследование влияния ООС на основные характеристики усилителя низкой частоты.

1. Введение. Основные понятия

Для увеличения амплитуды напряжения или силы тока, а также мощности электрических сигналов используют специальные устройства, называемые электронными усилителями.

Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом работы и нелинейным.

К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения и тока, составляющих во времени входной сигнал.

Важнейшим показателем усилителей, как линейных четырехполюсников с линейным режимом работы является комплексный коэффициент передачи по напряжению или току:

.

Величина является комплексной, т.е. характеризует изменение как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе. Модуль коэффициента передачи усилителяназываюткоэффициентом усиления. Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определенного для гармонического входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частоты носит названиефазово-частотной характеристики усилителя.

В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяются на:

• усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока – УПТ),

• усилители низкой частоты (УНЧ),

• усилители высокой частоты (УВЧ),

• широкополосные, импульсные усилители (ШПУ),

• избирательные, узкополосные усилители (УПУ).

Характерная особенность УПТ – способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к (f_н  0). Верхняя граница частоты f_в в УПТ может составлять в зависимости от назначения 10³  10⁸ Гц. УНЧ характеризуются частотным диапазоном от десятков герц до десятков килогерц. УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ – имеют нижнюю границу частот примерно такую же, как у УНЧ, а верхнюю – как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители. УПУ – характеризуются пропусканием узкой полосы частот.

K K K K K

f_в f f_н f_в f f_н f_в f f_н f_в f f_o f

В усилителях с нелинейным режимом работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. В зависимости от закона изменения выходного сигнала от входного , к усилителям с нелинейным режимом работы можно отнести: усилители ограничители, логарифмические усилители и т. п. В зависимости от характера нагрузки и назначения различают также усилители: напряжения, тока и мощности, хотя такое деление условно, так как в любом случае по существу усиливается мощность.

Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителей.

Коэффициент усиления. Коэффициент усиления по напряжению различных усилителей достигает десятков тысяч. Часто для достижения необходимогоиспользуют многокаскадные усилители, в которыхпредыдущего каскада являетсядля следующего и общий коэффициент усиления равен:

.

Коэффициент усиления — величина безразмерная и в ряде случаев принято усилительные свойства выражать в логарифмических единицах – децибелах:

.

Для многокаскадного усилителя:

.

Используют также коэффициент усиления по току и по мощности, которые тоже можно выражать в децибелах.

.

Входное и выходное сопротивление. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого присоединен источник усиливаемого сигнала с ЭДС Е_вх и внутренним сопротивлением R_вт, а к выходным — сопротивление нагрузки R_н .Для выходной цепи усилитель представляет источник ЭДС Е_вых с внутренним сопротивлением R_вых.

Для усиливаемого сигнала усилитель характеризуется входным сопротивлением . Сопротивление R_вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке.

R_вт R _вых I_вых=I_н

Е_вх U_вх R_вх E_вых U_вых R_н

I_вх

Усилитель

Протекающий от источника сигнала в усилитель ток и входное напряжение определяют формулами:

.

В зависимости от соотношения между R_вт и R_вх источник сигнала может работать в режимах: а) холостого хода, если R_вх > R_вт, когда ; б) короткого замыкания, если R_вх < R_вт и значит I_вх  E_вх / R_вт; в) согласования, когда R_вх  R _вт и в усилитель передается наибольшая мощность.

Мощность, передаваемая усилителю:

Приравняв нулю производную , получим. При этом в усилитель поступает, т.е. четверть потенциальной мощности источника сигнала. Аналогичные режимы работы возможны и для выходной цепи.

При согласовании нагрузки и выходного сопротивления усилителя в нагрузке выделяется наибольшая мощность.

Выходная мощность. При чисто активной нагрузке и синусоидальном напряжении

,

где — действующее и амплитудное значение выходного напряжения;— амплитуда тока в нагрузке.

Коэффициент полезного действия. КПД , где Р_– мощность, потребляемая усилителем от источников питания.

Следует отметить, что любой усилитель, на каком бы виде энергии он ни функционировал, является, по существу, лишь регулятором для мощности Р_вых, пропускаемой от источника питания в нагрузку, а входной сигнал лишь регулирует значение этой пропускаемой мощности, затрачивая на это мощность Р_вх.

Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Её снимают при гармоническом входном сигнале для области средних частот.

Типичный вид амплитудной характеристики показан на рисунке. Участок 1-3 соответствует пропорциональному усилению. Участок ниже точки 1 амплитудной характеристики не используется, так как полезный сигнал трудно отличить от собственных шумов усилителя.

U_{вых. м.}

4

U_max3 U_вых.3

2 U_вых.2

U_min. 1 U_вых.1

U_{вх. м.}

Участок 3 – 4 соответствует нарушению пропорциональной зависимости выходного напряжения от входного. Участок за точкой 4 соответствует состоянию ограничения выходного сигнала. Отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому , называетсядинамическим диапазоном усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика. (АЧХ) Это зависимость коэффициента усиления (по напряжению) от частоты усиливаемого сигнала:

.

Примерный вид АЧХ для различных типов усилителей показан на рисунке классификации усилителей по частотному диапазону усиливаемых сигналов. Величина указывает на полосу пропускания усилителя в частотном диапазоне.

Фазочастотная характеристика. (ФЧХ) Она представляет собой зависимость угла сдвига фаз “” между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты сигнала.

Нелинейные искажения. Они представляют собой степень изменения формы кривой усиливаемого сигнала. Основная причина их возникновения – нелинейность характеристик усилительных элементов. На рисунке в качестве примера приведена входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, и показано, как искажается форма тока , т.е. входного тока усилителя, по сравнению с синусоидальной формой входного напряжения. В результате нелинейных искажений выходное напряжение усилителя содержит кроме постоянной составляющей и основной (первой) ещё и высшие гармонические составляющие.

I _б I _б +I _m

— I _m

U_бэ t

U_вх

t

Степень искажения сигнала усилителем оценивается коэффициентом нелинейных искажений, представляющим квадратный корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:

,

или близким к нему коэффициентом гармоник:

,

где — действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе. Эти коэффициенты часто выражают в %.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя – не бывает ничего идеального

Амплитудно-частотная характеристика — это двухмерный график, показывающий, насколько неравномерно усиливается сигнал в зависимости от его частоты. Если говорить об усилителях низкой частоты, то есть акустической аппаратуре, то АЧХ определяет натуральность и естественность воспроизведения звука.

Искажения аудиосигнала бывают линейными и нелинейными. К нелинейным относят изменение формы выходного сигнала, а к линейным – неравномерность усиления при сохранении его формы.

Амплитудная характеристика усилителя обладает особенностью: деления на оси абсцисс, на которой нанесена шкала частот в слышимом диапазоне, имеет логарифмическую градуировку, — чем выше частота, тем интервалы между делениями меньше. Такой способ отображения оправдан особенностями человеческого слуха, который различает модуляции тем меньше, чем выше их тон.

Идеальная амплитудно-частотная характеристика выглядела бы прямой горизонтальной линией. Но, как известно, создать усилитель, абсолютно равномерно и одинаково воспроизводящий весь спектр даже на относительно узком диапазоне слышимых звуков, практически невозможно. Все дело в характеристиках электронных компонентов, составляющих схему (как усилительных, полупроводниковых или ламповых, так и вспомогательных, емкостей и индуктивностей). Любой транзистор, микросхема, или лампа имеют собственную АЧХ. Только тщательная настройка, предусмотренная конструкцией всего устройства, позволяет компенсировать неидеальность отдельных составляющих. Достигаться это может и подбором деталей, и глубокой отрицательной обратной связью, уменьшающей как линейные, так и нелинейные искажения.

Так как идеальной амплитудно-частотная характеристика быть не может, то можно говорить лишь о том, в какой степени она отклоняется от линии, параллельной оси абсциссы. Принято считать, что изменение коэффициента усиления в пределах трех децибел для слуха человека некритично, поэтому частотный диапазон определяется как интервал между пересечением линии, лежащей на 3 dB ниже пикового значения усиления (обычно в районе 1000 Гц) с линией характеристики в местах так называемых «концевых загибов». Не следует считать, что частоты ниже и выше границ частотного диапазона «не пропускаются», просто их ощутимо хуже слышно.

Снять АЧХ усилителя можно с помощью простых приборов (осциллографа и генератора звуковых частот), или используя точный вольтметр. Для этого нужно подавать на вход устройства сигнал одинаковой величины, например, 200 мВ, и разных частот, и измерять его интенсивность на выходе, нанося данные на график. На радиозаводах принято регулировать равномерность АЧХ с помощью специального всеволнового генератора, подающего на вход весь диапазон, и измерителя, наглядно демонстрирующего диаграмму на экране. В условиях производства так получается значительно быстрее достичь результата.

Акустические системы, служащие полезной нагрузкой для усилителя, в свою очередь, имеют собственные характеристики, и они тоже далеко не идеальны. С целью компенсации суммарной АЧХ в конструкции усилителя предусмотрены такие устройства, как регуляторы тембра или многополосные эквалайзеры. Аппаратура класса Hi-End таких настроек не имеет, их амплитудно-частотная характеристика настолько тщательно настроена и согласована с комплектными АС, что, кроме ручки громкости и тумблера включения, других приспособлений управления не требуется.

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЯ | Техника и Программы

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость коэффи­циента усиления К от частоты f сигнала, поданного на вход усилителя. Это один из важнейших параметров, так как если К{}) неравномерна, т. е. не пря­молинейна, то это сигнализирует о том, что усилитель по-разному усиливает сигналы разных частот, тем самым внося частотные искажения. Правда, частот­ная характеристика реального усилителя (рис. 19) никогда не бывает абсолютно прямолинейной, на ней есть подъемы и провалы, причем часто эти неравномерности в усилении создают искусственно, чтобы ком­пенсировать неравномерности ча­стотных характеристик головок громкоговорителей и модуляции высокочастотного сигнала, зава­лы частотной характеристики маг­нитных лент при звукозапи­си и т. п.

Рис. 19. Частотная характеристика УЗЧ

Но в любом слу­чае неравномерность частотной характеристики должна находиться в определенных пределах, задаваемых в децибелах относительно исходно­го уровня — усиления сигнала частотой 1000 Гц. Поэтому по верти­кальной оси характеристики обычно откладывают не значение коэффи­циента усиления, равного u_ВЫХ/u_вх, а частотных искажений в децибелах М = = 20 lg (Ko/K_f), где Ко и К_f — коэффииценты усиления по напряжению соответ­ственно на частоте 1000 Гц ,и на частоте f. Таким образам коэффициент ча­стотных искажений М показывает, на сколько децибел усиление на данной ча­стоте отличается от усиления на частоте 1000 Гц, и, как было уже отмечено, допустимые пределы этого отличия зависят от конкретного назначения усили­теля. Например для обеспечения возможно более равномерного усиления по диапазону М=3 дБ вполне допустим. И вообще в радиотехнике неравномер­ность в 3 дБ (т. е. в 1,41 раза) считается вполне допустимой погрешнюютью. На рис. 20 показаны соединения приборов для снятия частотной характе­ристики усилителя. Это основная схема соединения приборов с усилителем для измерения всех основных параметров. Особое внимание следует уделить согла­сованию выхода ЗГ со входом усилителя. К выходу усилителя надо подклю­чить эквивалент нагрузки, равный полному сопротивлению звуковой катушки головки громкоговорителя или магнитной головки, если испытывается усилитель магнитофона. Вообще же желательно испытывать усилитель с той нагрузкой, с которой он будет работать. При определении частотной характеристики уси­лителя очень важно правильно выбрать уровень входного сигнала. Чтобы при этом не ошибиться, надо предварительно измерить его чувствительность и не­линейные искажения. Чувствительность — это наименьшее напряжение входного сигнала, обеспечивающее усилителю йамйнальную выходную мощность, т ё та кую мощность, лри которой нелинейные искажения не превышают заданного значения Поскольку существует определенная взаимосвязь параметров уоили-теля, поступают следующим образом: регулятор громкости устанавливают на максимальное усиление, ЗГ настраивают на частоту 1000 Гц, постепенно уве­личивают его выходное напряжение и одновременно измерителем гармоник или, в крайнем случае, по осциллограмме измеряют коэффициент гармоник Как только он достигнет заданного максимального значения, измеряют напряжение на входе U_Вх и выходе U_вых усилителя, и тогда номинальная выходная мощ­ность на нагрузке Rн=U²_выx/R_в При данной номинальной выходной мощности R_B именно напряжение U_BX характеризует чувствительность усилителя Его можно измерить любым электронным вольтметрам, в то время как выходное напряжение и_вы% желательно измерять вольтметром, детектор которого pea гирует на среднеквадратическое значение напряжения Объясняется это тем что на входе усилителя форма сигнала строго синусоидальная (коэффициент гармоник сигнала на выходе ЗГ обычно не превышает 0 5%), а вот на его вы ходе при номинальной мощности коэффициент гармоник может достигать 5% и более, что дает уже заметную погрешность градуировки вольтметра с пиковым детектором — его показания будут занижены Кстати, при пользовании изме рителем гармоник надо помнить, что его вольтметр чувствителен к среднеквад ратическому значению измеряемого напряжения, поэтому вольтметром можно из мерять напряжение U_ВЫх.

Рис. 20. Включение измерительных приборов для измерения параметров УЗЧ

Помимо номинальной выходной мощности усилителя иногда определяют мощность, при которой коэффициент гармоник равен 10%, т е максимальную мощность Р_mах.

Итак, допустим, что номинальное входное напряжение U_BX ном измерено Очевидно, что это будет то максимальное напряжение, которое может ока заться на входе усилителя в реальных условиях Уровень входного сигнала при определении частотной характеристики усилителя выбирают 0,5U_{В1 ном}, ис исходя из следующих соображений. Если принять уровень испытательного сиг­нала равным U_{вх ном}, то возникнут некоторые ограничения по максимуму в каскадах усилителя в насыщении магнитопровода выходного трансформатора и т п, а ведь именно по этим причинам возрастают нелинейные искажения Все это, влияя на форму частотной характеристики, исказит ее по сравнению с характеристикой при работе усилителя с меньшими уровнями входного сиг­нала Если же выбрать очень малый уровень испытательного сигнала, то бу­дут сказываться нелинейные начальные участки характеристик транзисторов вы-ходного каскада, напряжения шумов, паразитные наводки, что тоже приведет к искажению формы частотной характеристики Поэтому выбирают «золотую середину» — 0,5U_{вх ном}, что, кстати, соответствует наиболее вероятному в ра­бочих условиях уровню входного сигнала

Рис 21 Амплитудная характе ристика УЗЧ

При определении возможных уровней входного сигнала можно определить и амплитудную характеристику усилителя на частоте 1000 Гц Для этого уста­навливают U_Bx = l,5U_{BX ном}, измеряют и записывают соответствующее ему и_вых Затем уменьшают U_BZ (делителем на выходе ЗГ), вновь измеряют Uвых, и так до минимально возможного напряжения входного сигнала (уровня, при ко­тором сигнал на выходе менее чем на 3 дБ, т е примерно в 1,5 раза, превышает шумы усилителя) По результатам измерений строят амплитудную характе­ристику усилителя (рис 21) Масштаб оси м_вх лучше брать логарифмическим, так как входное напряжение изменяется в боль ших пределах от милливольт до деся­тых долей вольта Желательно чтобы эта характеристика быча более линейной, хотя иногда нужны усилители с опреде ленной формой амплитудной характери стики, например с логарифмической за висимостью усиления Для обычных УЗЧ допустимы небольшие отклонения от ли­нейности, особенно в области минимальных и максимальных входных напряжений.

Как уже говорили, при определении частотной характеристики усилителя Уровень входного сигнала устанавливают равным 0,5U„х ном, затем измеряют и записывают выходное напряжение на частоте 1000 Гц, которое будет нуле вым уровнем Затем частоту ЗГ последовательно изменяют в сторону снагаала Уменьшения затем увеличения, поддерживая уровень его входного напряже ния равным 0,5U„х ном Для каждой частоты записывают соответствующее вы­ходное напряжение Поскольку U_BX в процессе измерения неизменно, то U_ВЫх, нанесенные на график в координатах U_Bha(f), покажут зависимость коэффи­циента усиления К=U_выт/U_вх от частоты f (см рис 19) Ее можно построить и ^в значениях коэффициента частотных искажений Af=20 lg(U_Bbi_XmafU_{Bblx f}).

При градуировке выходных делителей ЗГ в децибелах частотную характеристику можно получить и без вычислений. Для этого замечают показания вольтмегра на выходе усилителя, а затем для каждой из частот устанавливают делителем выходное напряжение ЗГ, при котором отклонение стрелки вольтетра остается неизменным. Тогда коэффициент частотных искажений в децибелах для данной частоты будет равен изменению выходного напряжения ЗГ. Например, если при сигнале частотой 1000 Гц для отклонения стрелки вольт­метра на некоторый угол при уровне входного сигнала U_Вх = 0,5Uвх.ввм де­литель ЗГ будет установлен в положение 24 дБ, а при переходе на частоту 4000 Го, для такого же отклонения стрелки вольтметра на выходе усилителя делитель генератора приходится поставить в положение 27 дБ, то на этой ча­стоте мы имеем подъем частотной характеристики усилителя на 3 дБ относи­тельно уровня на частоте 1000 Гц. Но не следует забывать, что при пере­стройке ЗГ с одной частоты на другую, его выходное напряжение может из­меняться, поэтому по встроенному вольтметру генератора надо следить, чтобы напряжение на входе делителя на частоте 4000 Гц было таким же, как и при сигнале частотой 1000 Гц.