Основні параметри і характеристики підсилювачів. Загальні відомості про підсилювачі визначення підсилювача і підсилювального каскаду

Завдяки торговельним мережам та інтернет магазинах різноманітність пропонованої до продажу аудіоапаратури зашкалює за всі розумні межі. Яким чином вибрати апарат, що задовольняє вашим потребам до якості, істотно не переплативши?
Якщо ви не аудіофіла і підбір апаратури не є для вас сенсом життя, то найпростіший шлях - впевнено орієнтуватися в технічних характеристиках звукопідсилювальної апаратури та навчитися отримувати корисну інформацію між рядків паспортів і інструкцій, критично ставлячись до щедрим обіцянкам. Якщо ви не відчуваєте різниці між dB і dBm, номінальну потужність не відрізняється від PMPO і бажаєте нарешті дізнатися, що таке THD, також зможете знайти цікаве під катом.

Короткий зміст статті

Коефіціент посилення. Навіщо нам логарифми і що таке децибели?
Гучність звуку. Чим відрізняються dB від dBm?
Розділяй і володарюй - розкладаємо сигнал в спектр.
Лінійні спотворення і смуга пропускання.
Нелінійні спотворення. КНІ, КГИ, TDH.
Амплітудна характеристика. Зовсім коротко про шуми і перешкоди.
Стандарти вихідної потужності УНЧ і акустики.
Практика - найкращий критерій істини. Розборки з аудіоцентром.
Чайник дьогтю в банку меду.

Я сподіваюся що матеріали даної статті будуть корисні для розуміння наступної, яка має набагато складнішу тему - «Перехресні спотворення і зворотний зв'язок, як один з їх джерел».

Коефіціент посилення. Навіщо нам логарифми і що таке децибели?

Одним з основних параметрів підсилювача є коефіцієнт посилення - відношення вихідного параметра підсилювача до вхідного. Залежно від функціонального призначення підсилювача розрізняють коефіцієнти підсилення по напрузі, струму або потужності:

Коефіцієнт посилення по напрузі

Коефіцієнт посилення по струму

Коефіцієнт посилення по потужності

Коефіцієнт посилення УНЧ може бути дуже великим, ще більшими значеннями виражаються посилення операційних підсилювачів і радіотракт різної апаратури. Цифрами з великою кількістю нулів не дуже зручно оперувати, ще складніше відображати на графіку різного роду залежності мають величини, що відрізняються між собою в тисячу і більше разів. Зручний вихід з положення - уявлення величин в логарифмічному масштабі. В акустиці це подвійно зручно, оскільки вухо має чутливість близьку до логарифмічною.
Тому коефіцієнт посилення часто висловлюють в логарифмічних одиницях - децибелах (російське позначення: дБ; міжнародне: dB)

Спочатку дБ використовувався для оцінки відносини потужностей, тому величина, виражена в дБ, передбачає логарифм відносини двох потужностей, а коефіцієнт посилення за проектною потужністю обчислюється за формулою:

Трохи іншим чином йде справа з «неенергетичних» величинами. Для прикладу візьмемо струм і висловимо через нього потужність, скориставшись законом Ома:

тоді величина виражена в децибелах через струм буде дорівнює наступного виразу:

Аналогічно і для напруги. В результаті отримуємо такі формули для обчислення коефіцієнтів посилення:

Коефіцієнт посилення по струму в дБ:

Коефіцієнт посилення по напрузі в дБ:

Гучність звуку. Чим відрізняються dB від dBm?

В акустиці «рівень інтенсивності» або просто гучність звуку L теж вимірюють в децибелах, при цьому даний параметр є не абсолютним, а відносним! Все тому, що порівняння ведеться з мінімальним порогом чутності людським вухом звуку гармонійного коливання - амплітудою звукового тиску 20 мкПа. Оскільки інтенсивність звуку пропорційна квадрату звукового тиску можна написати:

де не ток, а інтенсивність звукового тиску звуку з частотою 1 кГц, який приблизно відповідає порогу чутності звуку людиною.

Таким чином, коли говорять, що гучність звуку дорівнює 20 дБ, це означає, що інтенсивність звукової хвилі в 100 разів перевищує поріг чутності звуку людиною.
Крім цього, в радіотехніці надзвичайно поширена абсолютна величина вимірювання потужності dBm (Російське дБм), яка вимірюється щодо потужності в 1 мВт. Потужність визначається на номінальному навантаженні (для професійної техніки - зазвичай 10 кОм для частот менше 10 МГц, для радіочастотної техніки - 50 Ом або 75 Ом). Наприклад, « вихідна потужність підсилювального каскаду становить 13 дБм »(тобто потужність, що виділяється на номінальній для цього підсилювального каскаду навантаженні, становить приблизно 20 мВт).

Розділяй і володарюй - розкладаємо сигнал в спектр.

Пора переходити до більш складної теми - оцінці спотворень сигналу. Для початку доведеться зробити невеликий вступ і поговорити про спектрах. Справа в тому, що в звукотехніці і не тільки прийнято оперувати сигналами синусоїдальної форми. Вони часто зустрічаються в навколишньому світі, оскільки величезна кількість звуків створюють коливання тих чи інших предметів. Крім того, будова слухової системи людини відмінно пристосоване для сприйняття синусоїдальних коливань.
Будь-яке синусоїдальне коливання можна описати формулою:

де довжина вектора, амплітуда коливань, - початковий кут (фаза) вектора в нульовий момент часу, - кутова швидкість, яка дорівнює:

Важливо, що за допомогою суми синусоїдальних сигналів з різною амплітудою, частотою і фазою, можна описати періодично повторювані сигнали будь-якої форми. Сигнали, частоти яких відрізняються від основної в ціле число раз, називаються гармоніками вихідної частоти. Для сигналу з базовою частотою f, сигнали з частотами

будуть парними гармоніками, а сигнали

непарними гармоніками

Давайте для наочності зобразимо графік пилообразного сигналу.

Для точного уявлення його через гармоніки буде потрібно нескінченне число членів.
На практиці для аналізу сигналів використовують обмежену кількість гармонік з найбільшою амплітудою. Наочно подивитися процес побудови пилообразного сигналу з гармонік можна на малюнку нижче.

А ось як формується меандр, з точністю до п'ятдесятої гармоніки ...

Детальніше про гармониках можна почитати в чудовій статті habrahabr.ru/post/219337 користувача dlinyj, а нам пора переходити нарешті до спотворень.
Найбільш простим методом оцінки спотворень сигналів є подача на вхід підсилювача одного або суми декількох гармонійних сигналів і аналіз спостерігаються гармонійних сигналів на виході.
Якщо на виході підсилювача присутні сигнали тих же гармонік, що і на вході, спотворення вважаються лінійними, тому-що вони зводяться до зміни амплітуди і фази вхідного сигналу.
Нелінійні спотворення додають в сигнал нові гармоніки, що призводить до спотворення форми вхідних сигналів.

Лінійні спотворення і смуга пропускання.

Коефіціент посилення До ідеального підсилювача не залежить від частоти, але в реальному житті це далеко не так. Залежність амплітуди від частоти називають амплітудно частотної характеристикою - АЧХ і часто зображують у вигляді графіка, де по вертикалі відкладають коефіцієнт посилення по напрузі, а по горизонталі частоту. Зобразимо на графіку АЧХ типового підсилювача.

Знімають АЧХ, послідовно подаючи на вхід підсилювача сигнали різних частот певного рівня і вимірюючи рівень сигналу на виході.
Діапазон частот ΔF, В межах якого потужність підсилювача зменшується не більше, ніж в два рази від максимального значення, називають смугою пропускання підсилювача.

Однак, на графіку зазвичай відкладають коефіцієнт посилення по напрузі, а не по потужності. Якщо позначити максимальний коефіцієнт посилення по напрузі, як, то в межах смуги пропускання коефіцієнт не повинен опускатися нижче ніж:

Значення частоти і рівня сигналів, з якими працює УНЧ, можуть змінюватися дуже істотно, тому АЧХ зазвичай будують в логарифмічних координатах, іноді його називають при цьому ЛАЧХ.

Коефіцієнт посилення підсилювача висловлюють в децибелах, а по осі абсцис відкладають частоти через декаду(Інтервал частот відрізняються між собою в десять разів). Чи не правда так графік виглядає не тільки симпатичніше, але і інформативніше?
Підсилювач не тільки нерівномірно підсилює сигнали різних частот, але ще й зрушує фазу сигналу на різні значення, залежно від його частоти. Цю залежність відбиває фазочастотная характеристика підсилювача.

При посиленні коливань тільки однієї частоти, це начебто не страшно, але ось для більш складних сигналів призводить до суттєвих перекручень форми, хоча і не породжує нових гармонік. На зображенні знизу показано як спотворюється двочастотний сигнал.

Нелінійні спотворення. КНІ, КГИ, TDH.

Нелінійні спотворення додають в сигнал раніше не існували гармоніки і, в результаті, змінюють вихідну форму сигналу. Мабуть найбільш наочним прикладом таких викривлень може служити обмеження синусоїдального сигналу по амплітуді, зображене нижче.

На лівому графіку показані спотворення, викликані наявністю додаткової парному гармоніки сигналу - обмеження амплітуди однієї з полуволн сигналу. Вихідний синусоїдальний сигнал має номер 1, коливання другої гармоніки 2, а отриманий спотворений сигнал 3. На правому малюнку показаний результат дії третьої гармоніки - сигнал «обрізаний» c двох сторін.

За часів СРСР нелінійні спотворення підсилювача було прийнято висловлювати за допомогою коефіцієнта гармонійних спотворень КГИ. Визначався він у такий спосіб - на вхід підсилювача подавався сигнал певної частоти, зазвичай 1000 Гц. Потім проводилося обчислення рівня всіх гармонік сигналу на виході. За КГИ брали відношення середньоквадратичної напруги суми вищих гармонік сигналу, крім першої, до напруги першої гармоніки - тієї самої, частота якої дорівнює частоті вхідного синусоїдального сигналу.

Аналогічний зарубіжний параметр іменується як - total harmonic distortion for fundamental frequency.

Коефіцієнт гармонійних спотворень (КДІ або)

Така методика буде працювати тільки в тому випадку, якщо вхідний сигнал буде ідеальним і містити лише основну гармоніку. Ця умова вдається виконати не завжди, тому в сучасній міжнародній практиці набагато більшого поширення отримав інший параметр оцінки ступеня нелінійних спотворень - КНІ.

Зарубіжний аналог - total harmonic distortion for root mean square.

Коефіцієнт нелінійних спотворень (КНС або)

КНІ - величина дорівнює відношенню середньоквадратичної суми спектральних компонент вихідного сигналу, відсутніх в спектрі вхідного сигналу, до середньоквадратичної суми всіх спектральних компонент вхідного сигналу.
Як КНІ, так і КГИ відносні величини, які вимірюються у відсотках.
Величини цих параметрів пов'язані співвідношенням:

Для сигналів простої форми величина спотворень може бути обчислена аналітично. Нижче наведені значення КНІ для найбільш поширених в аудіотехніки сигналів (значення КГИ зазначено в дужках).

0% (0%) - форма сигналу являє собою ідеальну синусоїду.
3% (3%) - форма сигналу відрізняється від синусоїдальної, але спотворення непомітні на око.
5% (5%) - відхилення форми сигналу від синусоїдальної помітною на око по осциллограмме.
10% (10%) - стандартний рівень спотворень, при якому вважають реальну потужність (RMS) УМЗЧ, помітний на слух.
12% (12%) - ідеально симетричний трикутний сигнал.
21% (22%) - «типовий» сигнал трапецеидальной або ступінчастою форми. 43% (48%) - ідеально симетричний прямокутний сигнал (меандр).
63% (80%) - ідеальний пилкоподібний сигнал.

Ще років двадцять тому для вимірювання гармонійних спотворень низькочастотного тракту використовувалися складні дорогі прилади. Один з них СК6-13 зображений на малюнку нижче.

Сьогодні з цим завданням набагато краще справляється зовнішня комп'ютерна аудіокарта з комплектом спеціалізованого ПЗ, загальною вартістю не перевищують 500USD.

Спектр сигналу на вході звукової карти при тестуванні підсилювача низької частоти.

Амплітудна характеристика. Зовсім коротко про шуми і перешкоди.

Залежність вихідної напруги підсилювача від його вхідного, при фіксованій частоті сигналу (зазвичай 1000Гц), називається амплітудною характеристикою.
амплітудна характеристика ідеального підсилювача вдає із себе пряму, що проходить через початок координат, оскільки коефіцієнт його посилення є постійною величиною при будь-яких вхідних напругах.
На амплітудної характеристиці реального підсилювача є, як мінімум, три різних ділянки. У нижній частині вона не доходить до нуля, так як підсилювач має власні шуми, які стають на малих рівнях гучності порівнянні з амплітудою корисного сигналу.

У середній частині (АВ) амплітудна характеристика близька до лінійної. Це робочий ділянку, в його межах спотворення форми сигналу буде мінімальним.
У верхній частині графіка амплітудна характеристика також має вигин, який обумовлений обмеженням по вихідний потужності підсилювача.
Якщо амплітуда вхідного сигналу така, що робота підсилювача йде на вигнутих ділянках, то в вихідному сигналі з'являються нелінійні спотворення. Чим більше нелінійність, тим сильніше спотворюється синусоїдальна напруга сигналу, тобто на виході підсилювача з'являються нові коливання (вищі гармоніки).

Шуми в підсилювачах бувають різних видів і викликаються різними причинами.

Білий шум.

Білий шум - це сигнал з рівномірною спектральною щільністю на всіх частотах. В межах робочого діапазону частот підсилювачів низької частоти прикладом такого шуму можна вважати теплової, викликаний хаотичним рухом електронів. Спектр цього шуму рівномірний в дуже широкому діапазоні частот.

Рожевий шум.

Рожевий шум відомий також як миготливий (мерехтіння шум). Спектральна щільність потужності рожевого шуму пропорційна відношенню 1 / f (щільність обернено пропорційна частоті), тобто він є рівномірно убутним в логарифмічною шкалою частот. Рожевий шум генерується як пасивними так і активними електронними компонентами, про природу його походження до цих пір сперечаються вчені.

Фон від зовнішніх джерел.

Одна з основних причин шуму - фон наводиться від сторонніх джерел, наприклад від мережі змінного струму 50 Гц. Він має основну гармоніку в 50 Гц і кратні їй.

Самозбудження.

Самозбудження окремих каскадів підсилювача здатне генерувати шуми, як правило певної частоти.

Стандарти вихідної потужності УНЧ і акустики

номінальна потужність

західний аналог RMS (Root Mean Squared - середньоквадратичне значення) У СРСР визначалася ГОСТом 23262-88 як усереднене значення електричної потужності синусоїдального сигналу з частотою 1000 Гц, яке викликає нелінійні спотворення сигналу, що не перевищують заданий значення КНС (THD). Вказується як у АС, так і у підсилювачів. Зазвичай зазначена потужність підганялася під вимоги ГОСТ до класу складності виконання, при найкращому поєднанні вимірюваних характеристик. Для різних класів пристроїв КНІ може варіюватися дуже істотно, від 1 до 10 відсотків. Може виявитися так, що система заявлена \u200b\u200bв 20 Ватт на канал, але вимірювання проведені при 10% КНІ. В результаті слухати акустику на даній потужності неможливо. Акустичні системи здатні відтворювати сигнал на RMS-потужності тривалий час.

Паспортна шумова потужність

Іноді ще називають синусоїдальної. Найближчий західний аналог DIN - електрична потужність, Обмежена виключно тепловими та механічними пошкодженнями (Наприклад: сповзання витків звукової котушки від перегріву, вигорання провідників в місцях перегину або спайки, обрив гнучких проводів і т.п.) при підведенні рожевого шуму через коригувальну ланцюг протягом 100 годин. Зазвичай DIN в 2-3 рази вище RMS.

Максимальна короткочасна потужність

західний аналог PMPO (Peak Music Power Output - пікова вихідна музична потужність). - електрична потужність, яку гучномовці АС витримують без пошкоджень (перевіряється по відсутності деренчання) протягом короткого проміжку часу. В якості випробувального сигналу використовується рожевий шум. Сигнал подається на АС протягом 2 сек. Випробування проводяться 60 разів з інтервалом в 1 хвилину. Даний вид потужності дає можливість судити про короткочасні перевантаженнях, які може витримати гучномовець АС в ситуаціях, що виникають в процесі експлуатації. Зазвичай в 10-20 разів вище DIN. Яка користь від того, чи впізнає людей про те, що його система можливо перенесе коротенький, менше секунди, синус низької частоти з великою потужністю? Проте, виробники дуже люблять наводити саме цей параметр на упаковках і наклейках своєї продукції ... Величезні цифри даного параметра часто засновані виключно на бурхливій фантазії маркетингового відділу виробників, і тут китайці безсумнівно попереду планети всієї.

Максимальна довготривала потужність

Це електрична потужність, яку витримують гучномовці АС без пошкоджень протягом 1 хв. Випробування повторюють 10 разів з інтервалом 2 хвилини. Випробувальний сигнал той же.
Максимальна довготривала потужність визначається порушенням теплової міцності гучномовців АС (сповзанням витків звукової котушки і ін.).

Практика - найкращий критерій істини. Розборки з аудіоцентром

Спробуємо застосувати наші знання на практиці. Заглянемо в один дуже відомий інтернет магазин і пошукаємо там виріб ще більш відомої фірми з Країни Вранішнього Сонця.
Ага - ось музичний центр футуристичного дизайну продається всього за 10 000 руб. по черговій акції .:
З опису дізнаємося, що апарат оснащений не тільки потужними колонками, а й сабвуфером.

"Він забезпечує чудову чистоту звучання при виборі будь-якого рівня гучності. Крім того, така конфігурація допомагає зробити звук насиченим і об'ємним. "

Захоплююче, мабуть варто подивитися на параметри. "Центр містить дві фронтальні колонки, кожна потужністю по 235 Ватт, і активний сабвуфер з потужністю 230 Ватт." При цьому розміри перших всього 31 * 23 * 21 см
Так це ж Соловей розбійник який то, причому і за силою голосу і за розмірами. У далекому 96 році на цьому я б свої дослідження і зупинив, а в подальшому, дивлячись на свої S90 і слухаючи саморобний агеевские підсилювач, бурхливо б обговорював з друзями, наскільки відстала від японської наша радянська промисловість - років на 50 або все таки назавжди. Але сьогодні з доступністю японської техніки все набагато краще і впали багато міфів з нею пов'язані, тому перед покупкою постараємося знайти більш об'єктивні дані про якість звуку. На сайті про це ні слова. Хто б сумнівався! Зате є інструкція з експлуатації в форматі pdf. Cкачіваем і продовжуємо пошуки. Серед надзвичайно цінної інформації про те, що "ліцензія на технологію звуковий кодування була отримана від Thompson" і яким кінцем вставляти батарейки з працею, але вдається таки знайти щось, що нагадує технічні характеристики. Дуже скупа інформація захована в надрах документа, ближче до кінця.
Наводжу її дослівно, у вигляді скріншоту, оскільки, починаючи з цього моменту, у мене стали виникати серйозні питання, як до наведених цифр не дивлячись на те, що вони підтверджені сертифікатом відповідності, так і до їх інтерпретації.
Справа в тому, що трохи нижче було написано, що споживана від мережі змінного струму потужність першої системи складає 90 ват, а другий взагалі 75. Хм.

Винайдено вічний двигун третього роду? А може в корпусі музичного центру ховаються акумулятори? Та не схоже - заявлений вага апарату без акустики всього три кіло. Тоді, як же споживаючи 90 ват від мережі, можна отримати на виході 700 загадкових ват (для довідок) або хоча б жалюгідних, але цілком відчутних 120 номінальних. Адже при цьому підсилювач повинен володіти ККД близько 150 відсотків, навіть з відключеним сабвуфером! Але на практиці цей параметр рідко перевищує планку в 75.

Спробуємо застосувати отриману зі статті інформацію на практиці

Заявлена \u200b\u200bпотужність для довідки 235 + 235 + 230 \u003d 700 - це явно PMPO. З номінальною ясності багато менше. Судячи з визначенням це номінальна потужність, Але не може вона бути 60 + 60 тільки для двох основних каналів, без урахування сабвуфера, при номінальній потужності споживання в 90 ват. Це все більше нагадує вже не маркетингову хитрість, а відверту брехню. Судячи по габаритах і негласним правилом, співвідношення RMS і PMPO, реальна номінальна потужність цього центру повинна становити 12-15 ват на канал, а загальна НЕ перевищувати 45. Виникає закономірне питання - як можна довіряти паспортними даними тайваньських і китайських виробників, коли навіть відома японська фірма таке собі дозволяє?
Купувати такий апарат чи ні - рішення залежить від вас. Якщо для того, щоб ставити вранці на вуха сусідів по дачі - так. В іншому випадку, без попереднього прослуховування декількох музичних композицій в різних жанрах, я б не рекомендував.

Чайник дьогтю в банку меду.

Здавалося б, ми маємо майже вичерпний список параметрів, необхідних для оцінки потужності і якості звуку. Але, при більш пильної уваги, це виявляється далеко не так, з цілого ряду причин:

• Багато параметри більше підходять не тільки для об'єктивного відображення якості сигналу, скільки для зручності вимірювання. Більшість проводяться на частоті 1000 Гц, яка дуже зручна для отримання найкращих чисельних результатів. Вона розташовується далеко від частоти фону електричної мережі в 50 Гц і в самому лінійній ділянці частотного діапазону підсилювача.
• Виробники часто грішать відвертою підгонкою характеристик підсилювача під тести. Наприклад, навіть за часів Радянського Союзу, УНЧ часто розроблялися таким чином, щоб забезпечити найкращий показник КГИ, при максимальній вихідній паспортної потужності. У той же час, на половинному рівні потужності в двотактних підсилювачах часто виявлялося спотворення типу сходинка, через що коефіцієнт гармонійних спотворень при середньому положенні ручки гучності міг зашкалювати за 10%!
• У паспортах та інструкціях по експлуатації часто наводяться нестандартні фейковий, абсолютно даремні характеристики типу PMPO. У той же час, не завжди можна знайти навіть такі базові параметри як частотний діапазон або номінальну потужність. Про АЧХ і ФЧХ і говорити нічого!
• Вимірювання параметрів нерідко проводиться по, свідомо спотвореним, методикам.

Тож не дивно, що багато покупців впадають в таких умовах в суб'єктивізм і орієнтуються при покупці, в кращому випадку, виключно на результати короткого прослуховування, в гіршому на ціну.

Пора закруглятися, стаття і так вийшла надмірно довгою!

Розмова про оцінку якості і причини спотворень підсилювачів низької частоти ми продовжимо в наступній статті. Озброївшись мінімальним багажем знань можна переходити до таких цікавих тем як інтермодуляційні спотворення і їх зв'язок з глибиною зворотного зв'язку!

На закінчення хочеться висловити щиру подяку Роману Парпалак parpalak за його проект онлайн-редактора з підтримкою латеха і маркдауна. Без цього інструменту і так непросту працю по впровадженню математичних формул в текст став би в істину пекельним.

ПІДСИЛЮВАЧ НИЗКОЮ частоти

Мета роботи: Вивчення роботи електронних підсилювачів і їх схемотехніка. Експериментальне та комп'ютерне дослідження впливу ООС на основні характеристики підсилювача низької частоти.

ВСТУП. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ

Для збільшення амплітуди напруги або сили струму, а також потужності електричних сигналів використовують спеціальні пристрої, які називаються електронними підсилювачами.

Всі підсилювачі можна поділити на два класи - з лінійним режимом роботи і нелінійним.

До підсилювачів з лінійним режимом роботи пред'являються вимоги отримання вихідного сигналу, близького за формою до вхідного. Спотворення форми сигналу, що вносяться підсилювачем, повинні бути мінімальними. Це досягається завдяки пропорційній передачі підсилювачем миттєвих значень напруги і струму, складових в часі вхідного сигналу.

Найважливішим показником підсилювачів, як лінійних чотириполюсників з лінійним режимом роботи є комплексний коефіцієнт передачі по напрузі або току:

.

величина

є комплексною, тобто характеризує зміну як амплітуди, так і фази сигналу на виході підсилювача в порівнянні з їх значеннями на вході. Модуль коефіцієнта передачі підсилювача

називають коефіцієнтом посилення. Залежність модуля комплексного коефіцієнта передачі від частоти, визначеного для гармонійного вхідного сигналу, є амплітудно-частотної характеристикою (АЧХ) підсилювача. Залежність аргументу комплексного коефіцієнта передачі від частоти

носить назву фазово-частотної характеристики підсилювача.

Залежно від виду АЧХ підсилювачі з лінійним режимом роботи поділяються на:

підсилювачі повільно мінливого сигналу (підсилювачі постійного струму - УПТ),

підсилювачі низької частоти (УНЧ),

підсилювачі високої частоти (УВЧ),

широкосмугові, імпульсні підсилювачі (ШПУ),

виборчі, вузькосмугові підсилювачі (УПУ).

Характерна особливість УПТ - здатність підсилювати сигнали з нижньої частотою, що наближається до (f н  0). Верхня межа частоти f в в УПТ може становити в залежності від призначення 10 3  10 8 Гц. УНЧ характеризуються частотним діапазоном від десятків герц до десятків кілогерц. УВЧ мають смугу пропускання від десятків кілогерц до десятків і сотень мегагерц. ШПУ - мають нижню межу частот приблизно таку ж, як у УНЧ, а верхню - як УВЧ. На основі ШПУ виконуються лінійні імпульсні підсилювачі. УПУ - характеризуються пропусканням вузької смуги частот.

f в f f н f в f f н f в f f н f в f f o f

У підсилювачах з нелінійним режимом роботи пропорційність в передачі миттєвих значень вхідного сигналу відсутня. Залежно від закону зміни вихідного сигналу від вхідного

, До підсилювачів з нелінійним режимом роботи можна віднести: підсилювачі обмежувачі, логарифмічні підсилювачі і т. П. Залежно від характеру навантаження і призначення розрізняють також підсилювачі: напруги, струму і потужності, хоча такий розподіл умовно, так як в будь-якому випадку, власне кажучи посилюється потужність.

Розглянемо основні параметри і характеристики підсилювачів.

Коефіціент посилення . Коефіцієнт посилення по напрузі

різних підсилювачів досягає десятків тисяч. Часто для досягнення необхідного

використовують багатокаскадні підсилювачі, в яких

попереднього каскаду є

для наступного і загальний коефіцієнт посилення дорівнює:

Коефіцієнт посилення - величина безрозмірна і в ряді випадків прийнято підсилювальні властивості виражати в логарифмічних одиницях - децибелах:

.

Для многокаскадного підсилювача:

Використовують також коефіцієнт посилення по току і по потужності, які теж можна висловлювати в децибелах.

.

Вхідний і вихідний опір . Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних затискачів якого приєднаний джерело підсилюється сигналу з ЕРС Е вх і внутрішнім опором R вт, а до вихідних - опір навантаження R н.Для вихідний ланцюга підсилювач являє джерело ЕРС Е вих з внутрішнім опором R вих.

Для підсилюється сигналу підсилювач характеризується вхідним опором

. Опір R вих визначають між вихідними затискачами підсилювача при відключеному навантаженні.

R вт R вих I вих \u003d I н

Е вх U вх R вх E вих U вих R н

Підсилювач

Протікає від джерела сигналу в підсилювач ток і вхідна напруга визначають формулами:

.

Залежно від співвідношення між R вт і R вх джерело сигналу може працювати в режимах: а) холостого ходу, якщо R вх\u003e R вт , коли

; б) короткого замикання, якщо R вх; в) узгодження, коли R вх  R вт і в підсилювач передається найбільша потужність.

Потужність, що передається підсилювача:

Прирівнявши нулю похідну

, отримаємо

. При цьому в підсилювач надходить

, Тобто чверть потенційної потужності джерела сигналу. Аналогічні режими роботи можливі і для вихідного кола.

При узгодженні навантаження і вихідного опору підсилювача в навантаженні виділяється найбільша потужність.

Вихідна потужність . При чисто активному навантаженні і синусоїдальній напрузі

де

- чинне та амплітудне значення вихідної напруги;

- амплітуда струму в навантаженні.

Коефіцієнт корисної дії . ККД

, Де Р  - потужність, споживана підсилювачем від джерел живлення.

Слід зазначити, що будь-який підсилювач, на якому б вигляді енергії він ні функціонував, є, по суті, лише регулятором для потужності Р вих , пропускається від джерела живлення в навантаження, а вхідний сигнал лише регулює значення цієї пропускається потужності, витрачаючи на це потужність Р вх .

Амплітудна характеристика підсилювача. Амплітудна характеристика відображає залежність амплітуди вихідної напруги від зміни амплітуди напруги на вході. По цій характеристиці судять про можливі межах зміни вхідного і вихідного сигналів підсилювача. Її знімають при гармонійному вхідному сигналі для області середніх частот.

Типовий вид амплітудної характеристики показаний на малюнку. Ділянка 1-3 відповідає пропорційному посилення. Ділянка нижче точки 1 амплітудної характеристики не використовується, так як корисний сигнал важко відрізнити від власних шумів підсилювача.

U вих. м .

U max 3 U вих.3

U min . 1 U Вих.1

Ділянка 3 - 4 відповідає порушенню пропорційній залежності вихідної напруги від вхідного. Ділянка за точкою 4 відповідає стану обмеження вихідного сигналу. Ставлення амплітуди максимально допустимого вихідного напруги до мінімально допустимому

, називається динамічним діапазоном підсилювача.

Амплітудно-частотна характеристика . (АЧХ) Це залежність коефіцієнта посилення (за напругою) від частоти підсилюється сигналу:

.

Зразковий вид АЧХ для різних типів підсилювачів показаний на малюнку класифікації підсилювачів по частотному діапазону підсилюються сигналів. величина

вказує на смугу пропускання підсилювача в частотному діапазоні.

фазочастотная характеристика . (ФЧХ) Вона являє собою залежність кута зсуву фаз "" між вхідним і вихідним напругами підсилювача від частоти сигналу.

нелінійні спотворення . Вони являють собою ступінь зміни форми кривої підсилюється сигналу. Основна причина їх виникнення - нелінійність характеристик підсилювальних елементів. На малюнку як приклад приведена вхідна характеристика транзистора, включеного за схемою з ОЕ, і показано, як спотворюється форма струму

, Тобто вхідного струму підсилювача, в порівнянні з синусоїдальною формою вхідної напруги

. В результаті нелінійних спотворень вихідна напруга підсилювача містить крім постійної складової і основний (першої) ще й вищі гармонійні складові.

I б I б + I m

Ступінь спотворення сигналу підсилювачем оцінюється коефіцієнтом нелінійних спотворень, представляє квадратний корінь з відношення потужностей всіх вищих гармонік вихідного сигналу до повної вихідної потужності:

,

або близьким до нього коефіцієнтом гармонік:

,

де

- діючі (або амплітудні) значення першої, другої і т.д. гармонік вихідної напруги при синусоїдальній сигналі на вході. Ці коефіцієнти часто висловлюють в%.

II. ЕЛЕКТРОННІ УСИЛИТЕЛИ

емітерний повторювач

Схема представлена \u200b\u200bна рис.1 називається емітерний повторювачем. Вихідна напруга знімається з емітера транзистора.

Вихідний сигнал по формі повторює вхідний. Коефіцієнт посилення по напрузі:

.

Коефіцієнт посилення по струму:

, Тобто емітерний повторювач при одиничному посиленні по напрузі підсилює вхідний сигнал по струму і, відповідно, по потужності. Слід зазначити, що вхідний імпеданс схеми більше вихідного. Це основна перевага, що дозволяє йому знайти широке застосування як каскад, що погодить імпеданс.

Нехай напруга на базі транзистора змінилося на ΔU б, тоді

. Зміниться і струм емітера

. Вирішуючи рівняння спільно з урахуванням R е і r вх, отримаємо:

або

.

В отриманому співвідношенні фігурують активні опори, проте його можна узагальнити і поширити на комплексні імпеданс. В результаті можна записати правило перетворення импедансов для емітерного повторювача:

.

Зсув в емітерний повторювачі

Якщо на емітерний повторювач повинен надходити сигнал з попереднього каскаду схеми, то краще за все підключити його безпосередньо до виходу попереднього каскаду, як показано на рис.2.

U п

U вх U вих

Так як сигнал на колекторі транзистора Т 1 змінюється в межах діапазону напруги живлення U п, то потенціал бази Т2 підтримує його в активній області (не насичений і не в відсіченні).

У деяких випадках вхід емітерного повторювача і напруга живлення невдало співвідносяться один з одним, і тоді може виникнути необхідність в ємнісний зв'язку із зовнішнім джерелом сигналу. Таке узгодження вимагає створення зовнішнього зміщення для того, щоб колекторний струм протікав протягом повного періоду сигналу. Найпростіше скористатися для цього дільником напруги (рис. 3).

U п

Як приклад розрахуємо схему емітерного повторювача для сигналів звукової частоти (20 ÷ 20 · 10 3 Гц). Напруга U п \u003d 15В, струм спокою транзистора I о \u003d 1mA.

Для отримання на виході симетричного сигналу необхідно,

щоб виконувалася умова

.

Струм спокою повинен складати 1mA, тому

.

3) Напруга на базі транзистора. З цього випливає, що опору резисторів подільника R 1 і R 2 ставляться один до одного як 6,9: 8,1 \u003d 1: 1,17. Враховуючи що

і що струм через дільник повинен бути більше, ніж струм, що протікає по ланцюгу бази, отримаємо R 1 ║

Виберемо наступні стандартні значення опорів: R 1 \u003d 130кОм, R 2 \u003d 150кОм.

4) Вибір конденсаторів С1 і С2 грунтується на тому, що вони з резисторами R вх і R нагр становлять фільтри високих частот. Найменша частота, яку повинен пропустити цей фільтр 20Гц. використовуючи співвідношення

можна обчислити значення C 1 і C 2.

3. Транзисторний джерело стабільного струму

Хороший джерело струму можна побудувати на основі транзистора (рис.4).

10кОм R нагр

рис.4

Працює він у такий спосіб: напруга на базі U б \u003d 5,6В підтримує емітерний перехід у відкритому стані: U е \u003d U б - 0,6. У зв'язку з цим

незалежно від напруги U до доти, поки транзистор не перейде в режим насичення

.

4. Підсилювач із загальним емітером

Розглянемо джерело струму, навантаженням для якого служить резистор R к (рис.5).

U п \u003d 20В

R 1 110кОм R до 10кОм

З 1 1,6В 10В U вих

U вх 0,1мкФ 1.0В

R 2 10кОм З 2

I до

I б U п / R до + R е

I до \u003d 1mA U бе про + U вх m

U бе про -U вх m

U п \u003d 20В U ке

U бе про U вх m

U ке про \u003d 10В

U ке m \u003d U вих m

Напруга на колекторі одно

. Можна через ємність подати сигнал в ланцюг бази, тоді напруга на колекторі буде змінюватися. Конденсатор обраний так, що фільтр високих частот (С і R 1 ║R 2) пропускає всі потрібні частоти. Інакше кажучи,

(R 1 ║R 2).

Завдяки напрузі зсуву, що додається до бази, і наявності емітерного резистора в 1кОм, струм спокою колектора становить 1.0mA. Цей струм створює на колекторі напруга

Якщо на базу транзистора поданий сигнал ΔU вх, напруга на емітер повторює зміна напруги на базі ΔU е \u003d ΔU вх і викликає зміна емітерного струму

, І приблизно така ж зміна колекторного струму ΔI к.

Отже, з огляду на, що і, даючи збільшення базового напруги, отримаємо

.

Коефіцієнт посилення визначається як:

, Тоді виходить, що схема являє собою підсилювач напруги, коефіцієнт підсилення якого дорівнює відношенню

. У нашому прикладі K u \u003d - 10. Знак мінус говорить про те, що позитивний сигнал на вході дає на виході негативний сигнал, збільшений в 10 разів.

Неважко визначити вхідний і вихідний опору підсилювача. Для вхідного сигналу схема являє собою паралельне з'єднання резисторів R 1 і R 2, і вхідного опору з боку бази. Останнє одно. Переважну роль грає опір R 2 \u003d 10кОм. Вихідний опір визначається як паралельне з'єднання

R до і вихідного опору транзистора з боку колектора. Колектор як елемент джерела струму має дуже великим опором (близько МОм), тому вихідний опір визначається колекторним резистором R к \u003d 10кОм.

Відповідно до нашої моделлю коефіцієнт посилення по напрузі підсилювача з загальним емітером дорівнює

. Якщо опір емітера буде зменшуватися, прагнути до нуля, то, згідно з виведеним співвідношенням, коефіцієнт посилення буде безмежно зростати. Однак вимірювання показують, що при струмі спокою I к о \u003d 1mА і R е \u003d 0 K \u003d 400. Чи виявиться також, що підсилювач почне працювати як нелінійний елемент - вихідний сигнал спотворюється, зміщення почне залежати від температури. Отже, в нашу модель слід внести поправку.

Струм колектора пов'язаний з напругою U бе наступною залежністю:

, де

при 20˚С,

- зворотний струм переходу емітер - база.

Це рівняння для I до відомо під назвою рівняння Еберса - Молла. З нього випливає, щоб струм I до збільшився в 10 разів потрібно U ЕБ збільшити на U т ln 10 або на 60 mB при кімнатній температурі.

Взявши похідну від U бе по I до, отримаємо

, Де I до в mA. - це власне опір емітера виступає в якості послідовного для емітерний ланцюга у всіх транзисторних схемах, і воно визначає кінцеву величину коефіцієнта посилення.

У зв'язку з тим, що струм

залежить від температури, напруга U бе зменшується на 2,1 mВ / ˚С. І якщо в схемі із заземленим емітером (R е \u003d 0) задати жорстке зміщення на базі, то підвищення температури на 30 ˚ призведе до збільшення колекторного струму в 10 разів. Така нестабільність робить зміщення непрацездатним.

Для підвищення температурної стабільності схеми підсилювача з загальним емітером користуються введенням в емітерний ланцюг резистора R е, величина якого вибирається 0,1R к. Якщо відбувається температурне збільшення струму колектора, це призводить до збільшення струму емітера, до збільшення U е \u003d I е · R е і зменшення U бе. Зменшення U бе - зменшує струм колектора. Використання R е створює негативний зворотний зв'язок, що дозволяє поліпшити характеристики підсилювача за рахунок часткової передачі вихідного сигналу на вхід при зниженні коефіцієнта посилення. Відновити коефіцієнт посилення схеми для змінного сигналу можна шунтуванням емітерного резистора конденсатором С2. Його опір змінному струму буде визначатися як

.

5 . Зворотній зв'язок в електронних підсилювачах

зворотним зв'язком в електронних підсилювачах називають електричну зв'язок, передає сигнал з виходу підсилювача назад на його вхід. Кількісно зворотний зв'язок оцінюють коефіцієнтом зворотного зв'язку γ, Що показує, яка частина вихідного сигналу надходить на вхід підсилювача.

Так як сигнал на вході становить напруга, сигнал зворотного зв'язку (для можливості спільного його використання вхідного сигналу) також зручно формувати у вигляді напруги.

Зворотний зв'язок можна здійснити по напрузі, Якщо сигнал зворотного зв'язку U ос пропорційний вихідній напрузі; або по току, Якщо U ос пропорційний вихідному струму.

Напруга зворотного зв'язку може вводитися паралельно з вхідною напругою або послідовно з ним.

Зворотній зв'язок може бути позитивної, Якщо напруга U ос діє згідно з напругою U вх (для сигналів постійного струму вони складаються, а для сигналів змінного струму вони збігаються по фазі); або негативною, Якщо напруга U ос діє зустрічно з напругою U вх (для сигналів постійного струму вони віднімаються, а для змінного - знаходяться в протифазі). Зворотні зв'язку істотно впливають на параметри і характеристики підсилювачів.

Щоб побачити це, побудуємо еквівалентну схему, показану на рис. 6.

U д

На цій схемі блок А є підсилювачем з коефіцієнтом посилення без зворотного зв'язку, рівним А, а блок γ є ланцюгом зворотного зв'язку з коефіцієнтом γ.

При розімкнутому положенні перемикача "П" вихідна напруга буде визначатися рівністю

.

Після замикання перемикача "П" (вводиться позитивний зворотний зв'язок) вхідний сигнал підсилювача U д стане рівним

, Тоді. Вирішуючи це рівняння, отримаємо

, Де K п ос - коефіцієнт посилення по напрузі при наявності зворотного зв'язку.

З виведеного співвідношення видно, що якщо γА → 1, то K сел »А - позитивний зворотний зв'язок збільшує коефіцієнт підсилення. За аналогією, ввівши негативний зворотний зв'язок, прийдемо до висновку, що негативний зворотний зв'язок зменшує коефіцієнт посилення

. Проте, в підсилювачах частіше використовують негативний зворотний зв'язок, тому що вона ціною зниження коефіцієнта посилення дозволяє поліпшити характеристики підсилювача та інші його параметри.

Важливим показником якості роботи підсилювача є стабільність його коефіцієнта посилення. Оцінимо її при негативному зворотному зв'язку, для чого продифференцируем вираз K ООС по А:

.

Розділивши обидві частини на K ООС, отримаємо:

, Звідки випливає, що відносна зміна коефіцієнта посилення з введеної негативним зворотним зв'язком (по яких би причин воно не відбувалося) зменшується в (1 + γА) разів у порівнянні з підсилювачем без зворотного зв'язку. Таким чином, стабільність K ООС значно краще.

При γА »1 (так звана глибока негативний зворотний зв'язок) можна знехтувати одиницею в знаменнику вираження для K ООС і отримати співвідношення

, Що означає, що K ООС практично не залежить від коефіцієнта посилення власне підсилювача, а значить і його можливих змін. Тому стабільність K ООС визначається тільки стабільністю коефіцієнта γ, яку можна забезпечити достатньо високу.

Знайдемо вхідний опір підсилювача при послідовній зворотного зв'язку.

Звідки

.

Вхідний опір для схеми підсилювача з послідовної зворотним зв'язком:

де R вх - вхідний опір власне підсилювача без зворотного зв'язку. Таким чином, негативний зворотний зв'язок значно збільшує вхідний опір підсилювача, що сприятливо позначається на роботі джерела Сигнальний шнур (не перевантажує його).

Зворотній зв'язок може стати причиною самозбудження підсилювача, коли в ньому виникають коливання напруги і струму при відсутності сигналу на вході.

Якщо при позитивного зворотного зв'язку γА ≥ 1, то найменший вхідний сигнал (будь-яке випадкове коливання U вх) посилиться і повернеться по ланцюгу зворотного зв'язку на вхід підсилювача, причому значення повернувся сигналу буде більше вхідного сигналу або при γА \u003d 1 дорівнює йому. Навіть якщо вхідний сигнал припиниться, який повернувся сигнал замінить його і, будучи знову посиленим, почне циркулювати в системі підсилювач - зворотний зв'язок. Таким чином, умова γА ≥ 1 є першим необхідною умовою самозбудження.

З розглянутого процесу самозбудження очевидно, що сигнал зворотного зв'язку в змозі замінити початковий вхідний сигнал тільки в тому випадку, якщо U ос не тільки одно або більше U вх по амплітуді, але і збігається з ним по фазі, тобто зсув фаз між ними Δφ \u003d 0, що і характерно для позитивного зворотного зв'язку. Зауважимо, що при негативному зворотному зв'язку напруга U ос і U вх знаходяться в протифазі, тобто зсув фаз між ними φ \u003d 180˚. Таким чином, другим необхідною умовою самозбудження є відсутність зсуву фаз (φ \u003d 0) між сигналом зворотного зв'язку і вхідним сигналом.

У реальному підсилювачі і в реальному ланцюга зворотного зв'язку завжди є фазові зрушення, значення яких залежать від параметрів реактивних елементів. Ці фазові зрушення залежать від частоти підсилюється сигналу, що змінюється по частоті в значних межах, тому негативний зворотний зв'язок, здійснена на одній частоті, може перейти в позитивну на інший. При проектуванні підсилювачів прагнуть уникнути режиму самозбудження, створюючи так званий запас стійкості по фазі.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

Виконання експериментальної частини роботи полягає у вивченні призначення і функціонування елементів і складових частин електронного двухкаскадного підсилювача НЧ з емітерний повторювачем на виході, а також вимір його основних параметрів і характеристик.

Для вирішення цих завдань використовується лабораторний стенд № 4. Його зовнішній вигляд представлений на рис.7а. На рис.7б приведена електрична принципова схема двокаскадного електронного підсилювача НЧ з емітерний повторювачем на виході. У пропонованому підсилювачі введена регульована негативний зворотний зв'язок по напрузі і струму.

2 1

Рис.7а. Зовнішній вигляд лабораторного стенду № 4

Мережевий трансформатор блоку харчування.

2 Стабілізований джерело живлення підсилювача (10 В).

3 Плата підсилювача низької частоти.

4, 6 Висновки загального проводу.

5 Штекер входу підсилювача.

7- Штекери виходу підсилювача.

8, 10 Органи управління глибиною негативного зворотного зв'язку

Тумблер включення електроживлення.

6,8к 1,5 К 2,7к 1к 27

2,7к 1к + 6,8к 1,5 К +

Рис.7б. Принципова схема підсилювача низької частоти

Лабораторний стенд підключається до мережі ~ 220В. Для зняття електричних параметрів і характеристик підсилювача НЧ використовуються джерела сигналів і вимірювальні прилади. Як джерело сигналів використовується генератор сигналів спеціальної форми Г6-36. Вимірювання ефективних значень вхідного і вихідного сигналів (U вх, U вих) проводиться Мілівольтметри змінного струму В3 - 38А і В3 - 56.

Визначення величини коефіцієнта нелінійних спотворень (K н%) виробляється автоматичним вимірювачем нелінійних спотворень С6 - 11. Контроль форми і фазових параметрів вхідного і вихідного сигналів здійснюється по осцилограмами двухлучевого осцилографа С1 - 118А.

Порядок виконання роботи

Перед виконанням будь-яких вимірювань необхідно перевірити правильність підключення лабораторного стенду та обслуговуючих його приладів до мережі живлення (~ 220В) і відповідність з'єднань лабораторного стенду з вимірювальними приладами і джерелом сигналів схемою, наведеною на рисунку 8.

3

Рис.8. Схема розташування лабораторного стенду, вимірювальних приладів і джерела сигналу.

1 осцилограф двопроменевий С1 - 118А;

2, 5 мілівольтметри В3 - 56 і В3 - 38А;

3 вимірювач нелінійних спотворень автоматичний С6 -11;

4 генератор сигналів спеціальної форми Г6 -36;

6 лабораторний стенд

Все межприборних з'єднань виробляються коаксіальним кабелем через роз'єми СР - 50. Перед підключенням приладів до мережі необхідно органи управління вимірювальних приладів і осцилографа поставити в положення вимірювання максимальної величини сигналу.

Після дотримання всіх вище викладених запобіжних заходів, можна приступати до виконання експериментальної частини роботи.

Завдання 1. Побудова амплітудної характеристики підсилювача

НЧ при різних значеннях ООС.

З огляду на, що амплітудна характеристика це залежність, зняти показання U вх і U вих при f \u003d 1 кГц. Попутно знімати показання коефіцієнта нелінійних спотворень K н (%). U вх змінювати від 0 до значень, при яких вихідний гармонійний сигнал зазнає двостороннє обмеження. Крок вибирається дослідником. Слід врахувати, що установка вихідного сигналу генератора Г6 - 36 дискретна і проводиться в такому порядку. При установці частоти натиснути послідовно клавіші F; набір; кГц; 1,00; введення. При цьому на цифровому табло висвічується цифра 1,00 кГц.

При установці величини вихідної напруги натиснути послідовно клавіші U; набір; 0,01; введення. При цьому на цифровому табло напруг висвічується 0,01 і на виході генератора з'являється сигнал 0,01 Вольта по амплітуді.

Для послідовної зміни вихідної напруги в бік великих величин можна скористатися корекцією вихідного сигналу по напрузі. Для цього натиснути послідовно наступні клавіші U; кор; Х; , Де Х - номер корректируемой цифри. Натискання клавіші збільшує вихідний сигнал на одиницю розряду Х, натискання клавіші ↓ зменшує вихідний сигнал на одиницю розряду Х. (Не зменшувати вихідний сигнал менш 0.00) !!!

В процесі проведення вимірювань, дані зручно заносити в таблицю 1.

Таблиця 1

№ f R 1 \u003d 25кОм R 2 \u003d 0,1кОм R 1 \u003d 25кОм R 2 \u003d 0,7кОм R 1 \u003d 50кОм R 2 \u003d 0,7кОм

U вх U вих K н K u D U вх U вих K н K u D U вх U вих K н K u D

кГц mB B% mB B% mB B%

Після закінчення експерименту побудувати графіки, і розрахувати коефіцієнт посилення по напрузі K u і динамічний діапазон D.

Використовуючи параметри схеми і значення R 1 і R 2, розрахувати коефіцієнт зворотного зв'язку β, а також вхідний (R вх) і вихідний (R вих) опору досліджуваного підсилювача НЧ.

завдання 2. Побудова амплітудно - частотної характеристики

(АЧХ) підсилювача НЧ при різних значеннях

глибини ООС.

Нагадуємо, що АЧХ представляє залежність коефіцієнта посилення по напрузі

від частоти (K u \u003d φ (f)) при U вх \u003d const. Тому, для побудови кривої АЧХ необхідно задати вхідний сигнал такої величини, щоб він знаходився на лінійній частині амплітудної характеристики при різних значеннях коефіцієнта зворотного зв'язку β, і, змінюючи частоту вхідного сигналу в межах 10 ÷ 10 5 Гц, знімати значення напруги вихідного сигналу за показаннями мілівольтметра В3 - 56. Побудова кривих АЧХ зробити для трьох значень β (R 1 \u003d 25кОм, R 2 \u003d 0,1кОм; R 1 \u003d 25кОм, R 2 \u003d 0,7кОм; R 1 \u003d 50кОм, R 2 \u003d 0,7кОм) . Попутно зняти показання коефіцієнта нелінійних спотворень.

При установці величини вихідної напруги генератора послідовно натиснути клавіші U; набір; величина U вх в вольтах; введення. При установці величини початкової частоти послідовно натиснути клавіші F; набір; Гц; 10; введення. Для зміни частоти вихідного сигналу генератора використовувати спосіб корекції: F; кор; Х; ↓, де Х - номер корректируемой цифри, ↓ - збільшення або зменшення Х - розряду частоти на одиницю при одиничному натисканні на клавішу. Скидання корекції здійснюється натисканням клавіші "введення".

У процесі проведення експерименту результати вимірювань занести в таблицю 2.

Використовуючи табличні дані, побудувати графіки K u \u003d φ (lg f) і K н \u003d ψ (lg f). За графіками виміряти смугу пропускання підсилювача Δf \u003d f в - f н і порівняти її з розрахунковою Δf рас.

Таблиця 2

№ U вх R 1 \u003d 25кОм R 2 \u003d 0,1кОм R 1 \u003d 25кОм R 2 \u003d 0,7кОм R 1 \u003d 50кОм R 2 \u003d 0,7кОм

f lg f U вих K u K н Δf f lg f U вих K u K н Δf f lg f U вих K u K н Δf

mB кГц mВ кГц кГц mВ кГц кГц mВ кГц

Провести аналіз отриманих результатів і зробити висновки.

завдання 3. Комп'ютерне моделювання лабораторного

експерименту.

Використовуючи програмне забезпечення, пропоноване викладачем (Electronics Workbench 3.0E або CircutMaker v.5.0), побудувати на екрані комп'ютера (або використовувати файл "Лаб4") схему досліджуваного підсилювача низької частоти. Ввести параметри елементів схеми. До входу підсилювача підключити генератор гармонійного сигналу і подати на вхід сигнал з напругою U вх. \u003d 0,02 В і частотою f \u003d 1 кГц. Двопроменевий осцилограф і вимірювач амплітудно-частотної характеристики (АГЧ) по одному каналу підключити до входу підсилювача, а по другому каналу до його виходу.

Змінюючи R 1 і R 2 в ланцюгах зворотного зв'язку по напрузі і струму згідно з таблицею 2 (R 1 \u003d 25кОм, R 2 \u003d 0,1кОм; R 1 \u003d 25кОм, R 2 \u003d 0,7кОм; R 1 \u003d 50кОм, R 2 \u003d 0,7кОм), спостерігати АЧХ і форму вихідного сигналу при збільшенні і зменшенні U вх. Органами настройки осцилографа і вимірювача АЧХ встановити найбільш зручну для вимірів форму і розмір осциллограмм.

Використовуючи можливості комп'ютерних програм виміряти коефіцієнт посилення До U при частоті вхідного сигналу f \u003d 1 кГц, а також смугу пропускання підсилювача f.

Провести аналіз отриманих результатів, порівняти їх з експериментальними даними і зробити відповідні висновки.

При підготовці до звіту відповісти на наступні питання:

Поясніть призначення елементів підсилювального каскаду.

Поясніть призначення емітерного повторювача.

Коли і як вибирається режим класу А?

Поясніть, від яких чинників залежить вид АЧХ підсилювача.

Яка зворотний зв'язок називається негативною і для яких цілей вона застосовується в підсилювачах?

Забродін Ю.С. Промислова електроніка. М .: Висш.шк., 1982. 496 с .; мул.

Каяцкас А.А. Основи радіоелектроніки: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. М .: Вища. шк., 1988. 464 с .; мул.

Машинні методи аналізу та проектування електронних схем / Пер. з англ. І. Влах, К. Сингхал. М .: Радио и связь, 1988. 560 с .; мул.

Основи радіоелектроніки: Навчальний посібник / Ю.І. Волощенко, Ю.Ю. Мартюшев і ін. / Под ред. Г.Д. Петрухіна. М .: Изд-во МАІ, 1993. 416 с .; мул.

Радіотехніка: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів /

Е.М. Гершензон, Г.Д. Полянина, Н.В. Соїна. М .: Просвещение, 1986. 319 с .; мул.

Елементи інформаційних систем: Учеб. для вузів / В.П. Миловзоров.

М .: Висш.шк., 1989. 440 с .; мул.

1. Iv цикл. Електромагнітні коливання. Змінний струм. Лабораторна робота №1 - IV. Амплітудна характеристика підсилювача низької частоти. мета

   документ

   Лабораторна робота №1 - IV. амплітудна характеристика підсилювача низької частоти. Мета: дослідити залежність вихідної напруги ... робота №4 - IV. частотна характеристика підсилювача низької частоти (УНЧ). Мета: дослідити залежність коефіцієнта ...

2. Підсилювачі високої чутливості

   документ

   Шумов в. еквівалентні, що діють на вході підсилювача, Доцільно здійснювати з використанням коефіцієнтів передачі ... шум обмеженою протяжності АЧХ в області низьких частот, Вважаючи, В цьому випадку кГц. 2. Від ...

3. Вивчення принципу роботи і схемотехніки підсилювача потужності з трансформаторним включенням навантаження і двотактного комплиментарного емітерного повторювача. ком

   документ

   Сигналів - генератор низької частоти Г3-112. Завдання 1. Отримання амплітудної характеристики підсилювача. Амплітудна характеристика ... гармонійний сигнал низької частоти 1 кГц з генератора Г3-112 подати на вхід підсилювача, Контролюючи ...

Виробники звукотехніки, випускаючи вироби на ринок, обов'язково вказують в паспорті технічні характеристики. Орієнтуватися в них непросто. Недосвідчений покупець в кращому випадку запитає у продавця про потужності підсилювача, смузі частот, на худий кінець, про викривлення. І, як правило, отримає формальний відповідь: потужність підсилювача 100 ват, смуга частот не гірше 20 Гц - 20 кГц, спотворення - три сотки, що означає 0,03%. Однак багато підсилювачі мають подібні характеристики. Домогтися їх в даний час - завдання нескладне, але при однакових характеристиках апарати можуть звучати по-різному. Так на що ж слід звертати увагу в першу чергу?

Кожна ланка в ланцюзі відтворення має свої особливі характеристиками, необхідно акцентувати їх окремо для акустики, підсилювачів (попереднього і потужності), програвачів (вінілу і компакт-дисків) та інших джерел і перетворювачів сигналу.

Почнемо з найбільш популярного і необхідного - попереднього підсилювача. В англійському він часто називається Line preamp, Control amp, Phono amp, Head amp, тобто апарат, призначений для роботи з різними джерелами сигналу. Отже, розглянемо його основні технічні характеристики.

Характеристики попередніх підсилювачів:

Частотний діапазон
або смуга відтворюваних частот
Frequency response

Залежно від джерела сигналу, вказується за двома входах. По входу головки звукознімача вказується відхилення частотної характеристики від рівня на частоті 1 кГц, в смузі частот 30 Гц - 15 кГц, або 20 Гц - 20 кГц (дивлячись яким стандартом користується виробник). Наприклад: Frequency response Disc input (RIAA Ref.1 kHz, 30 Hz to 15 kHz) + 0.2 / -0.25 dB.

За входів Aux / Line вказується частотна характеристика з певним спадом на краях. Наприклад: Frequency resp. Line -0.5 dB, 2 Hz to 100 kHz; -3 dB 0.88 Hz and\u003e 200 kHz.

У першому випадку характеризується якість коректора звукознімача при відтворенні вінілових грамплатівок. Природно, чим менше відхилення, тим краще. Для техніки високого рівня допустимі відхилення ± 1дБ в смузі 20 Гц - 20 кГц. Ширина частотного діапазону по лінійному входу також визначає якість апарату - чим ширше смуга частот, тим краще. Особливо це стосується розширення в бік низьких частот, Аж до постійного струму.

Сумарні гармонійні спотворення
Total Harmonic Distortion + Noise

Вони відображають наявність продуктів спотворень в діапазоні простих (синусоїдальних) сигналів. Величина сумарних гармонійних спотворень є функцією частоти при сигналі на виході 1 В. Як правило, на краях діапазону має тенденцію до зростання. Оцінку гармонійних спотворень проводять за основними входів, окремо для ММ, МС * і лінійного входу. Вказується у відсотках, або в децибелах, 0.01% відповідає мінус 80 дБ. Для транзисторної техніки цифри порядку 0.005 - 0.05% є типовими, для лампової та 0.1% - прийнятна величина. Треба сказати, що сумарне значення гармонійних спотворень не є визначальним показником хорошого звучання. Дана характеристика лише формально описує реакцію системи на вхідний сигнал. Як відомо, жоден вимірювальний сигнал не здатний змусити систему реагувати так, як це відбувається при подачі реального звукового сигналу. Проте розробники прагнуть будь-які спотворення звести до мінімуму.

Відношення сигнал / шум
S / N ratio (IHF, CCIR, IEC-A)

У дужках вказується, які застосовувалися взвешивающие фільтри (позначаються вони за назвою організацій, які рекомендують застосування даного фільтру). Попередній підсилювач, який має низьке значення відносини сигнал / шум, буде не тільки шуміти як примус, але, що значно гірше, з'їсть тонку музичну структуру звучання голосів та інструментів. Відношення сигнал / шум вимірюється в децибелах, по кожному входу окремо (вхід закорачивается), по відношенню до сигналу на виході напругою 1В і частотою 1 кГц. Для МС і ММ входів цілком достатньо 70-ти дБ. лінійний вхід має, як правило, значення краще, звичайно близько 85 - 95 дБ. Є і чемпіони, як, наприклад, попередній фірми Primare Systems Model 201 з відношенням сигнал / шум по лінійному входу 102 дБ зі зважують фільтром IEC-A.

Чутливість по входу
Input Sensitivity

Вказує напруга на вході, при якому напруга на виході підсилювача буде дорівнює 1 В. Сигнал на виході джерела для кожного з входів повинен бути не менше параметра чутливості. В іншому випадку сигнал на виході підсилювача буде мати значний шум або буде недостатній для "розкачки" підсилювача потужності. Наприклад: Input Data (Sensitivity / Loading) Disc (MM) -0.5 mV / 47 k, Disc (MC) -0.06 mV / 47 Ohms, Aux / CD input - 100 mV / 50 k. Типовими значеннями чутливості для попереднього підсилювача є наступні цифри: по входу МС - 0.2 - 0.3 мВ, по входу ММ - 1 - 3 мВ, по лінійному входу - 100 - 200 мВ.

Поділ між каналами
Channel separation

Можуть використовуватися інші терміни: Stereo Separation, Crosstalk. Характеризує проникання сигналу з каналу в канал, вимірюється в децибелах. Як правило, поділ між каналами має тенденцію до зменшення з ростом частоти, що призводить до погіршення сприйняття стереообраза на високих частотах. Типові значення для входів звукознімачів на частоті 1 кГц - 80ё70дБ, на 20 кГц-50ё45дБ. За лінійного входу цей показник краще на 10ё15дБ. Треба сказати, що у кращих головок звукознімачів поділ між каналами на частоті 20 кГц досягає 30ё35 дБ, так що багато підсилювачі з показниками, близькими до 35ё40 дБ, будуть звучати погано через втрату локалізації, глибини стереообраза, детальності на частотах вище 10 кГц. Мабуть, чемпіоном за цією характеристикою можна вважати American Hybrid Technology, має в гіршому випадку 115 дБ!

Вхідний і вихідний імпеданс
Input / Output impedance

Для узгодження з ММ-головками звукознімачів передпідсилювач може мати перемикач вхідного опору, скажімо, від 10 кОм до 47 кОм. МС головки розраховані на менше значення імпедансу. Канадський підсилювач Sonic Frontiers SFP-1, наприклад, при штатному опорі на вході ММ / МС 47 до, комплектується набором резисторів від 10 Ом до 1 кОм для точного узгодження з застосовуваної головкою. Однак це навряд чи зручно для власника, який повинен самостійно вирішити, який резистор йому ставити, та ще зробити досить якісні пайки. Лінійний вхід, як правило, має вхідний імпеданс не нижче 30 кОм. Менший опір створить складнощі для компакт-програвачів, магнітофонів, тюнерів: так як їх вихід може бути не пристосований для роботи на низький опір, можливо сильне ослаблення сигналу. Вихідний опір характеризує здатність системи працювати на низкоомную навантаження, наприклад, на вхідний опір підсилювача з довгим Міжблочні кабелем. Так наприклад, англійський Art Audio VP1 має вихідний опір 35 кОм, що з триметровим кабелем до підсилювача потужності і опором по входу 10 кОм дасть загасання 7 дБ на 20 кГц! Тому, чим нижче вихідний опір підсилювача, тим краще. Типовим значенням можна вважати 1 кОм на частоті 1 кГц.

Присутність напруги зсуву на виході
DC offset

Характеристика обов'язкова для високоякісної апаратури! Наприклад, 50 мВ на виході підсилювача, подані на відкритий вхід підсилювача потужності з посиленням в 30 дБ, дадуть на його виході близько 1.8 В постійної напруги! Звичайно, таку напругу не здатна пошкодити акустичну систему (СЧ і ВЧ головки будуть захищені фільтром, для НЧ головки таку напругу безпечно), проте воно здатне викликати значний зсув дифузора НЧ головки. У свою чергу це призведе до асиметрії розташування звукової котушки в магнітному зазорі і збільшить спотворення в НЧ області.

Техніка високого класу має балансні входи і виходи, що дозволяє уникнути проблем, що виникають з появою постійної напруги на виході підсилювача. Якщо у вас однотактний вхід (роз'єм RCA) підсилювача, а сам підсилювач не має схеми, що забезпечує відсутність постійної напруги на виході підсилювача (DC servo), то при виборі підсилювача слід звернути увагу на цей параметр. Зауважимо, що величина зсуву на виході може бути різною у різних примірників одного і того ж апарату, проте цифра ± 10мВ цілком допустима в усіх випадках.

Наведений перелік технічних характеристик, звичайно ж, не є вичерпним. Ми привели, на наш погляд, основні, необхідні при оцінці і виборі попереднього підсилювача.

Характеристики підсилювача потужності:

Завдання вибору підсилювача потужності не менше складна, ніж вибір на зовнішній підсилювач. Перш ніж прийняти рішення, що можливо тільки після музичного прослуховування, давайте заглянемо в паспорт і ознайомимося з технічними характеристиками.

Вихідна паспортна потужність
Power output, Rated power

Це головна характеристика підсилювача. Вимірюється в ватах на синусоїдальній сигналі при заданому навантаженні. Зазвичай вказується потужність при навантаженні 8 і 4 Ом. Однак на музичному сигналі опір АС падає часом до 1 Ома. Тому нешкідливою поцікавитися у продавця, яку потужність підсилювач може віддати на 2-х омной навантаженні. Якщо потужність підсилювача вказана 100 Вт / 8 Ом і 200 Вт / 4 Ом - це відмінна потужна машина, якій не страшні навіть самі низькоомні колонки. Однак справа не в цифрах 100, 200, 500, 1000 ... Якщо у підсилювача навіть 20 Вт / 8 Ом і 40 Вт / 4 Ом, це також добре. Важливо, щоб потужність зростала вдвічі при зменшенні навантаження в 2 рази. Такий підсилювач має велику перевантажувальної здатністю, і якщо ви поміняєте акустику на більш низкоомную, підсилювач не підведе.

Інша картина з ламповими підсилювачами. Тут, як правило, є кілька виходів (вихідний трансформатор має відводи на вторинній обмотці для підключення відповідного навантаження). Якщо ваша акустична система має опір 8 Ом, підключіть її на 8-омний вихід, якщо 4 Ома - на 4-омний. При правильному підключенні підсилювач віддасть максимальну потужність, на яку він розрахований.

Смуга частот, частотний діапазон на рівні -3дБ
(При потужності вдвічі менше паспортної)
Power bandwidth (-3dB point)

Як правило, у транзисторних підсилювачів діапазон частот ширше, ніж у лампових (від декількох герц до сотень кілогерц). Наприклад, підсилювач Audio Research D300 має смугу від нуля герц (постійний струм) до 150 кілогерц. А ламповий V70 тієї ж фірми - 12 Гц - 40 кГц, що однак не заважає його високу популярність у аудиофилов.

Короткочасне пікове значення вихідного струму (при навантаженні 1 Ом)
Peak output current

Характеризує потужність блоку живлення, надійність вихідного каскаду. У кращих транзисторних підсилювачів цей показник порядку ± 30ё60А. Про такий підсилювач можна сказати, що він управляє акустикою "залізною рукою в оксамитовій рукавичці". Хороші лампові підсилювачі віддають в навантаження струм порядку ± 10ё15А. Високі значення вихідного струму забезпечують глибокий, щільний бас.

характеристика спотворень
Distortion

Можуть вказуватися і гармонійні і інтермодуляційні. Чим менше ця цифра у відсотках або в децибелах, тим менше спотворень вносить в підсилюваний сигнал даний підсилювач. Однак більш важлива не величина, а спектр продуктів спотворення. двотактні підсилювачі ефективно пригнічують в вихідному каскаді другу гармоніку, але при цьому можуть мати довгий хвіст з парних і непарних гармонік. У однотактний лампових гармоніки значно більше за рівнем, але вони швидко згасають і, як правило, вище п'ятої гармоніки спотворень в діапазоні немає.

Лампова техніка має дещо гірші показники по спотворень, але вже згаданий Audio Research V70, маючи 1% спотворень на максимальній потужності 60 Вт, за свідченням зарубіжних експертів, звучить чудово. Вимірювання гармонійних спотворень виробляють на різних частотах, як правило, 20Гц, 1кГц і 20кГц, і вихідних потужностях 1VA, 2/3 паспортної і на максимальній паспортної. На крайніх частотах і на максимальній потужності може спостерігатися значне збільшення рівня спотворень.

В середині 70-х років було модно приводити характеристики підсилювача при різних інтермодуляционних тестах. З'явилися поняття TIM (Transient InterModulation) - перехідних, DIM (Dinamic InterModulation) - динамічних Інтермодуляції. В даний час поведінка підсилювача при складних вимірювальних сигналах цікавить тільки фахівців і розробників. Ми ж згадаємо лише стандартні вимірювання інтермодуляционних спотворень при одночасній подачі 2-х тонів 19 кГц / 20 кГц на повній потужності. Хороший підсилювач повинен мати показник в межах 0.02 - 0.1%.

Вхідні імпеданс і чутливість
Input Impedance, Input Sensitivity

Типовою цифрою для імпедансу є 30 - 100 кОм. Вхідний опір нижче 30 кОм може серйозно вплинути на частотну характеристику сигналу, що надходить від підсилювача.

Під чутливістю розуміється напруга, подане на вхід, при якому підсилювач розвиває паспортну потужність. Звичайним значенням є 0.5 - 2 В.

вихідний опір
Output Impedance

Характеризує здатність підсилювача однаково добре працювати на акустичні системи як з високим, так і з низьким опором. Існує хибна думка, що чим більше коефіцієнт демпфірування (номінальний імпеданс акустичної системи, Поділений на вихідний опір підсилювача), тим краще управління акустикою по басу. Однак коефіцієнт демпфірування, дорівнює 2000, виявиться краще 20-ти всього лише на 5 - 10% на НЧ характеристиці, тобто очікуване збільшення звукового тиску на НЧ менше 1 дБ! Проте, дуже мале значення демпфірування, покладемо, менше 10, може привести до помітної зміни частотної характеристики АС.

Потужність джерела живлення. Енергія, запасені в конденсаторах і індуктивностях фільтра.
Power supply capacitance. Energy storage.

Саме ця енергія визначає динамічний діапазон при відтворенні. Вимірюється в джоулях. Типовий підсилювач з двома конденсаторами по 10 000 мкФ на 60 В має всього 72 Дж. (Транзисторні чемпіони мають сумарну ємність конденсаторів порядку 0.5 - 1.0 Фаради). Для порівняння, у фотоспалахи в середній фотостудії - 500 - 1000 Дж. А ось у Audio Research V140 - 415 Дж. Уявляєте, які м'язи у цього лампового монопідсилювач! Тому, коли наводиться ця характеристика, обов'язково зверніть на неї увагу.

Ми навмисно не привели такі характеристики, як відношення сигнал / шум, поділ між каналами, присутність постійної напруги на виході. Вони за визначенням і виміру подібні наведеним вище у зовнішній підсилювач. Рекомендовані в даній статті межі параметрів не слід розглядати як жорсткі обмеження при виборі підсилювачів. Навіть в підсилювачах високого класу можливі відхилення одного-двох параметрів від наведених тут діапазонів. Остаточний вибір повинен визначатися результатами прослуховування.

Якщо у вас виникнуть питання по невідміченим тут характеристикам або власні думки, пишіть до редакції.

Підсилювач- це електронний пристрій, Що управляє потоком енергії, що йде від джерела живлення до навантаження. Причому потужність, яка потрібна для управління, як правило, набагато менше потужності, що віддається в навантаження, а форми вхідного (підсилюється) і вихідного (на навантаженні) сигналів збігаються (рис. 2.1).

Всі підсилювачі можна класифікувати за такими ознаками:

● по частоті підсилюється сигналу:

Підсилювачі низької частоти (УНЧ) для посилення сигналів від десятків герц до десятків або сотень кілогерц;

Широкосмугові підсилювачі, що підсилюють сигнали в одиниці і десятки мегагерц;

Виборчі підсилювачі, що підсилюють сигнали вузької смуги частот;

● за родом підсилюється сигналу:

Підсилювачі постійного струму (УПТ), які посилюють електричні сигнали з частотою від нуля герц і вище;

Підсилювачі змінного струму, які посилюють електричні сигнали з частотою, відмінною від нуля;

● за функціональним призначенням:

Підсилювачі напруги, підсилювачі струму і підсилювачі потужності в залежності від того, який з параметрів підсилювач підсилює. Основним кількісним параметром підсилювача є коефіцієнт посилення. Залежно від функціонального призначення підсилювача розрізняють коефіцієнти підсилення по напрузі До U, струму До i або потужності

До Р: К U \u003d U вх / U вих До I \u003d I вх / I вих До P \u003d P вх / P вих де U вх, I вх - амплітудні значення змінних складових відповідно напруги і струму на вході;

U вих, I вих - амплітудні значення змінних складових відповідно напруги і струму на виході; Р вх, Р вих - потужності сигналів відповідно на вході і виході. Коефіцієнти посилення часто висловлюють в логарифмічних одиницях - децибелах:

До U (дБ) \u003d 20LgK u До I (дБ) \u003d 20LgK i К Р (дБ) \u003d 10LgK p Підсилювач може складатися з одного або декількох каскадів. Для багатокаскадних підсилювачів його коефіцієнт посилення дорівнює добутку коефіцієнтів посилення окремих його каскадів: К \u003d К 1 · К 2 · ... · До n

Якщо коефіцієнти посилення каскадів виражені в децибелах, то загальний коефіцієнт посилення дорівнює сумі коефіцієнтів посилення окремих каскадів:

Ќ U \u003d К U · e jφ До U \u003d U вих / U вх де К U - модуль коефіцієнта посилення; φ - зсув фаз між вхідним і вихідним напругами з амплітудами U вх і U вих.

Крім коефіцієнта посилення важливим кількісним показником є \u200b\u200bкоефіцієнт корисної дії:

η \u003d P вих / P іст де Р іст - потужність, споживана підсилювачем від джерела живлення. Роль цього показника особливо зростає для потужних, як правило, вихідних каскадів підсилювача. До кількісних показників підсилювача відносяться також вхідний R вх і вихідна R вих опору підсилювача:

R вх \u003d U вх / I вх R вих \u003d | Δ U вих | / | Δ I вих | де U вх і I вх - амплітудні значення напруги і струму на вході підсилювача;

ΔU вих і ΔI вих - збільшення аплітудних значень напруги і струму на виході підсилювача, викликані зміною опору навантаження. Розглянемо тепер основні характеристики підсилювачів.

амплітудна характеристика

амплітудна характеристика - це залежність амплітуди вихідногонапруги (Струму) від амплітуди вхідногонапруги (струму) (рис. 2.2).

Точка 1 відповідає напрузі шумів, вимірюваній при U вx \u003d 0, точка 2 - мінімального вхідній напрузі, при якому на виході підсилювача можна розрізняти сигнал на тлі шумів. Ділянка 2 - 3 - це робочий ділянку, на якому зберігається пропорційність між вхідним і вихідним напругами підсилювача. Після точки 3 спостерігаються нелінійні спотворення вхідного сигналу. Ступінь нелінійних спотворень оцінюється коефіцієнтом нелінійних спотворень (або коефіцієнтом гармонік):

К Р \u003d √ (U 2 2 m + U 2 3 m + ... + U 2 nm) / U lm де U lm, U 2m, U 3m, U nm - амплітуди 1-й (основний), 2, 3 і n -й гармонік вихідної напруги відповідно. Величина D \u003d U вх max / U вх min характеризує динамічний діапазон підсилювача. Розглянемо приклад виникнення нелінійних спотворень (рис. 2.3).

При подачі на базу транзистора щодо емітера напруги синусоїдальної форми u бе в силу нелінійності вхідний характеристики транзистора i б \u003d f(U бе) вхідний струм транзистора i б (а отже, і вихідний - струм колектора) відмінний від синусоїди, т. Е. В ньому з'являється ряд вищих гармонік.

З наведеного прикладу видно, що нелінійні спотворення залежать від амплітуди вхідного сигналу і положення робочої точки транзистора і не пов'язані з частотою вхідного сигналу, т. Е. Для зменшення спотворення форми вихідного сигналу вхідний повинен бути низькорівневим. Тому в багатокаскадних підсилювачах нелінійні спотворення в основному з'являються в кінцевих каскадах, на вхід яких надходять сигнали з великою амплітудою.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) і фазо-частотна характеристика (ФЧХ) підсилювача.

АЧХ - це залежність модуля коефіцієнта посилення від частоти, а ФЧХ - це залежність кута зсуву фаз між вхідним і вихідним напругами від частоти. Типова АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоти f н і f в називаються нижньої і верхньої граничними частотами, а їх різниця (f н - f в) - смугою пропускання підсилювача. При посиленні гармонійного сигналу досить малої амплітуди спотворення форми посиленого сигналу не виникає. При посиленні складного вхідного сигналу, що містить ряд гармонік, ці гармоніки посилюються підсилювачем неоднаково, так як реактивні опору схеми по-різному залежать від частоти, і в результаті це призводить до спотворення форми посиленого сигналу. Такі спотворення називаються частотними і характеризуються коефіцієнтом частотних спотворень: М \u003d K 0 / K f де K f - модуль коефіцієнта посилення підсилювача на заданій частоті.

Коефіцієнти частотних спотворень М Н \u003d K 0 / K Н і М В \u003d K 0 / K В називаються відповідно коефіцієнтами спотворень на нижній і верхній граничних частотах. АЧХ може бути побудована і в логарифмічному масштабі. В цьому випадку вона називається ЛАЧХ (рис. 2.5), коефіцієнт посилення підсилювача висловлюють в децибелах, а по осі абсцис відкладають частоти через декаду (інтервал частот між 10f і f).

Зазвичай в якості точок відліку вибирають частоти, відповідні f \u003d 10n. Криві ЛАЧХ мають в кожній частотній області певний нахил. Його вимірюють в децибелах на декаду. Типова ФЧХ приведена на рис. 2.6.

Вона також може бути побудована в логарифмічному масштабі. В області середніх частот додаткові фазові спотворення мінімальні. ФЧХ дозволяє оцінити фазові спотворення, що виникають в підсилювачах з тих же причин, що і частотні. Приклад виникнення фазових спотворень наведено на рис. 2.7, де показано посилення вхідного сигналу, що складається з двох гармонік (пунктир), які при посиленні зазнають фазові зрушення.

Перехідна характеристика підсилювача

Перехідна характеристика усілітеля- це залежність вихідного сигналу (струму, напруги) від часу при стрибкоподібному вхідній дії (рис. 2.8).

Частотна, фазова і перехідна характеристики підсилювача однозначно пов'язані один з одним. Області верхніх частот відповідає перехідна характеристика в області малих часів, області нижніх частот - перехідна характеристика в області великих часів.

Однією з основних характеристик підсилювачів з лінійним режимом роботи, як лінійних чотириполюсників, є комплексний коефіцієнт передачі по напрузі (Струму):

K u (f) \u003d \u003d | K u (f) | e jφ k (f)

величина Ku(f) є комплексною, тобто характеризує зміну як амплітуди, так і фази сигналу на виході підсилювача в порівнянні з їх значеннями на вході.

Модуль коефіцієнта передачі підсилювача K u(f) називають коефіцієнтом посилення.

Залежність модуля комплексного коефіцієнта передачі від частоти, визначеного для гармонійного вхідного сигналу, є амплітудно-частотної характеристикою підсилювача.

Залежність аргументу комплексного коефіцієнта передачі від частоти φ u(f) називається фазово-частотної характеристикою підсилювача.

УНЧ є елементом підсилювального пристрою, яке повинно містити також джерело сигналу, навантаження і джерело живлення (рис. 1).

Основне призначення УНЧ - посилювати потужність сигналу, тобто при подачі на вхід УНЧ електричного сигналу малої потужності отримувати на навантаженні сигнал тієї ж форми, але більшої потужності. Для посилення потужності УНЧ перетворює енергію джерела живлення за допомогою підсилюючих приладів. У деяких випадках УНЧ має і допоміжне значення - здійснює корекцію форми сигналу.

Структурна схема УНЧ

За смузі підсилюються частот (від нижньої частоти діапазону до верхньої) УНЧ діляться на підсилювачі постійного і змінного струму.

Підсилювачі постійного струму (УПТ) - підсилювачі повільно змінюються напруг або струмів.

Підсилювачі змінного струму підсилюють тільки змінну складову струму в необхідної спектральної смузі.

Підсилювачі звукових частот - УНЧ, Які посилюють сигнали в смузі частот, що сприймаються вухом людини.

Для оцінки УНЧ крім коефіцієнта посилення, АЧХ і ФЧХ часто використовуються наступні електричні параметри:

Робочий діапазон частот- інтервал значень (від нижньої частоти до верхньої), в якому коефіцієнт посилення змінюється за певним законом з певним ступенем точності.

Нерівномірність частотної характеристики- найбільше відхилення коефіцієнта посилення в заданому діапазоні частот від значення K 0 , Певного для середньої частоти.

Коефіцієнт частотних спотворень Мхарактеризує нерівномірність АЧХ. М - відношення коефіцієнта посилення в області середніх частот K 0 до коефіцієнта посилення на кордоні заданого діапазону частот. Розрізняються коефіцієнти частотних спотворень в області нижніх частот і верхніх частот.

Коефіцієнт нелінійних спотвореньвизначає ступінь спотворення вхідного синусоїдального сигналупідсилювачем і оцінюється як квадратний корінь з відношення потужностей всіх вищих гармонік вихідного сигналу до повної вихідної потужності:

До н \u003d

або близьким до нього коефіцієнтом гармонік:

До г \u003d =

де U 1 , U 2 , U n - діючі (або амплітудні) значення першої, другої і т.д. гармонік вихідної напруги при синусоїдальній сигналі на вході.

- потужність, що виділяється УНЧ в навантаженні і заданими технічними вимогами.

Номінальна вихідна напруга - напруга на навантаженні, відповідне номінальної вихідної потужності. Ця напруга пов'язано з номінальним опором навантаження Rн співвідношенням

Номінальна вхідна напруга - напруга, що подається на вхід УНЧ, при якому на виході створюється номінальна потужність.

Напруга відповідає чутливості УНЧ.

вхідний сопротівленіеZ вх - опір для струмів низької частоти, виміряне між вхідними затискачами УНЧ. В області середніх частот вхідний опір зазвичай виявляється активним Rвх .

вихідна сопротівленіеZ вих - опір для струмів низької частоти, виміряне між вихідними затискачами УНЧ (за умови, що джерело сигналу включений, але його напруга дорівнює нулю). В області середніх частот вихідний опір зазвичай виявляється активним Rвих .

Загальна споживана потужність P 0 - потужність, споживана УНЧ від джерел живлення, при номінальній вихідній потужності.

Номінальна вихідна потужністьвизначає верхня межа вихідної потужності, при якому всі характеристики якості звучання по електричної напруги відповідають нормам.

фон- среднеквадратическая сума спектральних складових вихідного сигналу, що виникають в результаті недостатньої фільтрації напруги живлення.

Основними елементами структурної схеми УНЧ (рис. 1) є попередній підсилювач (ПУ ) І підсилювач потужності ( УМ ). До додаткових елементів УНЧ відносяться: ланцюги частотної корекції і ланцюга зворотного зв'язку ( ОС ), Крім того до складу УНЧ часто включають регулятор посилення.

Підсилювач потужності може містити один або кілька каскадів посилення і призначений для створення необхідної потужності в навантаженні.

Попередній підсилювач (Або підсилювач напруги) служить для посилення слабкого вхідного сигналу і створення необхідного рівня напруги на вході підсилювача потужності, він також може містити один або кілька каскадів, причому часто в якості вхідного каскаду застосовують еміттерние (істоковие) повторювачі для кращого узгодження з джерелом сигналу.

регулятор посилення в підсилювачах звукової частоти використовується в якості регулятора гучності.

ланцюги корекції використовуються для зміни частотної характеристики УНЧ, зокрема, до ланцюгів частотної корекції відноситься регулятор тембру.

Корекція частотної характеристики УНЧ часто застосовується для компенсації спотворень АЧХ джерела вхідного сигналу (наприклад, звукоснімающей магнітної головки в магнітофонах) або АЧХ навантаження (наприклад, звукових колонок).

підсилювачі потужності

Підсилювачем потужності зазвичай називають вихідний каскад підсилювача сигналу. Значна частина потужності, споживаної УНЧ від джерел живлення, розсіюється підсилювачем потужності. Коли віддається в навантаження потужність корисного сигналу стає сумірною з споживаної підсилювачем потужністю, виникає питання економії енергії джерела живлення, для цього, перш за все, слід зменшити потужність, що виділяється в схемі самого вихідного каскаду.

Можна виділити кілька основних режимів роботи (класів) вихідного каскаду підсилювача потужності.

Режим класу А. Робоча точка (р.т.), яка визначає стан схеми при відсутності сигналу, вибирається на лінійній ділянці динамічної вольт-амперної (передавальної) характеристики (рис. 2, а). Амплітуда вхідної напруги U y на керуючому електроді активного елементу (базі транзистора) для мінімізації нелінійних спотворень вибирається менше величини напруги зсуву. вихідний струм I вих протікає безперервно протягом усього періоду сигналу і досить точно відтворює форму вхідної змінної напруги, а положення робочої точки не виходить за межі прямолінійного ділянки динамічної характеристики.

перевагою режиму классаА є малі нелінійні спотворення, недоліками - низький ККД (відношення потужності, що до споживаної, в УНЧ не більше 25%) і відносно мала потужність в навантаженні. Тому режим класу А застосовується в малопотужних (до 3 ... 5 Вт) однотактний вихідних каскадах. В режимі класу А працюють і всі каскади посилення напруги.

Вибір робочої точки підсилювача

Режим класу В.Робоча точка вибирається на самому початку динамічної вольт-амперної характеристики (рис. 2б), в результаті чого при відсутності вхідного сигналу вихідний струм практично дорівнює нулю і виділяється в каскаді потужність мала. Однак в цьому випадку каскад здатний підсилювати лише одну півхвилю гармонійного сигналу (сигнали тільки однієї полярності). При подачі на вхід синусоїдального сигналу струм у вихідному ланцюзі протікає лише протягом половини періоду (протягом другої половини періоду активний елемент знаходиться в стані відсічення) і має форму імпульсів. Щоб отримати посилення повного сигналу застосовуються двотактні схеми, в яких позитивні складові сигналу посилюються одним активним елементом, а негативні - іншим. У навантаженні Rн посилені компоненти сигналу складаються таким чином, що відновлюється його початкова форма.

Переваги підсилювача потужності, що працює в режимі класу В , – високий ККД (До 70%) і велика потужність сигналу в навантаженні, однак форма вихідного сигналу спотворена через нелінійного ділянки передавальної характеристики. Чистий режим класу В практично використовують дуже рідко, значно частіше використовується так званий змішаний або проміжний режим АВ.

Режим АВ. Робоча точка займає проміжне положення на передавальної характеристиці (між початком координат і серединою лінійної дільниці). За рахунок зсуву робочої точки з нуля в початок лінійної дільниці на передавальної характеристиці при відсутності вхідного сигналу через активний елемент протікає деякий початковий струм спокою. При цьому при виборі максимальної амплітуди вхідної напруги можна домогтися, щоб активний елемент не переходив в стан відсічення і посилював (з різним ступенем спотворень) обидві напівхвилі синусоїдального сигналу. Режим АВ роботи підсилювача характеризується досить високим ККД при відносно невеликих нелінійних спотвореннях форми вихідного сигналу.

режим С- це режим, при якому вихідний струм протікає протягом проміжку часу, меншого половини періоду вхідного сигналу, тому що робоча точка розташовується лівіше точки початку координат на перехідній характеристиці (негативний зсув). Струм спокою відсутня, тому ККД режиму З вище, ніж режиму В і досягає 80% і більше. У режимі З використання двотактної схеми не дає можливості отримати в вихідний ланцюга сигнал тієї ж форми, що і подається у вхідну ланцюг, тому такий режим не застосовують для посилення сигналів довільної форми. Цей режим широко використовується в потужних виборчих (резонансних) підсилювачах, де навантаженням є паралельний резонансний контур, настроєний на частоту що подається на вхід синусоїдального коливання або на одну з його вищих гармонік.

режим D- це ключовий режим роботи, при якому транзистор може знаходитися тільки в двох станах: або повністю замкнений (режим відсічення), або повністю відкритий (режим насичення). гідність режиму D полягає в дуже високому (близькому до 100%) ККД. його недолік - значне ускладнення схеми підсилювача. Такий режим широко використовується в цифровій техніці, у всіляких керуючих, регулюючих, що стежать пристроях, де внаслідок високого ККД і малого споживання енергії він знаходить широке застосування для посилення прямокутних імпульсів довільної тривалості і шпаруватості.

Варіантів побудови вихідних каскадів підсилювачів потужності існує досить багато. Вихідні каскади бувають трансформаторними та безтрансформаторним. Застосування трансформатора дозволяє отримати високий ККД і малі нелінійні спотворення.

Трансформаторні двотактні вихідні каскади найчастіше використовуються в режимі класу АВ, При якому ККД перевищує 50%, безтрансформаторні вихідні каскади характеризуються більш широким діапазоном частот, меншими розмірами і масою. На рис. 3 наведені принципові схеми часто використовуваних в УНЧ підсилювачів потужності.

Схема однотактного підсилювального каскаду (підсилювача напруги) представлена \u200b\u200bна рис. 3, а. Положення робочої точки задається резисторного дільником в ланцюзі бази транзистора, такий підсилювач працює режимі класу А.

На рис. 3, б представлена \u200b\u200bсхема трансформаторного двотактного вихідного каскаду, резисторний дільник забезпечує необхідне зміщення для роботи в режимі АВ, Що погоджують трансформатори забезпечують оптимальне узгодження входу підсилювача з попереднім підсилювачем і виходу підсилювача з навантаженням. В даній схемі застосовані транзистори одного типу ( n-p-n ).

Вихідні каскади підсилювачів потужності

Найбільш широке поширення в вихідних підсилювачах отримали безтрансформаторні каскади (рис. 3, в) на транзисторах різного типу провідності n-p-n і p-n-p , Але з подібними характеристиками. Якщо харчування такого підсилювача здійснюється від однополярного джерела, то неминуче проходження через навантаження постійної складової вихідного струму, в цьому випадку навантаження включають через розділовий конденсатор. Можливе використання в вихідному каскаді транзисторів одного виду провідності, але тоді попередній підсилювач повинен містити фазоінверсного каскад з двома виходами - прямим і інверсним.