Глава 3 Основные технические показатели усилителей

3.1. Общие сведения

Технические показатели усилителей характеризуют свойства усилителей и позволяют оценить их пригодность для того или иного применения. Технические показатели усилителей зависят от схемотехники усилителей и от свойств используемой в них элементной базы.

К основным техническим показателям усилителей относятся:

 выходные и входные показатели (данные);

 коэффициенты усиления и коэффициенты полезного действия;

 амплитудная характеристика и взаимосвязанные с ней собственные (внутрен- ние) помехи, нелинейные искажения и динамический диапазон;

 линейные искажения – амплитудночастотные (сокращенно, частотные), фазочастотные (сокращенно, фазовые) и переходные искажения и взаимо-связанные с ними амплитудно – частотная характеристика (сокращенно, частот-ная характеристика), фазочастотная характеристика (сокращенно, фазовая характеристика) и переходная характеристика;

 стабильность показателей;

 надежность.

Для рассмотрения сущности этих показателей можно использовать общую структурную схему усилительного тракта, приведенную на рис.2.1., или эквивалентную ей структурную схему по сигналу, приведенную на рис.3.1., в которой источник питания не указан, а источник сигнала и усилитель, как и на схеме рис.2.1., представлены соответственно в виде независимого активного двухполюсника с ЭДС Е_ист и внутренним сопротивлением Z_ист и зависимого активного четырехполюсника со входным сопротивлением Z_вх, с выходной ЭДС Е_вых и выходным сопротивлением Z_вых, работающего на нагрузку Z_н. При необходимости эквивалентные источники ЭДС Е_ист с Z_ист и E_вых с Z_вых могут быть заменены на эквивалентные источники тока, соответственно, I_{ист.к.з.} с Z_ист и I_вых.к.з. с Z_вых (см. раздел 2.1).

3.2. Выходные и входные показатели усилителей

К выходным показателям относятся требуемые напряжение U_вых, ток I_вых и мощность Р_вых (или P_н), развиваемые усилителем на заданном сопротивлении нагрузки Z_н при допустимых искажениях сигнала, а также выходное сопротивление усилителя Z_вых.

Все эти показатели в общем случае комплексные (см. раздел 2.1), но их определяют обычно в таких условиях работы усилителя (например, в области средних частот), при которых сопротивление нагрузки и выходное сопротивление усилителя можно считать резистивными, то есть Z_н=R_н и Z_вых=R_вых, а ЭДС Е_выx, напряжение U_вых и ток I_вых – действительными величинами, то есть Е_вых = Е_вых, U_вых = U_вых, I_вых=I_вых. В этих условиях при гармоническом сигнале будут справедливы следующие соотношения на выходе усилителя:

; . (3.1)

Здесь U_вых и I_вых – эффективные значения напряжения и тока. В случае использования для расчетов амплитудных значений напряжения и тока и эти соотношения будут иметь вид:

; . (3.2)

Выходная мощность Р_вых и выходное напряжение U_вых, развиваемые усилителем при гармоническом воздействующем сигнале на заданном резистивном сопротивлении нагрузки R_н при допустимых нелинейных искажениях сигнала, называются номинальными. Следует отметить, что кроме номинальной мощности определяют еще и максимальную мощность Р_{вых.макс} , соответствующую довольно большим нелинейным искажениям, характеризуемым коэффициентом гармоник К_г=10% (о сущности К_г будет сказано дальше).

Как видно из приведенных соотношений, сопротивление нагрузки существенно влияет на выходные показатели усилителей. Нередко его тоже относят к выходным показателям. Поэтому очень важно знать характер нагрузки. Так, например, в усилителе звуковой частоты (У3Ч) нагрузкой является звуковоспроизводящая система с резистивным сопротивлением 4, 8, 16 Ом. В трансляционных усилителях звуковой частоты нагрузкой является трансляционная сеть с абонентскими громкоговорителями, сопротивление которой может изменяться в течение суток в зависимости от числа подключенных абонентских громкоговорителей. В широкополосных усилителях (например, в многоканальной связи), к которым нагрузка подключается с помощью коаксиального кабеля, сопротивление нагрузки равно характеристическому сопротивлению коаксиального кабеля , равного, например, 50 Ом, или 75 Ом, или 150 Ом и т.д.

Несколько слов о выходном сопротивлении усилителя Z_вых (или на средних частотах R_вых). Оно определяется с помощью опытов холостого хода (Z_н = ) и короткого замыкания (Z_н = 0) по сигналу со стороны выхода усилителя:

, (3.3)

где U_{вых_х.х} = Е_вых - выходное напряжение сигнала при холостом ходе на выходе, то есть при Z_н= ,

I_{вых к.з} – выходной ток сигнала при коротком замыкании на выходе усилителя, то есть при Z_н=0.

Обычно оно должно быть малым, чтобы уменьшить влияние возможных изменений сопротивления нагрузки Z_н (R_н) на выходное напряжение усилителя U_вых. Так, в УЗЧ оно должно быть в несколько раз меньше сопротивления нагрузки Z_н (или R_н), чтобы подавлялись (демпфировались) механические резонансы подвижной системы громкоговорителей (динамиков). В связи с этим был введен особый показатель – коэффициент демпфирования К_д = R_н/R_вых, который в высококачественных усилителях может быть больше 100.

В трансляционных усилителях, сопротивление нагрузки которых R_н в течение суток может колебаться в зависимости от числа подключенных абонентских громкоговорителей, что приводит к изменению напряжения сигнала на выходе усилителя U_вых , выходное сопротивление R_вых должно быть достаточно малым, чтобы эти изменения U_вых не превышали допустимых значений. Способность трансляционного усилителя поддерживать постоянство U_вых характеризуется коэффициентом сброса, который в общем виде выражается соотношением

, (3.4)

а в области средних частот соотношением

. (3.5)

Требуемое значение коэффициента сброса нагрузки обеспечивается с помощью отрицательной обратной связи, которая уменьшает выходное сопротивление усилителей (см. главу 4 по обратной связи). В усилителях, работающих на кабельную (или воздушную) линию большой протяженности, выходное сопротивление усилителя должно быть согласовано с характеристическим сопротивлением линии, то есть R_вых=.

В заключение рассмотрения выходных показателей следует отметить, что в широко используемых операционных усилителях (ОУ) применяются и дополнительные показатели, такие, например, как предельный выходной ток, максимальное выходное напряжение, максимальная скорость нарастания выходного напряжения, характеризующая быстродействие ОУ и др.

Ко входным показателям усилителей относятся входное напряжение U_вх, входной ток I_вх и входная мощность Р_вх, при которых на выходе усилителя (на нагрузке усилителя) получаются заданные U_вых , I_вых, Р_вых при допустимых искажениях сигнала, а также входное сопротивление усилителя Z_вх, к которому от источника сигнала подводятся U_вх, I_вх и Р_вх. Нередко к входным показателям относят ЭДС источника сигнала Е_ист и внутреннее сопротивление источника сигнала Z_ист.

В общем случае все входные показатели комплексные, но их обычно определяют в условиях, при которых входное сопротивление Z_вх и сопротивление источника сигнала можно считать резистивными, а Е_ист, U_вх и I_вх – действительными, то есть Z_вх=R_вх, Z_ист= R_ист, Е_ист=Е_ист, U_вх=U_вх и I_вх=I_вх (например, в области средних частот).

В этом случае при гармоническом сигнале будут справедливы следующие соотношения для входной цепи:

; ; ; . (3.6)

Здесь: Е_ист , U_вх, I_вх – эффективные значения ЭДС, напряжения и тока . При использовании амплитудных значений ЭДС , напряжения и тока ; ; эти соотношения будут иметь вид :

; ; ;

(3.7)

.

Следует отметить, что входное напряжение сигнала, при котором на выходе усилителя получаются номинальные значения напряжения и мощности сигнала тоже называется номинальным.

Требования к входному сопротивлению усилителя зависят от назначения усилителя. Обычно оно должно быть большим (Z_вх >> Z_ист), чтобы свести к минимуму влияние сопротивления источника сигнала Z_ист. Но нередко на входе усилителя требуется обеспечивать согласование, то есть равенство сопротивления источника сигнала и входного сопротивления усилителя R_ист= R_вх, что диктуется либо необходимостью получения наибольшего коэффициента передачи мощности сигнала во входной цепи, либо требованиями со стороны источника сигнала, когда он подключается к усилителю с помощью кабельной линии большой протяженности.

Забегая вперед, следует отметить, что широко используемые операционные усилители помимо перечисленных входных показателей характеризуются рядом дополнительных специфических показателей, например, входным сопротивлением синфазному сигналу, предельным синфазным входным напряжением, входными токами и их разностью, средним температурным дрейфом входного тока, напряжением смещения и др., что обусловлено спецификой ОУ и, в частности, наличием у него двух сигнальных входов и др., о чем подробно будет рассказано дальше.