Основные технические показатели и характеристики аналоговых устройств

Технические показатели аналоговых устройств представляют количественную оценку его устройства. Техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, коэффициент полезного действия, чувствительность (номинальное входное напряжение), диапазон усиливаемых частот, линейные и нелинейные искажения; динамический диапазон, частотная, и фазочастотная, переходная характеристики.

КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯили коэффициентом передачи называют отношение выходного сигнала ко входному. Он определяется обычно в установившемся режиме при гармоническом (синусоидальном) входном сигнале.

В зависимости от характера входной и выходной величин коэффициент усиления подразделяют на коэффициент усиления по напряжению ; коэффициент усиления по току ; коэффициент усиления по мощности .

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов и представляет собой безразмерную величину

. (10.1)

Громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности. При сравнении мощности двух колебаний вводится логарифмическая единица – Бел или его десятая часть – децибел. Тогда коэффициент усиления, выраженный в логарифмических единицах, равен

,

, (10.2)

.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах, представляет собой сумму коэффициентов усиления отдельных каскадов усилителя, выраженных в тех же единицах

[дБ]. (10.3)

Коэффициенты усиления по напряжению и току в общем случае являются комплексными величинами, характеризуемыми модулем и фазой. Это вызвано тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных элементов схемы и частотных свойств активных элементов – транзисторов. Коэффициент усиления по мощности всегда есть число действительное, ибо он имеет смысл лишь при активном характере нагрузки.

ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.Усилитель можно представить в виде активного четырехполюсника, одна из возможных эквивалентных схем представлена на рис. 10.4. Ко входу усилителя (сечение 1–1) подключается источник входного сигнала в виде генератора напряжения с ЭДС E_г, имеющий внутреннее сопротивление Z_г. За счет источника входного сигнала во входной цепи протекает входной ток I_вх, который создает на входе усилителя (на входном сопротивлении) входное напряжение . Входное

сопротивление усилителя представляет собой сопротивление (полное Z_вх или резистивное R_вх) между входными зажимами усилителя и определяется выражением

. (10.4)

Характер входного сопротивления зависит от диапазона усиливаемых частот. В области низких частот реактивная составляющая входного сопротивления очень мала и на практике не учитывается.

Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки Z_н. Нагрузкой усилителя может быть оконечное устройство или вход последующего усилительного каскада.

Ко выходу усилителя (сечение 2-2) подключается нагрузка R_н, через которую протекает выходной ток I_вых. Выходное сопротивление (полное Z_вых или резистивное R_вых) определяют между выходными зажимами при отключенном сопротивлении нагрузки Z_н

.

Выходное сопротивление усилителя в области средних частот полосы пропускания практически активное (R_вых). В усилителях звуковых частот (УЗЧ) выходное сопротивление во много раз меньше сопротивления нагрузки , что необходимо для лучшего воспроизведения звука. Различие сопротивлений подавляет собственные колебания подвижной системы громкоговорителя и ослабляет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки. Отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению называют коэффициентом демпфирования

. (10.5)

Для усилителей высшего класса коэффициент демпфирования лежит в пределах от 10 до 100.

Если нагрузка связана с усилителем с помощью длинной линии (воздушной или кабельной, коаксиальной), то необходимо согласование выходного сопротивления усилителя с сопротивлением линии во избежание отражений, приводящих к искажениям формы сигнала.

ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ характеризуется номинальной выходной мощностью, развиваемой усилителем в нагрузке. Это мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений

, (10.6)

где U_{m вых} – амплитудное значение выходного напряжения.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счет нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигнала.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания

, (10.7)

где P₀ – мощность, потребляемая от источника питания.

Чувствительностью (НОМИНАЛЬНЫМ ВХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ) называют напряжение, которое нужно подвести ко входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающего требуемую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя. Минимально допустимое напряжение ограничивается уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых нельзя выделить полезный сигнал.

Величина МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ усилителя ограничена искажением формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках ВАХ транзистора.

Отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению называют ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ

; . (10.8)

ДИАПАЗОНОМ УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ (ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ) называется разность граничных частот , в которой коэффициент усиления усилителя изменяется по определенному закону с заданной точностью, допустимые изменения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Полоса пропускания частот усилителя должна быть больше или равна ширине спектра усиливаемых частот. Полоса пропускания усилителей зависит от класса и качества аппаратуры. С расширением полосы пропускания растет стоимость аппаратуры, усложняется конструкция, увеличивается воздействие на усилитель различного рода помех. На практике полосу пропускания сужают до минимальных пределов, обеспечивающих необходимое качество работы усилителя.

ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА. Кроме получения необходимого коэффициента усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы. Отклонение формы выходного сигнала от формы входного принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и линейные.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителя. При подаче па вход усилителя напряжения синусоидальной формы из-за нелинейности входной и выходной характеристики транзистора форма входного и выходного токов может отличаться от синусоидальной из-за появления составляющих высших гармоник. Это относится как к синусоидальному входному напряжению, так и ко входному сигналу любой другой формы. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (клир-фактор) усилителя, выраженным в процентах

,

где P₂, P₃, P_n – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й, n-й гармонических составляющих напряжения (U₂, U₃, U_n);

P₁ – мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения U₁.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов

.

Нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и не связаны с его частотой. Для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен иметь малую амплитуду. В связи с этим в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном возникают в предоконечных и выходных каскадах, на входе которых действуют сигналы большой амплитуды.

В усилителях звуковой частоты нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При К_г < 2…3 % они почти не заметны на слух. В высококачественных усилителях звуковой частоты К_г < 0,2 %, а в усилителях многоканальной связи – сотые и тысячные доли процента, что исключает взаимные помехи каналов.

ЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ определяются зависимостью параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Существуют линейные искажения трех видов: частотные, фазовые и переходные.

Частотные искажения связаны с несовпадением реальных и идеальных характеристик в рабочем диапазоне частот. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала.

Зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала К=F(f) принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). Она изображена на рис. 10.5,а.

Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально, гармонические составляющие входного сигнала усиливаются усилителем неодинаково, поскольку реактивные сопротивления элементов схемы по разному зависят от частоты.

Типичным для АЧХ является наличие так называемой области средних частот, в которой К почти не зависит от частоты и обозначается К₀. В диапазоне низких и высоких частот амплитудно-частотная характеристика спадает, имея неравномерность усиления.

Частоты усиления, на которых коэффициент усиления уменьшается в раз или на 3 дБ по сравнению со средней частотой, называют граничными частотами: нижняя f_н и верхняя f_в; разность частот называют полосой пропускания.

Степень искажения на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте К₀ к коэффициенту усиления на данной частоте. Наибольшие частотные искажения возникают на границах рабочего диапазона частот f_н и f_в

[дБ],

[дБ]. (10.9)

Из определения коэффициента частотных искажений следует, что если М>1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал, а если М<1, то подъем. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя определяется так

[раз],

[дБ]. (10.10)

Частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, таким образом, чтобы общий коэффициент частотных искажений не выходил за пределы заданного. Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются наличием сдвига фаз между входным и выходным сигналами, что вызывает появление фазовых искажений. Под фазовыми искажениями подразумевают сдвиги фаз, вызванные реактивными элементами усилителя, а поворот фазы усилительным каскадом не учитывается.

Фазовые искажения усилителя оцениваются его фазочастотной характеристикой j=F(f). График фазочастотной характеристики представляет собой зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты (рис. 10.5,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая линия, начинающаяся в начале координат (рис. 10.5,б пунктирная линия).

На практике амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики удобнее строить в логарифмическом масштабе по оси частот. Это удобно тем, что растягивается область нижних и сжимается область верхних частот.

Амплитудная характеристикаотражает зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 10.6). Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок характеристики ниже точки А не используется, ибо полезный сигнал трудно отличить от напряжения собственных помех и шумов. На участке АВ коэффициент усиления – величина постоянная, и этим участком амплитудной характеристики определяется динамический диапазон усилителя. Кроме того, с помощью линейного участка характеристики можно определить коэффициент усиления по напряжению. Выше точки В линейность зависимости выходного напряжения от

входного сигнала нарушается, в выходном напряжении появляются дополнительные частотные составляющие, возникают нелинейные искажения. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала. Эти ограничения обычно наступают в оконечных каскадах усилителя, работающих при наибольшем входном сигнале.

Амплитудная характеристика обладает хорошей наглядностью и позволяет качественно определить: коэффициент усиления; динамический диапазон; минимальные и максимальные допустимые значения входного сигнала; уровень собственных шумов.

Переходная характеристикавыражает зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рис. 10.7). Эта характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного состояния в другое. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Характер переходного процесса в усилителе во многом зависит от наличия реактивных элементов L, C, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости. Напряжение на выходе не может измениться скачкообразно при подаче на вход импульса.

Время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания t_нар. Превышение мгновенного значения напряжения над установившимся называют выбросом d и выражают в процентах. Существует так называемое критическое значение выброса, при котором d не зависит от числа каскадов усилителя. Неравномерность вершины нормированной переходной характеристики обозначается через D, измеряется как и выброс в процентах от стационарного значения и не должна превышать 10 % для усилителей высококачественного воспроизведения.