Основные характеристики усилителя низкой частоты

Одной из основных характеристик усилителей с линейным режимом работы, как линейных четырёхполюсников, является комплексный коэффициент передачи по напряжению (току):

K_u(f) = = |K_u(f)| e^jφ_k^(f)

Величина Ku (f) 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 усилителя K_u (f) называют коэффициентом усиления.

Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определённого для гармонического входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой усилителя.

Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частоты φ_u (f) называется фазово-частотной характеристикой усилителя.

УНЧ являются элементом усилительного устройства, которое должно содержать также источник сигнала, нагрузку и источник питания (рис. 1).

Основное назначение УНЧ – усиливать мощность сигнала, т.е. при подаче на вход УНЧ электрического сигнала малой мощности получать на нагрузке сигнал той же формы, но большей мощности. Для усиления мощности УНЧ преобразует энергию источника питания с помощью усилительных приборов. В некоторых случаях УНЧ имеет и вспомогательное значение – осуществляет коррекцию формы сигнала.

Рис.1

Структурная схема УНЧ

По полосе усиливаемых частот (от нижней частоты диапазона до верхней) УНЧ делятся на усилители постоянного и переменного тока.

Усилители постоянного тока (УПТ) – усилители медленно изменяющихся напряжений или токов.

Усилители переменного тока усиливают только переменную составляющую тока в необходимой спектральной полосе.

Усилители звуковых частот – УНЧ, усиливающие сигналы в полосе частот, воспринимаемых ухом человека.

Для оценки УНЧ кроме коэффициента усиления, АЧХ и ФЧХ часто используются следующие электрические параметры:

Рабочий диапазон частот– интервал значений (от нижней частоты до верхней), в котором коэффициент усиления изменяется по определенному закону с известной степенью точности.

Неравномерность частотной характеристики– наибольшее отклонение коэффициента усиления в заданном диапазоне частот от значения K₀, определённого для средней частоты.

Коэффициент частотных искажений Мхарактеризует неравномерность АЧХ. М– отношение коэффициента усиления в области средних частот K₀ к коэффициенту усиления на границе заданного диапазона частот. Различаются коэффициенты частотных искажений в области нижних частот и верхних частот.

Коэффициент нелинейных искаженийопределяет степень искажения входного синусоидального сигнала усилителем и оценивается как квадратный корень из отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала к полной выходной мощности:

К_н =

или близким к нему коэффициентом гармоник:

К_г = =

где U₁, U₂, U_n- действующие (или амплитудные) значения первой, второй и т.д. гармоник выходного напряжения при синусоидальном сигнале на входе.

Номинальная выходная мощность - мощность, выделяемая УНЧ в нагрузке и заданная техническими требованиями.

Номинальное выходное напряжение – напряжение на нагрузке, соответствующее номинальной выходной мощности. Это напряжение связано с номинальным сопротивлением нагрузки Rнсоотношением

=

Номинальное входное напряжение – напряжение, подаваемое на вход УНЧ, при котором на выходе создается номинальная мощность.

Напряжение соответствует чувствительности УНЧ.

Входное сопротивлениеZвх– сопротивление для токов низкой частоты, измеренное между входными зажимами УНЧ. В области средних частот входное сопротивление обычно оказывается активным Rвх.

Выходное сопротивлениеZвых– сопротивление для токов низкой частоты, измеренное между выходными зажимами УНЧ (при условии, что источник сигнала включен, но его напряжение равно нулю). В области средних частот выходное сопротивление обычно оказывается активным Rвых.

Общая потребляемая мощность P0 – мощность, потребляемая УНЧ от источников питания, при номинальной выходной мощности .

Номинальная выходная мощностьопределяет верхний предел выходной мощности, при котором все характеристики качества звучания по электрическому напряжению соответствуют нормам.

Фон– среднеквадратическая сумма спектральных составляющих выходного сигнала, возникающих в результате недостаточной фильтрации напряжения питания.

Основными элементами структурной схемы УНЧ (рис. 1) являются предварительный усилитель (ПУ) и усилитель мощности (УМ). К дополнительным элементам УНЧ относятся: цепи частотной коррекции и цепи обратной связи (ОС), кроме того в состав УНЧ часто включают регулятор усиления.

Усилитель мощности может содержать один или несколько каскадов усиления и предназначен для создания необходимой мощности в нагрузке.

Предварительный усилитель (или усилитель напряжения) служит для усиления слабого входного сигнала и создания необходимого уровня напряжения на входе усилителя мощности, он также может содержать один или несколько усилительных каскадов, причем часто в качестве входного каскада применяют эмиттерные (истоковые) повторители для лучшего согласования с источником сигнала.

Регулятор усиления в усилителях звуковой частоты используется в качестве регулятора громкости.

Цепи коррекции используются для изменения частотной характеристики УНЧ, в частности, к цепям частотной коррекции относится регулятор тембра.

Коррекция частотной характеристики УНЧ часто применяется для компенсации искажений АЧХ источника входного сигнала (например, звукоснимающей магнитной головки в магнитофонах) или АЧХ нагрузки (например, звуковых колонок).

Усилители мощности

Усилителем мощности обычно называют выходной каскад усилителя сигнала. Значительная часть мощности, потребляемой УНЧ от источников питания, рассеивается усилителем мощности. Когда отдаваемая в нагрузку мощность полезного сигнала становится соизмеримой с потребляемой усилителем мощностью, возникает вопрос экономии энергии источника питания, для этого, прежде всего, следует уменьшить мощность, выделяющуюся в схеме самого выходного каскада.

Можно выделить несколько основных режимов работы (классов) выходного каскада усилителя мощности.

Режим класса А. Рабочая точка (р.т.), определяющая состояние схемы при отсутствии сигнала, выбирается на линейном участке динамической вольт–амперной (передаточной) характеристики (рис. 2, а). Амплитуда входного напряжения U_yна управляющем электроде активного элемента (базе транзистора) для минимизации нелинейных искажений выбирается меньше величины напряжения смещения. Выходной ток I_выхпротекает непрерывно в течение всего периода сигнала и достаточно точно воспроизводит форму входного переменного напряжения, а положение рабочей точки не выходит за пределы прямолинейного участка динамической характеристики.

Достоинством режима классаА являются малые нелинейные искажения, недостатками – низкий КПД (отношение отдаваемой мощности к потребляемой, в УНЧ не более 25%) и относительно малая мощность в нагрузке. Поэтому режим класса А применяется в маломощных (до 3…5 Вт) однотактных выходных каскадах. В режиме класса А работают и все каскады усиления напряжения.

Рис. 2

Выбор рабочей точки усилителя

Режим класса В.Рабочая точка выбирается в самом начале динамической вольт–амперной характеристики (рис. 2б), в результате чего при отсутствии входного сигнала выходной ток практически равен нулю и выделяемая в каскаде мощность мала. Однако в этом случае каскад способен усиливать только одну полуволну гармонического сигнала (сигналы только одной полярности). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода (в течение другой половины периода активный элемент находится в состоянии отсечки) и имеет форму импульсов. Чтобы получить усиление полного сигнала применяются двухтактные схемы, в которых положительные составляющие сигнала усиливаются одним активным элементом, а отрицательные – другим. В нагрузке Rнусиленные компоненты сигнала складываются таким образом, что восстанавливается его первоначальная форма.

Достоинства усилителя мощности, работающего в режиме класса В, – высокий КПД (до 70%) и большая мощность сигнала в нагрузке, однако форма выходного сигнала искажена из-за нелинейного участка передаточной характеристики. Чистый режим класса В практически используют очень редко, значительно чаще используется так называемый смешанный или промежуточный режим АВ.

Режим АВ. Рабочая точка занимает промежуточное положение на передаточной характеристике (между началом координат и серединой линейного участка). За счет сдвига рабочей точки из нуля в начало линейного участка на передаточной характеристике при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает некоторый начальный ток покоя. При этом выбором максимальной амплитуды входного напряжения можно добиться, чтобы активный элемент не переходил в состояние отсечки и усиливал (с разной степенью искажений) обе полуволны синусоидального сигнала. Режим АВ работы усилителя характеризуется достаточно высоким КПД при относительно небольших нелинейных искажениях формы выходного сигнала.

Режим С– это режим, при котором выходной ток протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т.к. рабочая точка располагается левее точки начала координат на переходной характеристике (отрицательное смещение). Ток покоя отсутствует, поэтому КПД режима С выше, чем режима В и достигает 80% и более. В режиме С использование двухтактной схемы не дает возможности получить в выходной цепи сигнал той же формы, что и подаваемой во входную цепь, поэтому такой режим не применяют для усиления сигналов произвольной формы. Этот режим широко используется в мощных избирательных (резонансных) усилителях, где нагрузкой является параллельный резонансный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход синусоидального колебания или на одну из его высших гармоник.

Режим D– это ключевой режим работы, при котором транзистор может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Достоинство режима D заключается в очень высоком (близком к 100%) КПД. Его недостаток – значительное усложнение схемы усилителя. Такой режим широко используется в цифровой технике, во всевозможных управляющих, регулирующих, следящих устройствах, где вследствие высокого КПД и малого потребления энергии он находит широкое применение для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности.

Вариантов построения выходных каскадов усилителей мощности существует достаточно много. Выходные каскады бывают трансформаторными и бестрансформаторными. Применение согласующего трансформатора позволяет получить высокий КПД и малые нелинейные искажения.

Трансформаторные двухтактные выходные каскады чаще всего используются в режиме класса АВ, при котором КПД превышает 50%, бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном частот, меньшими размерами и массой. На рис. 3 приведены принципиальные схемы часто используемых в УНЧ усилителей мощности.

Схема однотактного усилительного каскада (усилителя напряжения) представлена на рис. 3, а. Положение рабочей точки задается резисторным делителем в цепи базы транзистора, такой усилитель работает режиме класса А.

На рис. 3, б представлена схема трансформаторного двухтактного выходного каскада, резисторный делитель обеспечивает необходимое смещение для работы в режиме АВ, согласующие трансформаторы обеспечивают оптимальное согласование входа усилителя с предварительным усилителем и выхода усилителя с нагрузкой. В данной схеме применены транзисторы одного типа (n–p–n).

Рис. 3

Выходные каскады усилителей мощности

Наиболее широкое распространение в выходных усилителях получили бестрансформаторные каскады (рис. 3, в) на транзисторах разного типа проводимости n–p–n и p–n–p, но со сходными характеристиками. Если питание такого усилителя осуществляется от однополярного источника, то неизбежно прохождение через нагрузку постоянной составляющей выходного тока, в этом случае нагрузку включают через разделительный конденсатор. Возможно использование в выходном каскаде транзисторов одного вида проводимости, но тогда предварительный усилитель должен содержать фазоинверсный каскад с двумя выходами – прямым и инверсным.