Лекция 9.

Основные параметры и характеристики усилителя:

1. R вх =U 1 /I 1. – входное сопротивление.

На низких частотах – активное. Зависит от частоты.

На высоких частотах – комплексное.

2. R вых =U 2 xx/I 2 кз. (хх-холостой ход, кз-короткое замыкание).

3. К – коэффициент усиления, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

а) К u =U 2 m /U 1 m – по напряжению.

б) K I =I 2 m /I 1 m – по току.

в) K p =P 2 /P 1 – по мощности.

Коэффициент усиления – величина безразмерная, иногда его выражают в относительных логарифмических единицах, которые называют децибелами.

При воздействии на усилитель гармонического сигнала, его коэффициент усиления оказывается частотно-зависимым и аналитически выражается комплексной функцией коэффициента передачи, которая называется частотной характеристикой.

Комплексный коэффициент передачи.

4. Зависимость коэффициента передачи от частоты – частотная характеристика.

АЧХ: K (j w) = (0

ФЧХ: j (j w) =j 2 -j 1 (0

Идеальный усилитель должен иметь коэффициент усиления К 0 на всем диапазоне частот, в реальном же усилителе коэффициент меняется.

ФЧХ говорит о том, что на низких частотах фазовый сдвиг положителен, а на высоких частотах происходит запаздывание (т.е. отрицателен).

Амплитудная характеристика усилителя.

U вых =f(U вх.м);

Амплитудная характеристика.

1.Отличия в области малых амплитуд входного сигнала состоят в том, что при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторый сигнал. Он возникает из-за наличия электромагнитных наводок и собственных шумов на вход усилителя

2.В области больших амплитуд отличия связаны с нелинейностью ВАХ активных элементов.

Из ВАХ вытекают основные параметры определяемые по амплитудной характеристике:

а. - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем он качественнее.

Б.Чувствительность. Различают две чувствительности:

1.)Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2).Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда:

Искажения сигналов в усилителях.

Для идеального линейного усилителя форма входного и выходного сигналов должны совпадать. В реальных усилителях этого не происходит. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы его на входе есть искажение создаваемое усилителем.

Искажения бывают:

1.Линейное;

Нелинейное искажение – это изменения формы сигнала на выходе, которые возникаютза счет нелинейности ВАХ активных металлов. Количественно нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений (КНИ).

Линейное искажение бывает двух видов:

а. Частотное;

б. Фазовое;

Частотное искажение связано с наличием в схеме усилителя реактивных элементов и возникающих за счет неодинакового усиления различных гармонических составляющих.

Фазовое искажение возникает за счет неодинакового фазового сдвига различных гармонических составляющих. Причина этого - наличие реактивных элементов в схеме усилителя.

КПД усилителя.

КПД играет существенную роль в усилителях мощности.

Классификация усилителей.

Классификация усилителей может быть произведена по различным признакам:

1.По полосе пропускания и абсолютному значению усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Усилители переменного тока в свою очередь делятся на усилители низких частот, широкополосные усилители и на избирательные усилители.

а. Усилители постоянного тока – способны усиливать как переменные, так и постоянные составляющие сигнала. У них f н =0;

б. Усилители переменного тока – способны усиливать только переменные составляющие сигнала. F н >0.

в. Усилители низких частот – усилители звуковой частоты - f н »50 Гц,f в »20 кГц;

г. Избирательные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в относительно узком диапазоне частот. Для них

2.По характеру входного сигнала:

а. Усилители непрерывных сигналов;

б. Усилители импульсных сигналов.

3.По виду используемых активных элементов:

а. Ламповые;

б. На биполярных транзисторах;

в. На полевых транзисторах;

г. На туннельных диодах;

д. Параметрические элементы. В них активным элементом является индуктивность и емкость, они могут усиливать электрический сигнал.

4. По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают совокупность элементов способных усиливать электрические сигналы.

а. Однокаскадные;

б. Многокаскадные.

5. По виду связи между каскадами:

а. Усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами:

Б. Связь между усилителями осуществляющаяся через RC-элемент:

В. Усилители с трансформаторной связью:

Трансформаторная связь обеспечивает гальваническую развязку между каскадами.

Г. Усилители с оптоэлектронной связью:

Многокаскадные усилители.

Особенностью нелинейных искажений является такое искажение фо рмы сигнала, при котором в его спектре появляются новые частотные составляющие.

Нелинейность усилителя вызывается наличием в нем нелинейных элементов (транзисторы, лампы, трансформаторы, диоды). Нелинейный элемент содержит нелинейные параметры (входные сопротивления транзисторов, диодов, динамическая магнитная проницаемость материала сердечника трансформатора).

Нелинейные искажения оцениваются на основе динамической характеристики, представляющей собой зависимость между мгновенными значениями токов или напряжений на выходе и входе усилителя. Динамическая характеристика определяется для больших пределов изменения сигналов, приводящих к заходу в области нелинейных зависимостей между напряжениями и токами.

Различают следующие виды динамических характеристик:

• 1. Выходная динамическая характеристика типа
• 2. Входная динамическая характеристика типа
• 3. Проходная динамическая характеристика типа
• 4. Сквозная динамическая характеристика типа

Здесь i 2 и u 2 - мгновенные значения токов и напряжений на выходе, i 1 и u 1 - мгновенные значения токов и напряжений на входе, e 1 - ЭДС источника сигналов на входе усилителя.

В качестве примера рассмотрим типичную по форме проходную характеристику используемую часто для расчета нелинейных искажений (рис. 1.14, а).

Рис. 1.14.

а) реальная, б) идеальная

Динамическая характеристика, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений приведена на рис. 1.14, а.

При отклонении динамической характеристики от прямолинейной возникают нелинейные искажения. Основные нелинейные искажения вносят оконечные и предоконечные каскады, активные усилительные элементы в которых работают в режиме большого сигнала.

Методы количественной оценки нелинейных искажений

Величина нелинейных искажений может определяться:

• 1. непосредственно по форме динамической характеристики;
• 2. по спектру образующихся нелинейных искажений (гармоники, комбинационные частоты).

При оценке нелинейных искажений по первому способу, используемому в телевидении, величина искажений определяется отношением среднего изменения крутизны динамической характеристики, происходящего при колебаниях напряжения сигнала в пределах от u 1 max до u 1 min , к исходному значению крутизны при u 1 0 , равному tg , что соответствует коэффициенту нелинейных искажений

Сказанное поясняется рисунком 1.15.

Рис. 1.15.

При оценке нелинейных искажений по второму способу необходимо предположить, что:

• а) входной сигнал представляет собой установившееся гармоническое колебание определенной частоты;
• б) входной сигнал представляет собой установившиеся периодические колебания сложной формы.

Случаи (а) и (б) существенно отличаются как по характеру образующихся нелинейных искажений, так и в отношении методики их расчета и измерений.

В случае (а) вследствие нелинейности усилителя, помимо колебаний с частотой сигнала на входе образуются колебания гармоник с частотами, и т.д. При этом величина нелинейных искажений определяется коэффициентом гармоник К г, представляющим собой отношение суммарного действующего значения напряжения (или тока) гармоник к напряжению (или току) основной частоты.

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах таким образом:

Очевидно, что значение К г не изменяется, если вместо действующих значений напряжений или токов подставить в эти выражения их амплитудные значения. При чисто активном характере сопротивления нагрузки усилителя коэффициент гармоник, найденный из выражений (1.13) и (1.14), имеет одно и то же значение, так как напряжения и токи всех гармоник связаны между собой неизменной величиной сопротивления. При комплексном характере сопротивления нагрузки значения К г, найденные из указанных выражений, получаются различными, и следует использовать (1.13) или (1.14) в зависимости от того, что является в рассматриваемом случае существенным - нелинейные искажения напряжения или тока.

В любом случае коэффициент гармоник может быть выражен через отношение суммарной мощности гармоник к мощности основной частоты, т.е.

Допустимая величина коэффициента гармоник для усилителей звуковой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспроизведения колеблется в пределах от 0,1% до (3...5)%. Особенно жесткие требования в отношении нелинейных искажений предъявляются к усилителям измерительной аппаратуры (К г порядка сотых и тысячных долей процента). В телевизионных усилителях нелинейные искажения, приводящие к изменению соотношения яркостей, могут быть значительной величины (Кг = 10... 15%), не оказывая существенного влияния на качество изображения. То же относится и к импульсным усилителям, использующим к тому же в ряде случаев ограничение сигналов по максимуму.

Знаете, очень хочется слушать музыку в хорошем качестве. «Балалайки» с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хотя медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. Думаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое время интересовались колонками и усилителями, не минула чаша сия и меня. К сожалению, я не являюсь профессионалом в этой области, поэтому суждения в статье могут быть не слишком удачными и значительная их часть является лично моими наблюдениями, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.

Лампы, бескислородная медь и прочее

Любители акустики делятся на две (скорее три) категории – техники и «слухачи». Первые понимают только цифры, вторые цифирные упражнения не приемлют и воспаряют на облаках субъективного мнения… Я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. У проблем воспроизведения звука есть вполне конкретные технические объяснения, и только неспособность их понять порождает слухи и суеверия. Впрочем, дабы не нервировать ярых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью – она вам только испортит нервы. Грешен, не стоит вмешиваться в божественное провидение.

Для остальных продолжим. Ах да, я пропустил третью категорию. Увы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда «лампового звучания» не прекращается, что и приводит к постоянному пополнению специалистов третьей категории. Господа, почаще стряхивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором «забивают бабки», в терминологии подобных бизнесменов. Принимайте свои решения самостоятельно. И никому не верьте, особенно мне.

Факторы, влияющие на качество звучания

Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.

Хотите естественного звучания? Есть только один способ - сходите на акустический концерт. Хороший зал, прекрасные исполнители – только это и может сформировать слух. Послышав правильное звучание можно понять, насколько нас дурят с этим «балалайками». Впрочем… а нет, извините, повторюсь – сходите на нормальный концерт. Без этого нельзя научиться понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.

Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения

Условно, «неприятности» можно разделить на следующие группы:
1. Искажение сигнала в усилителе.
2. Соединение с нагрузкой.
3. Влияние нагрузки.
4. Импеданс усилителя и работа динамика.

В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.

Искажение сигнала в усилителе

Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.

Виды искажений:
1. Нелинейные искажения.
2. Ограничение уровня.
3. Интермодуляционные.
4. Коммутационные.
5. Динамические.
6. Самовозбуждение.

Нелинейные искажения

Звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается. Ничего идеального не бывает, в полезный сигнал обязательно будут внесено то, что в нем не содержалось – шумы, искажения, помехи от блока питания и другие вредные субстанции, мешающие качественному восприятию звука. Однако - пока о частном.

Нелинейные искажения - увеличение спектра исходного сигнала путем добавления гармоник. Если взять чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождения усилителя в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составляющие K*F, где К = 2, 3, 4, 5…

Асимметрия

По виду, гармоники делятся на чётные и нечетные. Первые возникают при асимметрии сигнала. Ходят упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные … вот только руководящие материалы прошлого столетия дают весьма однозначные указания – вначале бороться с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. Асимметрия присуща всем элементам схемотехники усилителя, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.

В статье будет использоваться симуляция с помощью программы PSPICE , которая доказала достоверность выполняемых расчетов. Бывали случаи, когда расчеты в этой программе давали «странные» результаты и возникало желание свалить на ее внутренние ошибки, но после обнаружения тех же «странных» результатов в спаянной схеме невольно проникаешься доверием и уважением к разработчикам этого симулятора. Так что, простите, но я верю этой программе. Если у вас иное мнение, извините.

Если не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1 КГц, амплитудой 1 вольт (пиковое).

Итак, нелинейные искажения. При появлении асимметрии сигнала появляются четные гармоники.

Схема симуляции:

Асимметрия в схеме достигается установкой диода Шоттки. Контрольная тока «A» получена делителем R3, R4 c приведением уровня сигнала к амплитуде, близкой к исследуемому выходу «B».

На всех графиках этого раздела , зеленый – симулированный сигнал; красный – образцовый, с слегка пониженной амплитудой.

Форма сигнала:

Если в нижней части красная и зеленая линии почти совпадают, то в верхней начинает сказываться влияние диода и искаженный сигнал сильно обгоняет образцовый. То есть, положительная (выше уровня 0 V) и отрицательная полуволны не одинаковы, налицо явные признаки асимметрии.

У спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 кГц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четкая гребенка с максимумами на частотах 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 4 кГц…

Остановимся чуть подробнее. Первый пик на 1 кГц примерно такой же, что и для образцового сигнала – основная гармоника в обоих случаях с примерно равной амплитудой. Ну, это видно и визуально, они внешне похожи… если опустить тонкости, которые приводят к большому спектру гармоник. В образцовом сигнале есть только первая гармоника, а в симулированной цепи - с первой по десятую (вообще-то, спектр распространяется дальше 10 кГц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. А ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.

Возможно, вас смутил способ представления информации в программе. Обычно, когда представляют спектр, то рисуют «столбики» переменной высоты. Программа PSPICE рассчитывает напряжения и токи во всех узлах схемы для всего времени выполнения теста, зачастую с переменной дискретностью по времени. После этого производится преобразование временной последовательности в частотную методом FFT (Быстрое преобразование Фурье). Чем меньше дискретность вычисления точек по времени, тем выше точность перевода во временную область и корректнее анализ. Плата за это – время работы симулятора.

Со момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симуляцию стоит проводить в два этапа – вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить для получения более адекватных результатов. Для примера, повторим тест для обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):

Оба графика несут один и тот же смысл, но более долгий по времени обсчета (зеленый) график очевидно точнее.

Теперь схема для симметричной и нелинейной цепи:

Для симулирования нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Шоттки – по одному для положительной и отрицательной полуволн.

Форма сигнала:

Форма напряжения в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.

Посмотрите на предыдущий тест – если там были пики на частотах 1, 2, 3… 10 кГц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.

Ограничение уровня

Такой вид нелинейности вызывается нарушением монотонности сигнала. К ним относятся два случая:

• Ступенька.
• Насыщение.

Искажение типа «ступенька» свойственно усилителям класса В (или АВ) – при уменьшении уровня сигнала падает коэффициент передачи и сигнал просто исчезает. Подробнее механизм его возникновения будет рассмотрен во второй половине статьи.

Насыщение – может быть вызвано или ограничением, при очень большом уровне сигнала, либо срабатыванием защиты в усилителе по току или мощности.

Ступенька

Подобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещения на базе регулирующего транзистора, поэтому для симуляции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.

Форма сигнала:

Обратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое время прохождение сигнала отсутствует. Если на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровня, то на симулированной цепи напряжение становится равным нулю. Чем меньше уровень сигнала, тем больше проявляется этот тип искажений, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала на выходе. Поэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. А иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений – при снижении уровня сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.

Искажения симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.

Насыщение

Ограничение уровня типа «насыщение». Довольно типичный случай, захотели погромче и получили «хрипы». Если схемы контроля обеспечивают «мягкое» ограничение уровня, то вид искажений будет отличаться от усилителей без подобной защиты. Но пока пройдемся по самой проблеме, без влезания в нюансы. Для симуляции подойдет всё та же пара диодов 1N4148, но в ином включении.

Форма сигнала:

Если при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напряжения 0.5 вольт характеризуется остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.

Картина похожа на случай с «ступенькой». При обоих вариантах появляются гармоники, меняется только характер их появления:

• Для «ступеньки» степень искажения сигнала возрастает при уменьшении уровня сигнала.
• У «насыщения» обратная закономерность – при низком или нормальном уровне сигнала схема не вносит искажений и только при большом начинают сказываться негативные явления.

Дефект насыщения присущ всем усилителям и с ним борются или режимом «мягкого ограничения» или дополнительным узлом регулировки усиления, который уменьшает громкость при обнаружении проблем с чрезмерным уровнем сигнала.

Реальный сигнал звуковой частоты является сложным и содержит гармонические составляющие, т.е. синусоидальные колебания различной частоты, амплитуды, фазы. Если форма кривой на выходе усилителя отличается от формы кривой на его входе, то это отразится на качестве звука.

Причины появления искажений различны, и также различно их влияние на качество звука. Различают искажения:

Частотные;

Фазовые;

Нелинейные.

Частотные – это изменение формы кривой сигнала в результате неодинакового усиления колебаний разной частоты.

Причиной появления этих искажений являются реактивные элементы – индуктивности катушек и емкости конденсаторов, сопротивления которых зависят от частоты (вспомнить формулы Х с и Х L).

В результате частотных искажений нарушается соотношение между амплитудами составляющих сигналов разной частоты. Это воспринимается на слух как изменение тембра: если недостаточное усиление верхних частот, то звук становится глухим, а нижних - металлическим.

Численно частотные искажение определяются по частотной характеристике, т.е. зависимости коэффициента усиления от частоты сигнала, т.е. K дБ = f(f).

Рис. 5

На этой характеристике частоту следует откладывать в логарифмическом масштабе, а коэффициент усиления - как в логарифмическом масштабе, так и в относительных величинах или в дБ.

Частотный диапазон делится на отдельные области:

а) область средних частот - 300- 3000гЦ, в этой области мало сказывается влияние реактивных элементов;

б) область верхних частот - свыше 3000гЦ;

в) область нижних частот - ниже 300гЦ.

Частота 400гЦ (иногда 1000гЦ) называется средней (f о),

f н - нижняя граничная частота, f в - верхняя граничная частота.

При отсутствии частотных искажений характеристика имеет вид горизонтальной прямой. Если коэффициент усиления на граничных частотах уменьшается или увеличивается, то в характеристике будет некоторый спад или подъем вершин (рис. 5б). Оцениваются частотные искажения коэффициентом частотных искажений (М), который определяется: М = К 0 /К,

где K o - коэффициент усиления на средней частоте,

K- коэффициент усиления на данной частоте.

Обычно его определяют на граничных частотах, где он имеет максимальную величину

М н = К 0 /К н М в = К 0 /К в

Или его выражают в дБ по формулам:

М ндБ = 20 lg М н = K o дБ - K ндБ

М в дБ = 20 lg М в = K o дБ - K вдБ

Указанные формулы имеют одно неудобство: подъему характеристики соответствует знак минус, а спаду - плюс, что нарушает привычное представление о том, что положительные величины откладываются выше нулевого уровня, а отрицательные - ниже.

Поэтому при построении частотной характеристики используют стандартный бланк, на котором по оси ординат откладывается относительное усиление (Y) в дБ, и это есть величина, обратная коэффициенту частотных искажений, т.е.

Y = К/К 0 = 1/М или Y дБ = - М дБ

Для многокаскадного усилителя коэффициент частотных искажений (М) и относительное усиление (Y) определяются как произведение коэффициентов в относительных величинах или как их сумма в дБ.

Поэтому, если на одной частоте в одном каскаде спад, а в другом – такой же подъем, то общая частотная характеристика будет без искажений, что используется для коррекции ЧХ.

Малозаметные на слух частотные искажения составляют -+ 2 дБ, и эта их величина считается допустимой для УАС.

Фазовые - это искажения формы кривой сигнала, вызванные тем, что сдвиг фаз между выходным и входным сигналом не пропорционален частоте. Причина - наличие реактивных элементов. Как и частотные, фазовые искажения сказываются при усилении сложного сигнала, в котором нарушается соотношение между фазами отдельных составляющих. Оценить эти искажения можно по фазовой характеристике, т. е. зависимости угла сдвига фаз от частоты: φ = f(f).

Рис.6 Разложение сложного сигнала и фазовая характеристика

На слух фазовые искажения не воспринимаются, но если в усилителе есть цепь обратной связи, то они могут привести к генерации на высоких частотах.

Нелинейные – это изменение формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов.

Рис.7 Входная характеристика транзистора

По графику видно, что при отсутствии сигнала на базе действует напряжение базы покоя U бс и протекает ток базы покоя I бо - им соответствует точка покоя P. Искажения возникают, так как используется криволинейный участок характеристики P-А.

Причинами появления нелинейных искажений могут быть и нелинейность выходных характеристик, и неравномерность их сдвига при равных изменениях тока базы.

Любая несинусоидальная кривая раскладывается на составляющие: основную - с частотой сигнала и гармоник высшего порядка - с частотами, кратными частоте основного сигнала. И тогда, при подаче сигнала с частотой 400 Гц на выходе можно получить сигналы с частотами 400, 800, 1200, 1600 и т.д. Гц.

Кроме того, могут появиться комбинационные тона - это колебания с частотами, представляющими сумму или разность любой пары составляющих сложного сигнала. Они делают звук хриплым, дребезжащим, а речь - неразборчивой.

Для учета нелинейных искажений вводится понятие коэффициента гармоник К г

К г = √ P 2 + P 3 +…../ Р 1 100% или К г = √ I 2 + I 3 +…../ I 1 100% или

К г = √ U 2 + U 3 +…../ U 1 100%

Коэффициент гармоник выражает долю действующих значений высших гармоник в процентном отношении к основному сигналу.

Если преобладает, какая - либо из гармоник, то формула может быть упрощена:

К г = I 2 / I 1 100% - по второй гармонике;

К г = I 3 / I 1 100% по третьей гармонике.

Следует знать, что в симметричном сигнале преобладает третья гармоника, а в несимметричном - вторая гармоника. Численно коэффициент гармоник не должен превышать 1% на средних частотах.

Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления К. Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к мощности (напряжению, току) входного и характеризует усилительные свойства схемы. Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.

В отсутствие реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в К раз только амплитудой. В дальнейшем изложении материала речь пойдет о модуле коэффициента усиления, если нет особых оговорок.

В зависимости от требований, предъявляемых к выходным параметрам усилителя переменного сигнала, различают коэффициенты усиления:

а) по напряжению, определяемый как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к амплитуде переменной составляющей входного, т. е.

б) по току, который определяется отношением амплитуды переменной составляющей выходного тока к амплитуде переменной составляющей входного:

в) по мощности

Так как , то коэффициент усиления по мощности можно определить следующим образом:

При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, индуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину

где m и n - действительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала:

Положим, что коэффициент усиления К не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в К раз и по фазе на угол .

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как К - комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного.

Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления К в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме); фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. Амплитудно-частотная характеристика усилителя в общем виде представлена на рис. 1.2. Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей и высшей граничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значения на средней частоте .

Введя коэффициент частотных искажений на данной частоте ,

где - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью амплитудно-частотной характеристики определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеем на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах, т. е.

где - соответственно коэффициенты усиления по напряжению на высшей и низшей граничных частотах.

Обычно принимают , т. е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30-20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300-3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать так называемые широкополосные усилители, полоса пропускания которых располагается в диапазоне частот от десятков или единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Для оценки качества усилителя часто пользуются параметром

Для широкополосных усилителей , поэтому

Противоположностью широкополосных усилителей являются избирательные усилители, назначение которых состоит в усилении сигналов в узкой полосе частот (рис. 1.3).

Усилители, предназначенные для усиления сигналов со сколь угодно малой частотой, называются усилителями постоянного тока. Из определения ясно, что низшая граничная частота полосы пропускания такого усилителя равна нулю. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока дана на рис. 1.4.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения.

Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (пунктирная линия на рис. 1.5), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал . Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

где - коэффициент пропорциональности, определяющий угол наклона характеристики к оси абсцисс.

Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена на рис. 1.5 сплошной линией. Из рис. 1.5 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот.

Если коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала, то имеют место нелинейные искажения усиливаемого сигнала, обусловленные наличием в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Задавая закон изменения можно проектировать нелинейные усилители с определенными свойствами. Пусть коэффициент усиления определяется зависимостью , где - коэффициент пропорциональности.

Тогда при подаче на вход усилителя синусоидального входного сигнала выходной сигнал усилителя

где - амплитуда и частота входного сигнала.

Первая гармоническая составляющая в выражении (1.6) представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений.

Нелинейные искажения можно оценить с помощью так называемого коэффициента гармоник

где - амплитудные значения соответственно мощности, напряжения и тока гармонических составляющих.

Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Амплитудная характеристика четырехполюсников, состоящих только из линейных элементов, при любом значении теоретически является наклонной прямой. Практически же максимальное значение ограничивается электрической прочностью элементов четырехполюсника. Амплитудная характеристика усилителя, выполненного на электронных приборах (рис. 1.6), в принципе нелинейна, однако может содержать участки ОА, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности. Рабочий диапазон входного сигнала не должен выходить за пределы линейного участка (ОА) амплитудной характеристики усилителя, иначе нелинейные искажения превысят допустимый уровень.