3.4. Коэффициенты полезного действия усилителей

Как отмечалось в главе 2, усилитель при работе потребляет от собственного источника питания определенную мощность Р₀, часть которой преобразуется в мощность усиленного сигнала Р_вых, подводимой к нагрузке, а часть безвозвратно теряется в УЭ и пассивных элементах усилителя, вызывая нежелательный нагрев этих элементов.

Для оценки степени использования в усилителе потребляемой им мощности Р₀ вводят полный (промышленный) коэффициент полезного действия (КПД), который представляет собой отношение номинальной мощности сигнала Р_вых = Р_н, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности Р₀, потребляемой всеми цепями усилителя от всех используемых в усилителе источников питания (в общем случае их может быть несколько):

. (3.17)

Промышленный КПД является важным энергетическим показателем, используемым при оценке экономичности работы усилителей, и особенно мощных усилителей и усилителей, питающихся от химических источников питания (аккумуляторов, батарей), а также усилителей на интегральных микросхемах (ИМС). При повышении промышленного КПД повышается экономичность работы усилителей и облегчается решение проблемы отвода тепла от нагревающихся элементов усилителей. В зависимости от назначения и схемотехники усилителей их промышленный КПД может быть в пределах от 0,2 до 0,7.

Кроме полного (промышленного) КПД, в усилителях используются еще и так называемые неполные КПД. Это КПД выходной цепи усилителя и КПД выходной цепи усилительного элемента (УЭ).

КПД выходной цепи усилителя представляет собой отношение мощности сигнала Р_вых = Р_н, отдаваемой в нагрузку усилителя, к мощности Р_0вых.ц, потребляемой от источника питания только выходной цепью усилителя:

. (3.18)

В отличие от промышленного КПД, учитывающего потери мощности во всех цепях усилителя, этот КПД учитывает потери мощности только выходной цепи: в УЭ и пассивных элементах выходной цепи, в элементах защиты усилителя от короткого замыкания, включаемых в выходную цепь усилителя и т.п.

КПД выходной цепи усилительного элемента (УЭ) представляет собой отношение мощности сигнала Р_{вых уэ}, отдаваемого усилительным элементом в выходную цепь, к мощности Р_0вых.ц, потребляемой выходной цепью от источника питания:

. (3.19)

Этот КПД широко используется для оценки и сравнения экономичности работы УЭ при различных режимах их работы, при различных способах их включения и при различных видах УЭ.

В заключение следует отметить, что коэффициенты полезного действия обычно выражаются в процентах: _ус %=_ус^.100; _вых.ц. %=_вых.ц.^.100; _выхуэ %=_{вых уэ}^.100.

3.5. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителей

Амплитудная характеристика (АХ) представляет собой зависимость амплитудного (или действующего) значения напряжения сигнала на выходе усилителя от амплитудного (или действующего) значения напряжения сигнала на его входе при подаче на вход гармонического колебания неизменной частоты (обычно средней частоты полосы пропускания усилителя fср, которая, например, в УЗЧ принимается равной 1000 Гц).

На рис.3.2 показаны идеальная (пунктиром) и реальная (сплошной линией) амплитудные характеристики.

U_вых

U_{вых макс}

К_ср.ч=U_вых/U_вх=tg (К*=U_вых/Е_ист=tg' )

U_{вых.мин} (' )

U_{n вых}

U_вх.мин(Е_{ист.мин}) U_{вх.макс}(Е_{ист.макс}) U_вх (Е_ист)

Рис.3.2

Идеальная АХ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат под углом , определяемым коэффициентом усиления по напряжению tg=U_{вых.ср.ч}./U_{вх.ср.ч.}=К_ср.ч.

Реальная АХ отклоняется от идеальной как в области очень малых входных напряжений (вследствие наличия в усилителе собственных помех U_п.вых, действующих на выходе усилителя и при отсутствии сигнала), так и в области слишком больших входных напряжений (вследствие перегрузки УЭ, в основном выходных УЭ, выражающейся в том, что амплитуда сигнала при этом выходит за пределы линейного участка характеристики УЭ, в результате чего нарушается пропорциональность между U_вых и U_вх и возникают нелинейные искажения формы сигнала).

Из рис.3.2 видно, что для нормальной работы усилителя на его вход следует подавать сигнал с напряжением не ниже U_вх.мин, при котором минимальное выходное напряжение U_{вых.мин} должно превышать в несколько раз напряжение собственных помех U_п.вых (обычно достаточно U_{вых.мин} 3 U_п.вых), и не выше U_{вх.макс}, при котором выходное напряжения должно быть соответственно U_{вых.макс} при едва заметных (точнее говоря, при допустимых) нелинейных искажениях сигнала.

Максимально допустимые напряжения U_{вх.макс} и U_{вых.макс} называются номинальными напряжениями, а получающиеся при этом мощности сигнала Р_{вх.макс} и Р_{вых.макс} – номинальными мощностями.

Отношение U_{вх.макс} / U_вх.мин (практически равное U_{вых.макс} / U_{вых.мин}) называется динамическим диапазоном усилителя:

. (3.20)

Динамический диапазон усилителя часто выражают в децибелах:

. (3.21)

Следует отметить, что иногда динамический диапазон усилителя в децибелах вычисляют через отношение мощностей:

.

Амплитудное (или действующее) значение ЭДС источника сигнала обычно изменяется от наименьшего значения E_{m.ист.мин} (или E_{ист.мин}) до наибольшего значения E_{m.ист.макс} (или E_{ист.макс}). Отношение E_{m.ист.макс} / E_{m.ист.мин} = =E_{ист.макс} / E_{ист.мин} называется динамическим диапазоном сигнала:

;

(3.22)

Д_С (дБ) = 20lg Д_С; Дс = .

Динамический диапазон сигнала зависит от типа источника сигнала. Так, например, динамический диапазон высококачественного студийного микрофона при передаче музыки симфонического оркестра составляет 70 дБ. Это хороший динамический диапазон, хотя надо заметить, что даже этот динамический диапазон меньше динамического диапазона звучания самого симфонического оркестра, вычисляемого как отношение максимального значения звукового давления р_макс к минимальному значению звукового давления р_мин , то есть Д_зв.орк.(дБ) = 20 lg(р_макс / р_мин), который достигает 80 дБ. Заметим здесь попутно, что далеко не все звукопреобразующие и звуковоспроизводящие устройства обладают таким большим динамическим диапазоном, как высококачественный студийный микрофон.

Чтобы усиливать сигнал с допустимыми нелинейными искажениями и допустимым отношением U_{вых.мин} / U_п.вых = U_вх.мин / U_п.вх , необходимо выполнять условие:

ДуДс. (3.23)

Для выполнения условия (3.23) приходится применять меры по увеличению Д_у путем уменьшения уровня собственных помех усилителя (для чего в усилителе применяют малошумящие входные УЭ) и путем использования выходных УЭ с более линейными вольтамперными характеристиками , а также более мощные УЭ с недоиспользованием их по мощности. Если этих мер недостаточно для выполнения условия (3.23), то сжимают динамический диапазон сигнала путем регулирования коэффициента усиления автоматически (АРУ) или вручную. При этом, конечно, качество звуковоспроизведения несколько ухудшается, но не в такой степени, как при перегрузке усилителя или при заглушении слабых сигналов помехами.

Следует отметить, что нередко АХ представляют в виде зависимости U_вых от входной ЭДС сигнала Е_ист (на рис3.2 Е_ист указано в скобках). Такая АХ называется сквозной, ее угол наклона  (на рис3.2 в скобках) характеризует сквозной коэффициент усиления по напряжению К^* (на рис 3.2 К^* указан в скобках), который будет меньше К (см. раздел о коэффициентах усиления). Сквозная АХ учитывает свойства не только выходной, но и входной цепи усилителя и, в частности, полнее учитывает нелинейные свойства усилителя.

В заключение следует подчеркнуть, что АХ является одной из важных характеристик усилителя, позволяющей с большой наглядностью оценить такие важные показатели усилителя, как коэффициент усиления по напряжению (или сквозной коэффициент усиления по напряжению), уровень собственных помех, допустимые минимальное и максимальное (номинальное) значения входных напряжений (или входных ЭДС) сигнала, допустимые минимальное и максимальное (номинальное) значения выходных напряжений сигнала, динамический диапазон и др.

К сожалению, АХ (в том числе и сквозная АХ) не позволяет дать количественную оценку возникающих в усилителе нелинейных искажений сигнала.

Нелинейные искажения сигнала в усилителе могут быть количественно оценены лишь с помощью так называемой сквозной динамической характеристики усилителя, которая представляет собой зависимость мгновенных значений выходного напряжения от мгновенных значений входной ЭДС сигнала u_вых = f (е_ист) (рис.3.3, а).

Она строится и для положительных и для отрицательных мгновенных значений входной ЭДС и выходного напряжения сигнала и проходит через начало координат. Эту характеристику, по существу, можно считать сквозной амплитудной характеристикой усилителя, отдавая при этом отчет, что она построена для мгновенных значений входной ЭДС и выходного напряжения сигнала. Ее такой и считают в УПТ, которые кроме переменных составляющих усиливают и постоянную составляющую сигнала, как положительную, так и отрицательную. В УПТ и в ОУ, которые являются типичными УПТ, эта характеристика является основной.

Поскольку входное сопротивление ОУ (или УПТ на полевых транзисторах) обычно на несколько порядков (на два и более) превышает внутреннее сопротивление источника сигнала, то в них вместо сквозной динамической характеристики можно использовать динамическую характеристику прямой передачи (проходную динамическую характеристику) u_вых = f(u_вх), в которой вместо входной ЭДС используют входное напряжение. Забегая вперед, можно отметить, что поскольку входные каскады ОУ (и УПТ) обычно выполняются по балансным схемам в виде дифференциальных каскадов, то реальная динамическая характеристика прямой передачи далеко не всегда проходит через начало координат: на практике она чаще всего смещена вправо или влево от начала координат (см. на рис 3.3.,б) пунктирные линии). В связи с этим для балансировки ОУ приходится подавать ЭДС смещения Е_см1 или Е_см2 (см.рис.3.3,б), чтобы динамическая характеристика прямой передачи проходила через начало координат (а это является непременным условием нормальной работы ОУ).

И, наконец, следует отметить, что в случае необходимости по оси ординат сквозной динамической характеристики и динамической характеристики прямой передачи вместо u_вых можно откладывать i_вых, а по оси абсцисс при сквозной динамической характеристике вместо e_ист можно откладывать i_{ист.к.з.} = e_ист / R_ист , и при динамической характеристике прямой передачи вместо u_вх можно откладывать i_вх.