Как найти коэффициент усиления на частоты

Коэффициент усиления.

В
зависимости от целевого назначения
усилители имеют коэффициенты:

а)
усиления по току Кi
=Iвых/Iвх;

б)
усиления по напряжению Кu
= Uвых/Uвх;

в)
усиления по мощности Кр
= Pвых/Pвх,
где Iвых
– ток в нагрузке, Iвх
– ток, потребляемый от входного источника
сигнала ec , Рвых
мощность, выделяемая в нагрузке, Pвх
– мощность, потребляемая от входного
источника ec.

Для
многокаскадных усилителей общий
коэффициент усиления равен произведению
коэффициентов усиления отдельных
каскадов:

К=K₁
К₂
…
К_n, (13.1)

где
n
– число каскадов.

Часто
коэффициенты усиления выражают в
логарифмических единицах децибелах –
дБ, что позволяет заменить произведение
коэффициентов усиления суммой их
логарифмов и строить логарифмические
амплитудно–частотные характеристики
(ЛАЧХ) усилителей. Такой подход позволяет
исследовать и синтезировать усилители
с заданными амплитудными и частотными
характеристиками.

Коэффициенты
усиления в децибелах:

Ku=20lgKu=20
lg(Uвых/Uвх);

Ku=20lg(Iвых/Iвх);

Ku=10lg(Pвых/Pвх); (13.2)

Полоса
пропускаемых частот (полоса пропускания)
усилителя. Полосой
пропускания называются тот диапазон
частот, в пределах которого усилитель
обеспечивает заданную величину
коэффициента усиления (не ниже чем в
корень из 2–х раз от максимального).

Диапазон
частот ограничивается верхней и нижней
граничной частотами, за пределами
которых частотная характеристика
усилителя снижается ниже допустимого
уровня. Снижение (завал) частотной
характеристики происходит из–за наличия
в схеме усилителя реактивных элементов,
сопротивление которых зависит от частоты
сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Идеальная
амплитудно–частотная характеристика
усилителя имеет форму прямоугольника
с основанием равным полосе пропускания
усилителя и высотой равной Ко.
Реальная частотная характеристика в
силу указанных выше причин приобретает
вид, изображенный на рис. 2-2

Рис13-2
Амплитудно-частотная характеристика
усилителя

На
амплитудно–частотную характеристику
усилительного каскада наибольшее
влияние оказывают две емкости: емкость
разделительного конденсатора
и паразитная емкость, нагружающая каскад
по переменной составляющей выходного
сигнала –Первая
из них включена последовательно с входом
каскада, вторая – параллельно выходу
каскада.

Поскольку
емкостное сопротивление конденсатора
определяется частотой сигнала:

,
(13.3)

то
ёмкость C₁
снижает усиление каскада в области
нижних частот, а емкость С₂
– в области верхних частот. На средних
частотах влиянием емкостей С₁
и С₂
можно пренебречь и поэтому усиление
каскада будет максимальным.

Чувствительность
усилителя.Чувствительность
усилителя определяется той минимальной
величиной тока или напряжения на входе
усилителя, при которой на выходе усилителя
создается номинальная мощность. Под
номинальной мощностью обычно понимают
мощность, при которой искажения не
превышают допустимой величины при
работе на расчетную нагрузку.

Собственные
шумы усилителя. Собственными
шумами усилителя называются сигналы
на выходе усилителя, которые существуют
и при отсутствии полезных сигналов на
входе усилителя.

Возникают
собственные шумы в результате теплового
перемещения зарядов на сопротивлениях
и хаотического движения носителей
зарядов в области базы транзистора.

Оцениваются
собственные шумы по шумовому фактору,
равному отношению мощности шума на
выходе усилителя к произведению к
мощности шума на входе усилителя,
помноженному на коэффициент усиления:

Динамический
диапазон частот. Динамическим
диапазоном усилителя называется
отношение величины максимального
допустимого сигнала на входе усилителя
к минимально – допустимому сигналу на
его входе и обычно оценивается в
децибелах. Определяется
он по линейной части амплитудной
характеристики усилителя рис. (2-3)

Амплитудная
характеристика усилителя не линейна
как в области малых, так и в области
больших сигналов. В области малых
сигналов отклонения от прямой линии
связаны с собственными шумами усилителя,
в области больших сигналов – с нелинейными
искажениями, вносимыми активными
усилительными элементами (в основном
– перегружающимися транзисторами) при
выходе рабочей точки за пределы линейного
участка характеристики.

Нелинейные
искажения. Нелинейными
искажениями называют искажения формы
усиливаемого сигнала в результате
нелинейности вольтамперных характеристик
отдельных элементов схемы усилителя
(например, транзисторов, катушек
индуктивности с ферромагнитными
сердечниками и т.д.). Причиной появления
значительных нелинейных искажений
может быть или неправильный выбор
начального положения рабочей точки
транзистора, или чрезмерно большая
величина входного сигнала, или неправильно
рассчитанная индуктивность.

Проявляются
нелинейные искажения в том, что при
подаче на вход усилителя чисто
синусоидального сигнала, на его выходе
появляются новые гармонические
составляющие, искажающие форму
первоначального сигнала.

Оцениваются
нелинейные искажения по коэффициенту
гармонии, равному отношению геометрической
суммы n напряжений высших гармоник Ui к
амплитуде первой гармоники U₁
на выходе усилителя:

(13.4)

В
практических расчетах обычно ограничиваются
несколькими первыми гармониками,
поскольку амплитудные значения гармонии
более высоких порядков незначительны.

Линейные
искажения. К
линейным искажениям относятся частотные
и фазовые искажения. Частотные искажения
оцениваются по амплитудно–частотной
характеристике усилителя (см. рис.2-2).

Мерой
частотных искажений служит коэффициент
частотных искажений, определяемый как
отношение коэффициента усиления на
средних частотах к коэффициенту усиления
на данной частоте.

Обычно
при расчетах значения коэффициентов
на данных граничных частотах принимаются
равными друг другу. В этом случае
коэффициент частотных искажений
определяется как:

(5)

Фазовые
искажения возникают в результате
неодинакового времени прохождения
отдельных гармонических составляющих
сложного сигнала через реактивные
элементы схемы усилителя.

В
результате на выходе усилителя образуются
фазовые (во времени) сдвиги гармонических
составляющих

График
зависимости угла сдвига фаз от частоты
усиливаемого сигнала называется фазовой
характеристикой усилителя.(рис.13-4)

Рис13-3Амплитудная
характерисика усилителя

Рис.13-4
Фазовая характеристика усилителя.

Переходные
искажения. Переходные
искажения играют существенную роль в
импульсном усилителе. Эти искажения
вызваны переходными процессами в цепях
усилителя содержащих реактивные
элементы, а также инерционностью активных
усилительных элементов (рис. 13-5).

Переходные
искажения оцениваются по переходным
характеристикам усилителя, представляющим
собой зависимость мгновенного значения
выходного напряжения от времени при
подаче на вход усилителя единичной
ступени напряжения (скачка напряжения)
Uвх.

Переходные
искажения подразделяются на искажения
фронтов и вершин усиливаемых импульсов.
Искажения фронтов импульса характеризуются
временем установления — t_ф
, т.е. временем, в течение которого
амплитуда выходного сигнала возрастает
от 0,1 до 0,9 своего максимального значения.
Искажения плоской вершины выходного
импульса характеризуются выбросом 
и спадом плоской вершины импульса
.

Рис.13-5.
Переходная характеристика усилителя

Перед
рассмотрением вопроса принципа работы
усилителного каскада необходимо
рассмотреть динамические характеристики
усилительного каскада, в котором
транзистор включен по схеме с ОЭ и когда
вход и выход схемы подключены к источникам
смещения
и.(рис
13-6)

Рис.
13-6 Простейшая схема усилительного
каскада, включенного по схеме с ОЭ.

Если
на вход не подан сигнал, то
по второму закону Киргофа

(13.6)

или

(13.7)

Это
уравнение динамического режима или
уравнение нагрузочной прямой.

Принцип
работы усилительного каскада. Принцип
работы усилителя рассмотрим на примере
усилительного каскада (рис. 13-7)

Здесь
происходит усиление как по току, так и
по напряжению.

а

,
следовательно

,
т.е.
и

Рис.
13-7 Принцип работы усилительного каскада

Пусть
на выход подаётся синусоидальный сигнал.

(13.8)

Если
на вход подаётся положительный потенциал,
то транзистор закрыт (отсечка), тогда
,
т.к.(см. уравнение 7.) Если на базу подаётся
отрицательный потенциал (участок ав),
то транзистор открыт (насыщение), тогдаповторяет,
но с большей амплитудой и в противофазе

(13.9)

Итак,
при подаче на вход усилительного каскада
небольшого переменного напряжения
на выходе получается усиленный источником
питаниясигнал той же формы. Однако амплитудане может превысить.
Таким образом, имея транзистор можно
при помощи маломощного источника
переменного входного напряжения,
управлять энергией источника питания
().
Если к усилительному каскаду добавитьRб₁,
а так же термостабилизирующую цепочку
Rэ
и Сэ, то получают полную схему одиночного
усилительного каскада. (рис. 13-8). Также
усилители имеют частотный спектр сигнала
от десятков Гц до десятков кГц и называются
усилителями низкой частоты (УНЧ).

Рис.
13-8. Полная схема одиночного усилительного
каскада с общим эмиттером (УНЧ).

силенный
источником питания нияа на бациал
(0ф00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

1)
и— резисторы, которые образуют делители
напряжения питания.

Прежде
чем подать на вход схемы переменное
входное напряжение, необходимо обеспечить
определённый режим работы транзистора
по постоянному току. Эммитерный p-n
– переход смещен в прямом направлнии
(,
а коллекторный – в обратном.
Напряжение от,
падающее на,
создает,
определяющее рабочую точку А.

Обычно
.
В этом случае при изменениинапряжение смещения на базе остается
постоянным, что обеспечивает активный
режим транзистора.

Сопротивление
делителя:

;


(13.10)

2)

—
резистор нагрузки, обемпечивающий режим
работы транзистора. На
выделяется мощность усиливаемого
сигнала.

3)
и— разделительные конденсаторы.не дает возможности постоянному току
протекать через источник входного
сигнала.—
на пропускает постоянную составляющую
тока в следующий усилителный каскад.

4)
—
цепочка предназначена для термостабилизации
режима работы усилительного каскада.

Усилитель
низкой частоты с двумя каскадами усиления
(УНЧ). На
рис. 13-9 представлена схема УНЧ, которая
состоит из двух усилительных каскадов
с электроёмкостной связью и применяется
в уселителях переменного напряжения.
Разделительные конденсаторы С₁
и С₂
служат для того, чтобы на вход следующего
каскада подавалась только переменная,
составляющая коллекторного напряжения,
предыдущего каскада. Остальные элементы
имеют такое же назначение как и элементы
полной схемы усилительного каскада
(рис. 2-8).

Рис.
13-9. Схема усилителя низкой частоты с
двумя каскадами.

Схема
замещения усилительного каскада.
На рис. 13-10 представлена эквивалентная
схема усилительного каскада с ОЭ.

Рис.
13-10. Схема замещения усилительного
каскада с ОЭ. (А – управляющий источник
тока базы, Rн-
эквивалентное сопротивление нагрузки).

В
этой схеме
—
это эквивалентное сопротивление
усилителя. Сопротивление первого каскадаRн,
которое равно входному сопротивлению
второго каскада легко можно рассчитать
пользуясь рис.13-20.

Динамическая
характеристика каскада усилителя и
режимы его работы.
Рабочая точка. Построение выходной
характеристика позволяет определить
ток, протекающий по цепи и, следовательно,
падение напряжений на каждом участке
цепи.

Для
построения выходной характеристики
(нагрузочной линии) (рис. 13-11а) на семействе
выходных статических характеристик
можно воспользоваться методом холостого
хода и короткого замыкания. При коротком
замыкании транзистора ток в цепи
нагрузки будет равен
(точка
на оси ординат), а при холостом ходе ток
в цели будет равен 0, на резисторе R
не будет падения напряжения и напряжение
на коллекторе транзистора будет равно
напряжению питания
(точка
на оси абсцисс).

Прямая,
соединяющие точки 
и 
и будет динамической характеристикой
(или нагрузочной линией). Рабочая точка
А – это точка пересечения нагрузочной
прямой с выбранным значением Iб.

Для
определения входного напряжения (Uбэ)
строят входную динамическую характеристику
на семейство входных статистических
характеристик (рис. 13-11а).

В
состоянии покоя (Uвх=0),
в цепи БЭ протекает ток покоя Iбо,
а напряжение Uбэ=Uбо.
Это электрическое состояние входной
цепи каскада можно изобразить в виде
точки С на входной динамической
характеристике и ей соответствует
выходной динамической характеристике
также точка С (Uко,
Iко).
Также точка называется рабочей точкой.
Если Uвх
превышает величину, составляющую
линейному участку 1,2 входной динамической
характеристики, то возникает искажение
форм входного сигнала.

РИС.13-11.Режимы
работы усилительного каскада.

Пересечение,
полученной нагрузочной линии и
вольтамперной характеристики транзистора
по заданным базовым током Iбр,
определяемым величиной резистора в
цепи базы Rб
, задает начальное положение рабочей
точки С,
координаты которой характеризуют ток
покоя Iкр,
протекающий по цепи и падение напряжений
на каждом из участков цепи (на активном
сопротивлении U_Rk
и на транзисторе Uкэп.

При
появлении на входе усилительного каскада
сигнала переменного напряжения Uвх,
постоянный ток в цепи базы начнет
алгебраически суммироваться с изменяющимся
током входного сигнала. Рабочая точка
С
при этом начнет перемещаться по
нагрузочной линии в пределах, определяемых
амплитудой тока входного импульса.
Перемещение рабочей точки С
будет вызывать изменение коллекторного
тока Iк
и коллекторного напряжения Uкэ.
Если
перемещение рабочей точки не достигнет
пределов, отмеченных цифрами 1 и 2 на
нагрузочной линии, то усиленный ток в
выходной цепи транзистора будет протекать
через резистор Rk
в течение всего периода изменения
входного сигнала. Транзистор при этом
будет работать в активной области, без
отсечки или насыщения коллекторного
тока. Такой режим работы транзистора
называется режимом усиления малого
сигнала или режимом усиления класса
«А»
(иногда режим усиления называют классом).

Если
же рабочая точка в результате
соответствующего выбора ее начального
положения или слишком большой амплитуды
входного сигнала окажется в области
насыщения, то на оба перехода транзистора
попадет смещение в прямом направлении,
оба р–n
перехода транзистора полностью откроются
и транзистор почти целиком будет
пропускать коллекторный ток. Причем
дальнейшее увеличение амплитуды входного
сигнала уже не будет вызывать дальнейшего
увеличения коллекторного тока. При
положении рабочей точки в области
отсечки оба р–n
перехода транзистора закроются. Он
скажется в запертом состоянии и
практически не будет пропускать
коллекторный ток.

Рис.13-11а.
Работа каскада в режиме усиления класса
«А»

Таким
образом, в зависимости от начального
положения рабочей точки и амплитуды
входного сигнала, ток в нагрузке может
протекать либо в течение всего периода
изменения входного сигнала, либо в
течение какой–то определенной части
этого периода.

В
зависимости от этого различают три
основных режима усиления классов: «А»,
«В»,
«С»,
«АВ», «Д».

Количественно
режимы усиления характеризуются
величиной угла отсечки .
Под углом отсечки понимают половину
той части периода, в течение которой
протекает ток через выходную цепь
усилительного элемента.

Очевидно,
что для режима усиления класса «А»,
рассмотренного выше, угол отсечки 
составляет 180°. В режиме усиления класса
«В»
угол отсечки составляет 
– 90°, в режиме усиления класса «С» угол
отсечки 
меньше 90°.

Режим
усиления класса «А»
обеспечивает минимальные искажения
усиливаемого сигнала, однако он
неэкономичен по расходованию энергии
источников питания, поскольку в этом
режиме постоянная составляющая тока
все время проходит через выходную цепь
усилительного каскада. Поэтому
транзисторные схемы, работающие в режиме
усиления класса«А»,
применяются в основном каскадах
предварительного усиления.

В
каскадах усиления мощности, в тех
случаях, когда в нагрузку требуют отдать
наибольшую мощность усиливаемого
сигнала при минимальном расходовании
энергии источников питания, применяется
режим усиления класса«В»,
обладающий высоким коэффициентом
полезного действия (до 70–75%).

Поскольку
усилительные каскады, работающие в
режиме усиления класса «В»,
пропускают только одну полуволну
усиливаемого напряжения, то в выходных
каскадах усилителей применяют двухтактные
симметричные каскады, позволяющие
получить высокий коэффициент полезного
действия при допустимых нелинейных
искажениях. (рис. 13-12).

Рис.
13-12. Работа усилительного каскада в
режиме усиления класса «В».

Режим
класса «С» применяют в мощных усилителях.
Этот режим характерен тем, что ток
коллектора протекает в течении промежутка
времени, которое меньше периода входного
сигнала, а ток покоя не наблюдается ()
рис. 13-13.

Рис.
13-13. Работа каскада в режиме усиления
класса «С».

Стабилизация положения рабочей точки.
Основные свойства усилительного
каскада определяются положением начала
рабочей точки, которые задаёт ток покоя
выходной цепиIок. Поэтому
при изменении температуры, замене
активного элемента и т.д. положение
рабочей точки не должно изменяться.

Эмиттерная стабилизация.Такая
стабилизация осуществляется ООС по
постоянному току. Напряжение ОС снимается
с резистораRэ, который
включен в цепь эмиттера. С изменением
температуры изменяется ток коллектораIок и ток покоя эмиттераIоэ и, например, они
увеличиваются. Рабочая точка должна
подняться вверх, но этого не произойдёт,
т.к. напряжение смещенияUоб
уменьшится и при этом уменьшатся и токи
транзистора, а рабочая точка останется
на месте.

Коллекторная стабилизация. Такая
стабилизация осуществляется ООС по
напряжению. Если напряжение подать
черезRб, который находится
между коллектором и базой, тоUоб
очень мало и им можно пренебречь, а при
увиличении, например, температуры, и
следовательно увеличениюIок,
напряжение на резисторе (Rб*Iоб)
уменьшится, т.е. уменьшитсяIоб,
а это в свою очередь не допустит увеличение
токаIок.

Обратная связь в усилителях. Обратной
связью в усилителях (ОС) называют передачу
электрического сигнала с выхода усилителя
на его вход (рис. 13-14).

Коэффициент передачи цепи обратной
связи:

, (13.11)

который показывает, какая часть выходного
сигнала передаётся на вход усилителя.

Рис. 13-14. Обратная связь в усилителях.

Коэффициент усиления по напряжению при
отсутствии обратной связи:

………………………………………………………….(13.12)

Различают в усилителях положительную
и отрицательную связь.

ОС называется положительной, если Uос
совпадает по фазе сUвх и
суммируется с ним. Коэффициент усиления
усилителя……………………….(13.13)

При ПОС коэффициент усиления увеличивается,
но увеличиваются все виды искажений.
ОС называется отрицательной, если Uос
иUвх находятся в противофазе
и взаимно вычитаются.

……………………………(13.14)

При ОС коэффициент усиления уменьшается
и уменьшает все виды искажений, увеличивает
Rbxи стабилизирует работу
схемы.

В зависимости от присоединение ОС к
входу усилителя различают: ОС
последовательную по напряжению (рис.
13-15А), последовательную по току (рис.
13-15В), параллельную по напряжению (рис.
13-15Б), параллельную по току (рис13-15Г) и
последовательную комбинированную
(рис.13-15д).

Рис. 13-15 . Обратная связь в усилителях.

Трансформаторные усилители мощности.
Усилители мощности используются для
передачи в нагрузку максимальной
мощности и в этой связи следует иметь
в виду, что важным параметром схемы
является коээициент полезного действия
(КПД). КПД таких устройств должен быть
высоким, что достигается при определённом
соотношении между сопротивлением
нагрузки и выходным сопротивлением.
Эти соотношения достигаются при включении
в схему усилителя трансформаторов и в
конечном итоге усиление мощности зависит
от коэффициента трансформации выходного
трансформатора. Трансформаторные
усилители мощности работают в режиме
А,В и АВ.

Однотактный трансформаторный усилитель
мощности. Однотактные усилители
мощности применяются для относительно
малых выходных мощностях (4-5 Вт). Примером
усилителя мощности является однотактный,
который включается по схеме с ОЭ. (рис.
13-16).

рис. 13-16. Однотактный трансформаторный
усилитель мощности.

Однотактные усилители мощности работают
в режиме усиления «А», который
характеризуется тем, что через транзистор
ток проходит в течение всего периода.
Максимальное мгновенное коллекторное
напряжение Uкm(рис.13-11)может значительно превышать
(почти в 2 раза)Ekза счёт
ЭДС самоиндукции в обмотках трансформатора.
Тогда на первичную обмотку ТР₂будет подаваться мощность равна:

Р=0,5 Ukm/Ikm……………………….(13.15)

Мощность на нагрузке составляет

Pн=P*КПД, ………………………..(13.16)

где КПД трансформатора составляющая
0,75÷0,95.

Мощность, которая потребляется усилителем
от источника питания

Рп=EкIкн ………………………..(13.16а)

Отношения Р к Ру для реальных схем
составляет 0,3÷0,35.

Тогда КПД усилителя есть отношение Pн
кPп.

Как показывают расчёты теоретический
КПД усилителя равен 50%, а реальный КПД
30%÷35%.

Двухтактные трансформаторные усилители
мощности. Двухтактный трансформаторный
усилитель мощности может работать в
схемах с ОЭ и с ОБ и в режимах классов
А, В, АВ. рассмотрим схему двухтактного
усилителя мощности в схеме с ОЭ и в
режиме класса В (рис.13-17).

Рис. 13-17. Двухтактный трансформаторный
усилитель мощности.

Если на базу подаётся отрицательная
полуволна входного сигнала, то транзистор
открыт, а при подаче положительной
полуволны – транзистор заперт и таким
образом в режиме класса В через транзистор
проходит ток только в течение полупериода.
Электрические токи в первичной обмотке
выходного трансформатора за оба
полупериода будут направлены встречно
и поэтому во второй обмотке ток будет
синусоидальным заданной увеличенной
амплитуды. Применение класса В позволяет
увеличить КПД схемы до 80% за счёт
уменьшения потерь мощности в транзисторах.
Нелинейные искажения могут быть уменьшены
за счёт создания незначительного
смещения входной цепи в цепи базы.

Следует заметить, что для снижения
нелинейных искажений следует применять
для усилителей режим класса АВ, но КПД
при этом снижается.

Бестрансформаторный усилитель
мощности. Схема двухтактного усилителя
мощности на транзисторахp-n-pиn-p-nпоказана на рис. 13-18.

Рис. 13-18. Схема двухтактного усилителя
мощности.

Транзисторы VT1 иVT2
усилителя работают в режиме класса В
аналогично как в двухтактном
трансформаторном усилители. При
поступлении на вход положительной
полуволныVT1 работает в
режиме усиления, аVT2 в
режиме отсечки. При подаче на вход
отрицательной полуволны транзисторы
меняются ролями. Максимальная мощность
на нагрузкеRн:

(13.17)

Чтобы уменьшить нелинейные искажения
следует применять для таких усилителей
режим класса АВ.

3.1. Коэффициент усиления усилителя

3.2. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Помехи в усилителях

3.3. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики

3.4. Нелинейные искажения

3.5. Временные характеристики усилителя

3.1. Коэффициент усиления усилителя

Всякий усилитель имеет две пары входных клемм и его можно представить в виде четырёхполюсника связи рис. 2.2 и рис. 2.6:

Рис. 2.6. Усилитель как четырёхполюсник связи

Отношение выходного напряжения U_ВЫХ к входному напряжению принято называть коэффициентом усиления по напряжению:

где: ; φ_н = φ_н.вых – φ_н.вх — учитывает изменение фазы сигнала при усилении. Аналогично, коэффициент усиления по току К_Т равен:

;

φ_т = φ_т.вых – φ_т.вх — учитывает изменение фазы тока при усилении.

Выходной ток I_ВЫХ, как видно из рис. 2.6, равен:

Влияние выходного сопротивления усилителя учитывается с помощью коэффициента усиления по ЭДС (сквозной коэффициент усиления)

Сквозной коэффициент усиления можно определить и по другому:

;

где – коэффициент передачи входной цепи. Приведённые коэффициенты усиления по напряжению и току являются безразмерными величинами. Иногда используются величины:

и

Называется сопротивление передачи (Z_T) и крутизны (D) усилителя и имеющие размерность [Ом] и [См]. Усиление усилителя по мощности К_М равно:

;

В технике связи коэффициенты усиления обычно выражают в логарифмических единицах (децибелах) обозначая их соответственно:

3.2. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Помехи в усилителях

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ). Она имеет вид, показанный на рис. 2.7:

Рис. 2.7. Амплитудная характеристика усилителя

Как видно из рис. 2.7амплитудная характеристика имеет три участка: два нелинейных (I и III) и линейный участок (II). Первый участок обусловлен влиянием собственных помех усилителя, а третий – нелинейностью характеристик усилительных элементов. Рабочим участком является второй. Он позволяет определить минимальное U_{ВХ. min} и максимальное значение входного сигнала. Отношение входных напряжений определяет динамический диапазон усилителя:

;

По амплитудной характеристике можно найти напряжение собственных помех U_{ПОМ.ВЫХ} усилителя при U_ВХ = 0. Это напряжение представляет сумму напряжений собственных шумов усилительных элементов усилителя, напряжение тепловых шумов резисторов, наводок, пульсаций источника питания (питание от сети). Собственные помехи усилителя характеризуют часто коэффициентом шума:

[дБм]

где Р_{ПОМ.ВЫХ.ИД.} – мощность собственных помех на выходе усилителя, элементы которого обладают помехами теплового происхождения.

Угол наклона характеристики α характеризует усилительные свойства усилителя. При большом коэффициенте усиления амплитудная характеристика идёт круче (угол α больше).

Коэффициент усиления и фаза любого усилителя зависят от частоты. Зависимость коэффициента усиления K(f) называется амплитудно-частотной характеристикой, а аргумента φ(f) фазо-частотной характеристикой. Их часто обозначают сокращенно: АЧХ и ФЧХ соответственно.

Форма сигнала после его усиления может быть сохранена в том случае, если усилитель является идеальным (т.е. не вносит искажений). Искажения будут отсутствовать, если в диапазоне частот, соответствующем спектру этого сигнала (от f_Н до f_В) АЧХ и ФЧХ будут иметь вид показанный на рис.2.8 и 2.9 соответственно.

В реальных усилителях эти условия обычно не выполняются. Отличие реальных характеристик от идеальных определяют амплитудно-частотные фазо-частотные искажения усилителя.

Рис. 2.10. Зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты

Количественно амплитудно-частотные искажения на любой частоте f_i определяются коэффициентом амплитудно-частотных искажений M_i (индекс i показывает частоту f_i):

;

Здесь К_Ф = К₀ – коэффициент усиления в области средних частот. Часто коэффициент амплитудно-частотных искажений определяют в логарифмических единицах:

М_i = 10^0,05·∆Si

В технике МСП часто используют усилители, частотные характеристики усиления которых имеют заданную форму, отличную от идеальной. В данном случае задаются допустимым отклонением коэффициента усиления реального усилителя от номинального значения на различных частотах рабочего диапазона. На рис. 2.11 показана заданная частотная характеристика (пунктирная линия) и характеристика реального усилителя (сплошная линия).

Рис. 2.11. АЧХ группового усилителя МСП ∆S – допустимые отклонения АЧХ

Во многих случаях допустимые фазо-частотными искажениями усилителя вообще не задаются, поскольку они не имеют значения. Чаще используют характеристику неравномерности группового времени распространения ∆t_ГР(f):

∆t_{ГР. i} = t_{ГР. i} – t_{ГР. МИН.}

Где t_{ГР. i} – абсолютное время задержки сигнала усилителем на данной частоте; t_{ГР. МИН.} – абсолютное время задержки, определённое на той частоте рабочего диапазона, усилителя, где оно минимально. Величина t_ГР(f) связана с ФЧХ уравнением:

Т.о. t_ГР(f) соответствует крутизне ФЧХ усилителя на данной частоте.

3.4. Нелинейные искажения

Элементы схемы усилителя в определённой степени зависят от воздействующего на них напряжения (тока) и, следовательно, обладают некоторой нелинейностью. Наиболее значительной нелинейностью обладают усилительные элементы, индуктивности и ферромагнитными сердечниками, трансформаторы. Нелинейность элементов схемы приводит к тому, что зависимость выходного напряжения усилителя от входного также становится нелинейной, рис. 2.12:

Рис. 2.12. Влияние нелинейности характеристик усилительного элемента на форму выходного сигнала.

В результате на выходе усилителя появляются спектральные составляющие, которые отсутствовали в исходном сигнале.

В многоканальной системе передачи нелинейность характеристик не только искажает передаваемую информацию, но вызывает дополнительные помехи, т.к. сигналы одних каналов могут образовывать спектральные составляющие, попадающие в полосу частот сигналов других каналов. Количественная оценка нелинейных искажений в усилителе производится с помощью коэффициента нелинейных искажений К_Г, равно:

;

где U1_Г, U_2Г, … , U_nГ – амплитуды напряжений 1, 2, … , n-й гармоник, возникающих на выходе усилителя при подаче на его вход синусоидального напряжения.

В технике МСП часто оценивают степень нелинейности по 2-ой и 3-ей гармоникам:

; ;

или в логарифмических единицах – затуханием нелинейности (в децибелах) по соответствующим гармоникам:

Установлено, что при возрастании уровня сигнала на выходе усилителя на ∆p:

затухание по i-ой гармонике уменьшается на величину (i – 1)·∆p, дБ:

На рис. 2.13 приведены зависимости затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам от выходного уровня сигнала.

Рис. 2.13. Зависимость затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам от выходного уровня сигнала

Отметим, что затухание A’_i2 справедливо лишь при малой нелинейности усилителя, т.е. до определённого значения Р_{ВЫХ. МАКС}. Нужно иметь ввиду, что основная доля нелинейных искажений возникает за счет выходного каскада усилителя, поэтому нелинейными искажениями за счет предварительных каскадов, обычно приобретают. Заметим, что величины А_2Г0 и А_3Г0 соответствуют выходной мощности Р_ВЫХ = 1 мВт.

3.5. Временные характеристики усилителя

При передачи импульсных сигналов в усилителях возникают искажения, обусловленные нестационарными (переходными) процессами из-за наличия в нём реактивных элементов (емкостей и индуктивностей). Для оценки этих искажений пользуются временными характеристиками: переходной и импульсной.

Переходной характеристикой h(t) усилителя называется зависимость мгновенного значения напряжения на его выходе от времени U_ВЫХ(t) при подаче на вход напряжения в виде единичной функции 1(t). Различают переходную характеристику для малых и больших времён. На рис. 2.14 приведена h(t) для малых времён.

Рис. 2.14. Зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на вход единичной функции 1(t) в области малых времен

Характеристика для малых времён определяет вид искажений фронтов импульсного сигнала. Реальная переходная характеристика для малых времён чаще всего изменяется по закону экспоненты, рис. 2.14 а). Реже переходный процесс сопровождается колебательным процессом, рис.2.14 б). Меру искажения импульсного сигнала определяют по времени установления t_УСТ. Время в течение которого напряжение на выходе изменяется от 0,1 до 0,9 от установившегося значения:

t_УСТ = t₂ – t₁;

При колебательном процессе t_УСТ меньше, но при этом появляются дополнительные искажения в виде выброса δU_ВЫХ:

.

Отметим, что искажение фронтов заметны при усиление импульсов малой длительности. При усилении импульсов большой длительности важно знать – насколько долго усилитель может сохранять постоянное напряжение на выходе, после подачи на вход усилителя единичной функции 1(t), рис 2.15.

Рис. 2.15. Зависимость выходного напряжения усилителя при подаче на вход единичной функции 1(t) в области больших времен.

Реальная h(t) для больших времён чаще всего спадает плавно. Искажения оцениваются величиной спада:

Искажения импульсных и гармонических сигналов взаимосвязаны. Те и другие обусловлены реактивными элементами схем и инерционностью работы усилительных элементов. Поэтому эти искажения называются линейными.

Основные технические характеристики усилителя

Коэффициент усиления по напряжению — отношение напряжения, получаемого на выходе усилителя, к напряжению, подведенному к его входу.

Это один из основных показателей» характеризующих работу усилителя напряжения. Для усилителей мощности более важной величиной является выходная мощность. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов. Каскад — это часть электронной схемы, выполняющая определённую конечную функцию, — например предварительное усиление напряжения или согласование входных и выходных сопротивлений.

Часто коэффициент усиления измеряется в логарифмических единицах — децибелах. Коэффициент усиления по напряжению, выраженный в децибелах определяют по формуле:

Если коэффициенты усиления, выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления усилителя равен сумме коэффициентов усиления каскадов.

Кроме коэффициента усиления по напряжению, иногда пользуются коэффициентами усиления по току или коэффициентами усиления по мощности.
Выходная мощность является одной из основных величин, характеризующих оконечные каскады (усилители мощности). Максимальная мощность на выходе усилителя ограничена искажениями, возникающими за счет нелинейности характеристик ламп при больших амплитудах сигналов.
Номинальная выходная мощность — наибольшая мощность, при которой искажения не превышают допустимой величины.
Номинальное входное напряжение — напряжение, которое нужно подвести ко входу усилителя, чтобы получить номинальную выходную мощность.

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) усилителя — позволяет оценивать его экономичность. Различают электрический и промышленный к. п. д.
Электрический к. п. д. усилительного каскада равен отношению его полезной выходной мощности к мощности, потребляемой от источника анодного напряжения.
Промышленный к. п. д. равен отношению полезной мощности к мощности, потребляемой от всех источников, питающих данный каскад.
Входное сопротивление усилителя — сопротивление переменному току, которое представляет входная цепь усилителя для источника входного напряжения. Входное сопротивление усилителя зависит от частоты напряжения, подведенного к его входу.
Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) — область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.
Необходимые минимальные граничные частоты полосы пропускания усилителей для некоторых трактов передачи и усиления:
Высококачественное ЧМ радиовещание ( УКВ и FM ) ……… 40 — 16000 Гц
Высококачественное AM радиовещание ( 1 -го класса ) ……… 50 — 8000 Гц
Радиовещание ( 2-го класса ) ………………………………… 80 — 5000 Гц
Магнитная звукозапись и звуковое кино ………………… 40 — 12000 Гц
Hi — End звуковоспроизведение …………………………… 20 – 20000 Гц
Телефония …………………………………………………… 300— 2500 Гц

Динамический диапазон амплитуд — отношение (в децибелах — дБ) амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов. Уровень наиболее слабого передаваемого сигнала ограничивается в усилителе его собственными шумами или уровнем помех. Величина максимального передаваемого напряжения ограничена искажениями, возникающими в усилителе за счет нелинейности характеристик ламп. Передача будет вполне удовлетворительной, если воспроизводятся мощности, отличающиеся в 1 миллион раз. Для этого необходимо передавать напряжения, отличающиеся в 1000 раз (динамический диапазон 60 дБ).
Искажения в усилителях низкой частоты. Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности характеристик электронных ламп, полупроводниковых триодов и характеристик намагничивания трансформаторных сердечников, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе на выходе его возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие на входе.
Степень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник), представляющим собой отношение корня квадратного из суммы квадратов напряжений гармоник к напряжению основной частоты (первой гармоники):                 

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. В пятидесятых годах прошлого столетия считалось, что в усилителях, предназначенных для АМ радиоприемников и магнитофонов величина коэффициента гармоник не должна превышать 5 — 7%, а в телевидении и радиотелефонии допускается 15—20%. Современная ламповая схемотехника, позволяет значительно снизить эти величины вплоть до 1 — 2%.

Комбинационные тона — получаются тогда, когда на вход усилителя, вносящего нелинейные искажения, подводятся одновременно колебания нескольких частот. В этом случае на входе, кроме этих частоти их гармоник, появляются суммарные и разностные частотные комбинации между любой, в том числе и первой, гармоникой одной частоты и любой гармоникой другой частоты. Комбинационные тона могут получаться при усилении любой аудиопрограммы.

Искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах, называются частотными искажениями.

Частотные искажения можно оценить по частотной характеристике усилителя.
Частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления от частоты или зависимость от частоты отклонения от среднего значения коэффициента усиления.

На схеме показан пример частотной характеристики усилителя звуковой частоты. Изменение усиления на разных частотах по отношению к коэффициенту усиления К0 в области средних частот выражено в децибелах. Масштаб по оси частот логарифмический.
Коэффициент частотных искажений — отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на данной частоте. Для частотных искажений в области нижних частот

и в области верхних частот, усиливаемого диапазона

где К0, Кн и Кв — коэффициенты усиления на средних, низких и высоких — частотах соответственно.
Фазовыми искажениями — называются искажения, возникающие при сдвиге фазы выходного напряжения усилителя на угол φ относительно фазы входного напряжения.

Переходные искажения появляются в результате наложения на воспроизводимый сигнал неустановившихся процессов. Особенно существенными в этом отношении являются неустановившиеся процессы подвижной системы громкоговорителей. Для уменьшения переходных искажений нужно уменьшать выходное сопротивление усилителя.

Микрофонные помехи (микрофонный эффект) — наведение в цепях усилителя мешающего напряжения в результате воздействия на шасси и лампы усилителя механических колебаний в виде звуковых волн, вибраций, ударов и пр.

Фон питающей сети – может присутствовать на выходе усилителя, питаемого от сети переменного тока. Представляет собой переменное напряжение с частотой питающего тока и его гармоник (50, 100, 150, 200 Гц и т. д.), вследствие чего в громкоговорителе бывает слышен фон переменного тока. ГОСТом на радиовещательные приемники от 1956 года, устанавливался уровень напряжения фона на выходе усилителей, который должен был быть меньше наибольшего напряжения полезного сигнала, в 200 раз (46 дб) для приемников 1-го класса, в 70 раз (37 дб) — для приемников 2-го класса и в 20 раз (26 дб) — для приемников 3-го класса.

Каждый электронщик должен знать основные параметры усилителя, так как усилитель в электронике используется абсолютно везде. В этой статье мы рассмотрим самые важные параметры усилителей.

Входное и выходное сопротивление

Кто в первый раз сталкивается с этими понятиями, читайте эту статью. Кому лень читать, вкратце объясню здесь из прошлой статьи. Каждый усилительный каскад имеем свое входное и выходное сопротивление. На схеме R_вх и R_вых

Входное сопротивление усилителя находится по формуле R_вх =U_вх / I_вх . Думаю, здесь вопросов возникать не должно. Эта формула справедлива как для постоянного тока, так и для переменного. В случае с постоянным током — это у нас будет усилитель постоянного тока (УПТ).

Немного иначе обстоят дела с выходным сопротивлением. В теории, можно замкнуть выходные клеммы 3 и 4 накоротко. В этом случае во выходной цепи усилителя у нас появится ток короткого замыкания I_кз

Более наглядно:

Ну и по закону Ома нетрудно догадаться, что R_вых = E_вых / I_{кз .} Но как же найти Е_вых ? Достаточно разомкнуть цепь и просто и замерить напряжение мультиметром. Это и будет E_вых. Физический смысл очень простой. Так как вольтметр обладает очень высоким входным сопротивлением, то в цепи у нас почти не будет течь ток, так как по закону Ома I=U/R. А если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то, следовательно, I_кз будет бесконечно малое.

В этом случае этим бесконечно маленьким током можно пренебречь и считать, что в цепи нет никакой силы тока. А раз сила тока равна нулю, то  и падение напряжения на R_вых также будет равняться нулю или формулой: U_Rвых = IR_вых = 0 Вольт. Следовательно, на клеммах 3 и 4 мы будем замерять E_вых .

Выходное сопротивление усилителя можно найти двумя способами: теоретическим и практическим. Теоретический способ, часто сложен, поскольку неизвестны многие параметры «черного ящика», называемого усилителем. Проще определить выходное сопротивление практическим путем.

[quads id=3]

Как найти выходное сопротивление на практике

Что нужно для этого? Номинальная мощность усилителя и допустимое напряжение на выходе. Не важно — усилитель это постоянного или переменного тока (напряжения). Тестирование усилителя любого типа желательно выполнять на уровне 70% допустимой выходной мощности. Это общая практика.

Если вы не забыли, мультиметр в этом случае нам покажет ЭДС  E_вых , т. е. в данном случае E_вых = U_вых . (Что такое ЭДС).

Номинал нагрузочного сопротивления должен выбираться исходя из допустимого тока и мощности усилителя.

Пример:

Выходная мощность усилителя 10 Вт, допустимое выходное напряжение (эффективное) 100 В. В этом случае, резистор нагрузки должен иметь сопротивление не менее R=U²/P = 10000/10 = 1 кОм. Мощность резистора: P_R = U²/R = 10000/1000 = 10 Вт

Какой же физический смысл этого опыта? В результате этих шагов,  у нас цепь станет замкнутой, а два сопротивления, R_вых и R_н , образуют делитель напряжения. Сюда же можно приписать закон Ома для полной цепи, который выражается формулой:

где

I — сила тока в цепи, А

E — ЭДС, В

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Применительно к нашей ситуации, формула будет иметь такой вид:

Отсюда получаем:

Или словами, ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

Как вы могли заметить, падение напряжения на сопротивлении R_вых зависит от силы тока в цепи. Чем больше сила тока в цепи, тем больше падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых . Но от чего же зависит сила тока в цепи? От нагрузки R_н ! Чем она меньше, тем больше сила I_вых в цепи, тем больше будет падение напряжения на R_вых , а значит, падение напряжения на U_Rн будет меньше.

Теперь, зная этот принцип, можно косвенно вычислить выходное сопротивление R_вых .

Шаг номер 3: Замеряем напряжение на нагрузке U_Rн. Вспоминаем формулу выше:

отсюда

из формулы

Получаем, что

Далее что нам требуется — это увеличивать входное напряжение и снимать выходное напряжение — так мы увидим всю нелинейность выходной характеристики от тока и сможем замерить выходное сопротивление в диапазоне нагрузок, так как большинство усилителей мощности имеют нелинейность выходного сопротивления от допустимого тока нагрузки.

Коэффициент усиления

Про коэффициенты усиления мы писали еще в прошлой статье.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон — это диапазон частот, где коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, заданных в технических условиях на усилитель. Для этого надо построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на уровне -3 децибел. Почему именно -3 дБ? В свое время так было удобнее учитывать передаваемую энергию. В полосе — 3 дБ передается 50% мощности сигнала.

Но иногда требуется незначительное изменение коэффициента усиления. Например, в -1 дБ. В этом случае рабочий диапазон частот усилителя будет меньше:

Собственные шумы усилителя.

Что же такое шум?

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Фон

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум  будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я  про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.

Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Отношение сигнал/шум

Пусть у вас дома стоит телевизор, который ловит аналоговое вещание. На экране телевизора мы видим четкую картинку:

Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра чуток отклонилась в сторону и изображение ухудшилось

Потом антенна вообще упала с крыши, и на телевизоре мы видим теперь что-то типа этого

В каком случае отношение сигнал/шум будет больше, а в каком меньше? На первой картинке, где четкое изображение, отношение сигнала к шуму будет очень большое, так как не первой картинке мы простым взглядом не можем уловить каких-либо помех на изображении, хотя по идее они есть).

На второй картинке мы видим, что в изображении появились помехи, которые делают некомфортным просмотр картинки. Здесь отношение сигнала к шуму  уже будет намного меньше, чем на первой картинке.

Ну и на третьей картинке шумы почти полностью одолели изображение. В этом случае можно сказать , что отношение сигнала к шуму будет ну очень малым.

Отношение сигнал/шум является количественной безразмерной величиной.

В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен в несколько раз превышать шумы, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал суммируется с шумовым.

Отношение сигнал/шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S/N.

Так как порой это отношение достигает очень больших значений в цифрах, поэтому чаще всего его выражают в децибелах:

где

U_cигнал —  среднеквадратичное значение полезного сигнала, В

U_шум  — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В

P_сигнал  — мощность сигнала

P_шум  — мощность шума

То есть в нашем случае с котиком на первой картинке амплитуда  полезного видеосигнала в разы превосходила амплитуду шума, поэтому первая картинка была четкой. На третьей картинке амплитуда полезного видеосигнала почти была равна амплитуде шума, поэтому картинка получилась очень зашумленной.

Еще один пример. Вот синусоидальный сигнал с SNR=10:

А вот тот же самый синус с SNR=3

Как вы могли заметить, сигнал с SNR=10 намного «чище», чем с SNR=3.

SNR чаще всего можно увидеть при описании характеристик усилителя звука. Чем выше SNR, тем лучше по качеству звучания будет усилитель. Для HI-FI систем звучания этот показатель должен быть от 90 дБ и выше.  Для телефонных разговоров вполне достаточно и 30 дБ.

На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью милливольтметра с trueRMS, либо с помощью анализатора спектра.

[quads id=3]

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды сигнала на выходе от входного сигнала при фиксированной частоте. Обычно она составляет 1 кГц.

Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть вот так:

Это луч, который начинается от нулевой точки отсчета координат и простирается в бесконечность.

Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит вот так:

Здесь мы видим, что если даже входное напряжение U_вх =0, то на выходе усилителя мы все равно получим какой-то уровень сигнала. Это будет напряжение шума U_ш .

Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором  обеспечивается заданное отношение сигнал/шум:

Чтобы понять концовку определения «обеспечивается заданное отношение сигнал/шум» динамического диапазона, давайте рассмотрим наш рисунок:

Допустим, наш усилитель должен иметь SNR=90 дБ. Будет ли правильно, если мы возьмем U_{вых мин}  за  U_шум?

Конечно же нет!  В этом случае в этой точке на графике амплитуды сигнала и шума будут равны, а следовательно, по формуле

получим, что SNR=0 дБ.

Непорядок. Значит, надо взять такое значение U_вых , при котором бы соблюдалось равенство

Допустим, что U_шум =1 мкВ, подставляем в формулу

Из этого уравнения находим U_вых . Это  будет как раз являться U_{вых. мин.} для формулы:

при SNR=90.  В нашем случае это будет точка А.

U_{вых макс} берем в точке B, так как в этом случае это максимальное значение, при котором у нас в усилителе не возникают нелинейные искажения (о них чуть ниже).

Рабочая область усилителя будет обеспечиваться на отрезке АВ. В этом случае у нас будут минимальные искажения в сигнале, так как эта область линейная. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это предельный уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.

Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей области в большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а в меньшую — полезный сигнал задавят помехи. Да вы и сами, наверное замечали, что выкрутив на полную катушку ручку громкости дешевой китайской магнитолы, у нас качество звучания оставляло желать лучшего, так как в дело «вклинивались» нелинейные искажения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД представляет из себя отношение мощности на нагрузке усилителя к мощности, которая потребляется усилителем от источника питания

где

P_вых  — это мощность на нагрузке, Вт

P_и.п.  — мощность, потребляемая источником питания, Вт

Искажения, вносимые усилителем

Искажения определяют сравнением формы сигнала на входе и на выходе. Идеальным является усилитель, который в точности повторяет форму сигнала, поданного на вход. Но так как наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то и на выходе у нас сигнал будет всегда немного искаженный. Главное, чтобы эти искажения не были столь критичны.

В основном искажения делятся на 4 группы:

• Частотные
• Фазовые
• Переходные
• Нелинейные

Частотные искажения

Частотные искажения возникают вследствие того, что коэффициент усиления во всем диапазоне частот не одинаковый. Или простыми словами, какие-то частоты усиливаются хорошо, а какие-то плохо). Чтобы в этом разобраться, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.

В данном случае мы можем увидеть, что низкие и высокие частоты будут усиливаться меньше, чем средние частоты. А так как сложный сигнал состоит из множества частотных составляющих, вследствие этого и возникнут частотные искажения.

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают из-за того, что разные частоты с разной задержкой по времени появляются на выходе усилителя. Какие-то частоты запаздывают больше, а какие-то меньше. Давайте все это рассмотрим на примере двух картинок.

Допустим, мы «загоняем» на вход синусоидальный сигнал с низкой частотой и на выходе получаем уже усиленный сигнал, но немного с небольшой задержкой.

Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы являются частото-зависимыми радиоэлементами. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, прогоняя через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим уже совсем другую задержку сигнала

То есть в нашем случае t₁ ≠ t₂ . Хорошо это или плохо?  Если мы будем усиливать синусоиду, то в принципе нам по барабану. Какая разница раньше он появится на выходе или позже? Главное то, что сигнал будет усиленный.

Все бы ничего, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид различных частот и амплитуд.

Чтобы понять, что такое сумма сигналов, достаточно рассмотреть вот такие примеры:

ну и еще один, мне не жалко)

Складываем амплитуды в одинаковые моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.

А вот так из разных синусоид разных частот складывается прямоугольный сигнал:

В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.

Но так как у нас усилитель задерживает разные сигналы по частоте по-разному, то у нас между сигналами происходит разнобой. Лучше всего это объяснит рисунок ниже. Имеем два синусоидальных сигнала с разной частотой и амплитудой:

Если их сложить, получим сложный сигнал:

Но что будет, если второй сигнал сдвинется по фазе относительно первого?

Смотрим теперь сумму этих сигналов:

Абсолютно другой сигнал! Чувствуете разницу? Чуток сдвинули фазу, а форма сигнала уже поменялась.

То есть на выходе усилителя мы хотели получить вот такой усиленный сигнал:

а получили такой:

В результате фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий  из двух синусоид, поменял форму. На выходе усилителя мы получили совсем другой сигнал. А как вы помните, роль усилителя заключается в том, чтобы усиливать сигнал, сохраняя при этом его форму.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это график зависимости угла сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Выглядеть она может примерно вот так:

где

φ — это сдвиг фазы относительно входного и выходного сигнала

f — частота сигнала

Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что даже изменяется форма сигнала. Поэтому при проектировании звуковых усилителей  фазовые искажения не принимают во внимание.

Частотные искажения и фазовые искажения относят к линейным искажениям, так как оба вида искажений  обусловлены линейными элементами схемы.  Если сказать по научному, у нас в спектре сигнала не появляется дополнительных гармоник.

Переходные искажения

Переходным искажением называют искажение прямоугольного импульса, которое подается на вход усилителя. На выходе такой импульс будет иметь уже другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.

Для оценки переходных искажений используют переходную характеристику. Она представляет из себя зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи на его вход прямоугольного импульса.

На рисунке ниже имеем прямоугольный сигнал, который подаем на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажения вызваны, как обычно, с наличием в схеме усилителя реактивных радиоэлементов, то есть тех же самых катушек индуктивности и конденсаторов.

Для оценки переходных искажений используют такие параметры:

U_m — это амплитуда импульса, отсчитывается от плоской вершины импульса, В

ΔU_в — это выброс фронта импульса, В

ΔU_с — спад вершины импульса, В

Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1U_m  и до 0,9U_m :

t_ф  — длительность фронта импульса

t_c — длительность спада импульса

А длительность самого импульса t_и измеряется на уровне 0,5U_m .

Нелинейные искажения

Ну и напоследок мы с вами разберем нелинейные искажения. Нелинейными она называются из-за того, что такие искажения уже меняют форму сигнала, в отличие от линейных искажений. Все дело в том, что электронные лампы и полупроводники имеют нелинейную характеристику. Давайте рассмотрим все это дело более подробно.

Как вы могли заметить, на выходе у нас форма сигнала изменилась. Нашу верхнюю часть синусоиды усиленного сигнала немного «придавило». То есть мы подавали сигнал одной формы, а вышел сигнал совсем другой формы. Это не есть хорошо и с этим надо бороться.

Если сказать более научным радиотехническим языком, в нашем сигнале появились дополнительные гармоники, которых не было в исходном сигнале. В данном случае мы на вход загоняли простой синусоидальный сигнал, состоящий из одной гармоники, а получили на выходе сложный сигнал, состоящий уже из нескольких гармоник.

Для количественной оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармонических искажений (КГИ). Он выражается формулой:

Эта величина находится как отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала.

или на английский манер

Также есть и подобный параметр коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Он выражается формулой:

на английский манер

Эти два параметра выражаются в процентах. Для малых значений коэффициенты КГИ и КНИ почти совпадают. Так что коэффициент искажений можно считать как по первой, так и по второй формуле.

Консультант Jeer

Основные параметры усилителей низкой частоты и акустики. Что нужно знать, чтобы не попасться на удочку маркетологов

Благодаря торговым сетям и интернет магазинам разнообразие предлагаемой к продаже аудиоаппаратуры зашкаливает за все разумные пределы. Каким образом выбрать аппарат, удовлетворяющий вашим потребностям к качеству, существенно не переплатив?

Если вы не аудиофил и подбор аппаратуры не является для вас смыслом жизни, то самый простой путь — уверенно ориентироваться в технических характеристиках звукоусилительной аппаратуры и научиться извлекать полезную информацию между строк паспортов и инструкций, критически относясь к щедрым обещаниям. Если вы не ощущаете разницы между dB и dBm, номинальную мощность не отличаете от PMPO и желаете наконец узнать, что такое THD, также сможете найти интересное под катом.

Я надеюсь что материалы данной статьи будут полезны для понимания следующей, которая имеет намного более сложную тему — «Перекрёстные искажения и обратная связь, как один из их источников».

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?

Одним из основных параметров усилителя является коэффициент усиления — отношение выходного параметра усилителя к входному. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению, току или мощности:

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Коэффициент усиления УНЧ может быть очень большим, ещё большими значениями выражаются усиление операционных усилителей и радиотрактов различной аппаратуры. Цифрами с большим количеством нулей не слишком удобно оперировать, ещё сложнее отображать на графике различного рода зависимости имеющие величины, отличающиеся между собой в тысячу и более раз. Удобный выход из положения — представление величин в логарифмическом масштабе. В акустике это вдвойне удобно, поскольку ухо имеет чувствительность близкую к логарифмической.

Поэтому коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах (русское обозначение: дБ; международное: dB)

Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, поэтому величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей, а коэффициент усиления по мощности вычисляется по формуле:

Немного другим образом обстоит дело с «неэнергетическими» величинами. Для примера возьмём ток и выразим через него мощность, воспользовавшись законом Ома:

тогда величина выраженная в децибелах через ток будет равна следующему выражению:

Аналогично и для напряжения. В результате получаем следующие формулы для вычисления коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления по току в дБ:

Коэффициент усиления по напряжению в дБ:

Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?

В акустике «уровень интенсивности»

или просто громкость

звука L тоже измеряют в децибелах, при этом данный параметр является не абсолютным, а относительным! Всё потому, что сравнение ведётся с минимальным порогом слышимости человеческим ухом звука гармонического колебания — амплитудой звукового давления 20 мкПа. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления можно написать:

где не ток, а интенсивность звукового давления звука с частотой 1 кГц, который приближенно соответствует порогу слышимости звука человеком.

Таким образом, когда говорят, что громкость звука равна 20 дБ, это означает, что интенсивность звуковой волны в 100 раз превышает порог слышимости звука человеком.

Кроме этого, в радиотехнике чрезвычайно распространена абсолютная величина измерения мощности dBm (русское дБм), которая измеряется относительно мощности в 1 мВт. Мощность определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники — обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники — 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет примерно 20 мВт).

Разделяй и властвуй — раскладываем сигнал в спектр.

Пора переходить к более сложной теме — оценке искажений сигнала. Для начала придётся сделать небольшое вступление и поговорить о спектрах. Дело в том, что в звукотехнике

и не только

принято оперировать сигналами синусоидальной формы. Они часто встречаются в окружающем мире, поскольку огромное количество звуков создают колебания тех или иных предметов. Кроме того, строение слуховой системы человека отлично приспособлено для восприятия синусоидальных колебаний.

Любое синусоидальное колебание можно описать формулой:

где длина вектора, амплитуда колебаний, — начальный угол (фаза ) вектора в нулевой момент времени, — угловая скорость, которая равна:

Важно, что с помощью суммы синусоидальных сигналов с разной амплитудой, частотой и фазой, можно описать периодически повторяющиеся сигналы любой формы. Сигналы, частоты которых отличаются от основной в целое число раз, называются гармониками исходной частоты. Для сигнала с базовой частотой f, сигналы с частотами

будут являться чётными гармониками, а сигналы

нечётными гармониками

Давайте для наглядности изобразим график пилообразного сигнала.

Для точного представления его через гармоники потребуется бесконечное число членов. На практике для анализа сигналов используют ограниченное число гармоник с наибольшей амплитудой. Наглядно посмотреть процесс построения пилообразного сигнала из гармоник можно на рисунке ниже.

А вот как формируется меандр, с точностью до пятидесятой гармоники…

Подробнее о гармониках можно почитать в замечательной статье пользователя dlinyj, а нам пора переходить наконец к искажениям.

Наиболее простым методом оценки искажений сигналов является подача на вход усилителя одного или суммы нескольких гармонических сигналов и анализ наблюдающихся гармонических сигналов на выходе.

Если на выходе усилителя присутствуют сигналы тех же гармоник, что и на входе, искажения считаются линейными, потому-что они сводятся к изменению амплитуды и фазы входного сигнала.

Нелинейные искажения добавляют в сигнал новые гармоники, что приводит к искажению формы входных сигналов.

Линейные искажения и полоса пропускания.

Коэффициент усиления К идеального усилителя не зависит от частоты, но в реальной жизни это далеко не так. Зависимость амплитуды от частоты называют амплитудно- частотной характеристикой — АЧХ и часто изображают в виде графика, где по вертикали откладывают коэффициент усиления по напряжению, а по горизонтали частоту. Изобразим на графике АЧХ типичного усилителя.

Снимают АЧХ, последовательно подавая на вход усилителя сигналы разных частот определённого уровня и измеряя уровень сигнала на выходе.

Диапазон частот ΔF, в пределах которого мощность усилителя уменьшается не более, чем в два раза от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя.

Значения частоты и уровня сигналов, с которыми работает УНЧ, могут изменяться очень существенно, поэтому АЧХ обычно строят в логарифмических координатах, иногда его называют при этом ЛАЧХ.

Коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот отличающихся между собой в десять раз). Не правда ли так график выглядит не только симпатичнее, но и информативнее?

Усилитель не только неравномерно усиливает сигналы разных частот, но ещё и сдвигает фазу сигнала на разные значения, в зависимости от его частоты. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика усилителя.

При усилении колебаний только одной частоты, это вроде бы не страшно, но вот для более сложных сигналов приводит к существенным искажениям формы, хотя и не порождает новых гармоник. На картинке снизу показано как искажается двухчастотный сигнал.

Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, THD.

Нелинейные искажения добавляют в сигнал ранее не существовавшие гармоники и, в результате, изменяют исходную форму сигнала. Пожалуй самым наглядным примером таких искажений может служить ограничение синусоидального сигнала по амплитуде, изображённое ниже.

На левом графике показаны искажения, вызванные наличием дополнительной чётной гармоники сигнала — ограничение амплитуды одной из полуволн сигнала. Исходный синусоидальный сигнал имеет номер 1, колебание второй гармоники 2, а полученный искажённый сигнал 3. На правом рисунке показан результат действия третьей гармоники — сигнал «обрезан» c двух сторон.

Во времена СССР нелинейные искажения усилителя было принято выражать с помощью коэффициента гармонических искажений КГИ. Определялся он следующим образом — на вход усилителя подавался сигнал определённой частоты, обычно 1000 Гц. Затем производилось вычисление уровня всех гармоник сигнала на выходе. За КГИ брали отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники — той самой, частота которой равна частоте входного синусоидального сигнала.

Аналогичный зарубежный параметр именуется как — total harmonic distortion for fundamental frequency.

Коэффициент гармонических искажений (КГИ или )

Такая методика будет работать только в том случае, если входной сигнал будет идеальным и содержать только основную гармонику. Это условие удаётся выполнить не всегда, поэтому в современной международной практике гораздо большее распространение получил другой параметр оценки степени нелинейных искажений — КНИ.

Зарубежный аналог — total harmonic distortion for root mean square.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или )

КНИ — величина равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала.

Как КНИ, так и КГИ относительные величины, которые измеряются в процентах.

Величины этих параметров связаны соотношением:

Для сигналов простой формы величина искажений может быть вычислена аналитически. Ниже приведены значения КНИ для наиболее распространённых в аудиотехнике сигналов (значение КГИ указано в скобках).

0 % (0%) — форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.
3 % (3 %) — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения незаметны на глаз.
5 % (5 %) — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметной на глаз по осциллограмме.
10 % (10 %) — стандартный уровень искажений, при котором считают реальную мощность (RMS) УМЗЧ, заметен на слух.
12 % (12 %) — идеально симметричный треугольный сигнал.
21 % (22 %) — «типичный» сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы.[3]
43 % (48 %) — идеально симметричный прямоугольный сигнал (меандр).
63 % (80 %) — идеальный пилообразный сигнал.

Ещё лет двадцать назад для измерения гармонических искажений низкочастотного тракта использовались сложные дорогостоящие приборы. Один из них СК6-13 изображён на рисунке ниже.

Сегодня с этой задачей гораздо лучше справляется внешняя компьютерная аудиокарта с комплектом специализированного ПО, общей стоимостью не превышающие 500USD.

Спектр сигнала на входе звуковой карты при тестировании усилителя низкой частоты.

Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.

Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного, при фиксированной частоте сигнала (обычно 1000Гц), называется амплитудной характеристикой.

Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет из себя прямую, проходящую через начало координат, поскольку коэффициент его усиления является постоянной величиной при любых входных напряжениях.

На амплитудной характеристике реального усилителя имеется, как минимум, три разных участка. В нижней части она не доходит до нуля, так как усилитель имеет собственные шумы, которые становятся на малых уровнях громкости соизмеримы с амплитудой полезного сигнала.

В средней части (АВ) амплитудная характеристика близка к линейной. Это рабочий участок, в его пределах искажения формы сигнала будет минимальным.

В верхней части графика амплитудная характеристика также имеет изгиб, который обусловлен ограничением по выходной мощности усилителя.

Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники).

Шумы в усилителях бывают разных видов и вызываются разными причинами.

Белый шум

Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах. В пределах рабочего диапазона частот усилителей низкой частоты примером такого шума можно считать тепловой, вызванный хаотичным движением электронов. Спектр этого шума равномерен в очень широком диапазоне частот.

Розовый шум

Розовый шум известен также как мерцательный (фликкер-шум). Спектральная плотность мощности розового шума пропорциональна отношению 1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. Розовый шум генерируется как пассивными так и активными электронными компонентами, о природе его происхождения до сих пор спорят учёные.

Фон от внешних источников

Одна из основных причин шума — фон наводимый от посторонних источников, например от сети переменного тока 50 Гц. Он имеет основную гармонику в 50 Гц и кратные ей.

Самовозбуждение

Самовозбуждение отдельных каскадов усилителя способно генерировать шумы, как правило определённой частоты.

Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики

Номинальная мощность

Западный аналог RMS (Root Mean Squared – среднеквадратичное значение ) В СССР определялась ГОСТом 23262-88 как усредненное значение подводимой электрической мощности синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц, которое вызывает нелинейные искажения сигнала, не превышающие заданное значение КНИ (THD). Указывается как у АС, так и у усилителей. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения, при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Для разных классов устройств КНИ может варьироваться очень существенно, от 1 до 10 процентов. Может оказаться так, что система заявлена в 20 Ватт на канал, но измерения проведены при 10% КНИ. В итоге слушать акустику на данной мощности невозможно. Акустические системы способны воспроизводить сигнал на RMS-мощности длительное время.

Паспортная шумовая мощность

Иногда ещё называют синусоидальной. Ближайший западный аналог DIN — электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов. Обычно DIN в 2-3 раза выше RMS.

Максимальная кратковременная мощность

Западный аналог PMPO (Peak Music Power Output – пиковая выходная музыкальная мощность). — электрическая мощность, которую громкоговорители АС выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжания) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на АС в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель АС в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Обычно в 10-20 раз выше DIN. Какая польза от того, узнает ли человек о том, что его система

возможно

перенесет коротенький, меньше секунды, синус низкой частоты с большой мощностью? Тем не менее, производители очень любят приводить именно этот параметр на упаковках и наклейках своей продукции… Огромные цифры данного параметра зачастую основаны исключительно на бурной фантазии маркетингового отдела производителей, и тут китайцы несомненно впереди планеты всей.

Максимальная долговременная мощность

Это электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же.
Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей АС (сползанием витков звуковой катушки и др.).

Практика — лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром

Попробуем применить наши знания на практике. Заглянем в один очень известный интернет магазин и поищем там изделие ещё более известной фирмы из Страны Восходящего Солнца.

Ага — вот музыкальный центр футуристического дизайна продаётся всего за 10 000 руб. по очередной акции:

Из описания узнаём, что аппарат оснащён не только мощными колонками, но и сабвуфером.

“Он обеспечивает превосходную чистоту звучания при выборе любого уровня громкости. Кроме того, такая конфигурация помогает сделать звук насыщенным и объёмным.”

Захватывающе, пожалуй стоит посмотреть на параметры. “ Центр содержит две фронтальные колонки, каждая мощностью по 235 Ватт, и активный сабвуфер с мощностью 230 Ватт.” При этом размеры первых всего 31*23*21 см.

Да это же Соловей разбойник какой то, причём и по силе голоса и по размерам. В далёком 96 году на этом я бы свои исследования и остановил, а в дальнейшем, глядя на свои S90 и слушая самодельный Агеевский усилитель, бурно бы обсуждал с друзьями, насколько отстала от японской наша советская промышленность — лет на 50 или всё таки навсегда. Но сегодня с доступностью японской техники дело обстоит гораздо лучше и рухнули многие мифы с ней связанные, поэтому перед покупкой постараемся найти более объективные данные о качестве звука. На сайте про это ни слова. Кто бы сомневался! Зато есть инструкция по эксплуатации в формате pdf.

Cкачиваем и продолжаем поиски. Среди чрезвычайно ценной информации о том, что “лицензия на технологию звуковой кодировки была получена от Thompson” и каким концом вставлять батарейки с трудом, но удаётся таки найти нечто напоминающее технические параметры. Весьма скудная информация запрятана в недрах документа, ближе к концу.

Привожу её дословно, в виде скриншота, поскольку, начиная с этого момента, у меня стали возникать серьёзные вопросы, как к приведённым цифрам

не смотря на то, что они подтверждены сертификатом соответствия

, так и к их интерпретации.

Дело в том, что чуть ниже было написано, что потребляемая от сети переменного тока мощность первой системы составляет 90 ватт, а второй вообще 75. Хм.

Изобретён вечный двигатель третьего рода? А может в корпусе музыкального центра прячутся аккумуляторы? Да не похоже — заявленный вес аппарата без акустики всего три кило. Тогда, как же потребляя 90 ватт от сети, можно получить на выходе 700 загадочных ватт (для справок) или хотя бы жалких, но вполне осязаемых 120 номинальных. Ведь при этом усилитель должен обладать КПД порядка 150 процентов, даже с отключенным сабвуфером! Но на практике этот параметр редко превышает планку в 75.

Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике

Заявленная мощность для справки 235+235+230=700 — это явно PMPO. С номинальной ясности много меньше. Судя по определению это номинальная мощность, но не может она быть 60+60 только для двух основных каналов, без учёта сабвуфера, при номинальной мощности потребления в 90 ватт. Это всё больше напоминает уже не маркетинговую уловку, а откровенную ложь. Судя по габаритам и негласному правилу, соотношения RMS и PMPO, реальная номинальная мощность этого центра должна составлять 12-15 ватт на канал, а общая не превышать 45. Возникает закономерный вопрос — как можно доверять паспортным данным тайваньских и китайских производителей, когда даже известная японская фирма такое себе позволяет?

Покупать такой аппарат или нет — решение зависит от вас. Если для того, чтобы ставить по утрам на уши соседей по даче — да. В противном случае, без предварительного прослушивания нескольких музыкальных композиций в разных жанрах, я бы не рекомендовал.

Чайник дёгтя в банке мёда.

Казалось бы, мы имеем почти исчерпывающий список параметров, необходимых для оценки мощности и качества звука. Но, при более пристальном внимании, это оказывается далеко не так, по целому ряду причин:

• Многие параметры больше подходят не столько для объективного отражения качества сигнала, сколько для удобства измерения. Большинство проводятся на частоте 1000 Гц, которая очень удобна для получения наилучших численных результатов. Она располагается далеко от частоты фона электрической сети в 50 Гц и в самом линейном участке частотного диапазона усилителя.
• Производители зачастую грешат откровенной подгонкой характеристик усилителя под тесты. Например, даже во времена Советского Союза, УНЧ часто разрабатывались таким образом, чтобы обеспечить наилучший показатель КГИ, при максимальной выходной паспортной мощности. В то же время, на половинном уровне мощности в двухтактных усилителях часто проявлялось искажение типа ступенька, из-за чего коэффициент гармонических искажений при среднем положении ручки громкости мог зашкаливать за 10%!
• В паспортах и инструкциях по эксплуатации часто приводятся нестандартные фейковые, абсолютно бесполезные характеристики типа PMPO. В то же время, не всегда можно найти даже такие базовые параметры как частотный диапазон или номинальную мощность. Про АЧХ и ФЧХ и говорить нечего!
• Измерение параметров нередко производится по, сознательно искажённым, методикам.

Не удивительно, что многие покупатели впадают в таких условиях в субъективизм и ориентируются при покупке, в лучшем случае, исключительно на результаты короткого прослушивания, в худшем на цену.

Пора закругляться, статья и так получилась чрезмерно длинной!

Разговор об оценке качества и причинах искажений усилителей низкой частоты мы продолжим в следующей статье. Вооружившись минимальным багажом знаний можно переходить к таким интересным темам как интермодуляционные искажения и их связь с глубиной обратной связи!

В заключение хочется выразить искреннюю благодарность Роману Парпалак parpalak за его проект онлайн-редактора с поддержкой латеха и маркдауна. Без этого инструмента и так непростой труд по внедрению математических формул в текст стал бы во истину адским.