Как найти усиление формула

Для каждой из схем
включения транзисторов наиболее важными
параметрами являются коэффициенты
усиления по току, напряжению и мощности.

Как
отмечалось выше, исходное состояние
транзистора определяется выбором режима
его работы, который характеризуется
протеканием установившихся в нем токов
определенной величины и наличием
напряжений как на транзисторе, так и на
элементах, соединенных с ним. При подаче
входного сигнала ранее имевшие место
токи и напряжения в транзисторе изменяются
в соответствии с изменением входного
сигнала. Для исключения влияния положения
рабочей точки транзистора на его
коэффициенты усиления при их анализе
используются не абсолютные значения
токов и напряжений, а их приращения.
Рассмотрим в общем виде коэффициенты
усиления транзистора.

Коэффициентом
усиления по току называется
отношение приращения тока на выходе к
приращению тока на входе:

(5)

Коэффициентом
усиления по напряжению называется
отношение приращения на выходе к
приращению входного напряжения:

(6)

Коэффициентом
усиления по мощности называется
отношение приращения мощности на выходе
к приращению мощности на входе:

(7)

Входным
сопротивлением называется отношение
приращения входного напряжения к
приращению входного тока:

(8)

Выходным
сопротивлением называется
отношение приращения выходного напряжения
к приращению выходного тока:

(9)

Рассмотрим
эти параметры для двух схем включения
транзистора. На рисунке 3.16 показано
включение транзистора по схеме с О.Б. в
динамическом режиме.

Рисунок 3.16 –
Транзистор, включённый по схеме

с
общей базой в динамическом режиме

Здесь
с помощью источника E
осуществляется установка рабочей точки
на транзисторе, U_ист
– источник
усиливаемого сигнала, U_вх
– входное напряжение, U_н
– выходное напряжение. В этой схеме
входным и выходным токами являются
соответственно ток эмиттера и коллектора.
Тогда, в соответствии с (5) коэффициент
усиления по току в схеме с общей базой
будет равен:

Исходя
из принципа работы транзистора, ток
коллектора заметно больше тока базы.
Поэтому значения коэффициента усиления
в схеме с О.Б. несколько меньше единицы
и принято считать, что его значения
лежат в интервале 0,9 ÷ 0,99. С целью большего
удобства коэффициент усиления по току
в схеме с О.Б. обозначают через α:

(10)

В соответствии с
(6), определим коэффициент усиления по
напряжению в схеме с О.Б.:

Здесь
под R_вх,б
понимается входное сопротивление
транзистора между эмиттером и базой в
схеме с О.Б. в динамическом режиме.

В
стабилизаторах R_н
составляет 10÷100 Ом.

Коэффициент
усиления по мощности определяется по
формуле (7):

Рассмотрим
коэффициенты усиления для транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером
в динамическом режиме (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17 –
Включение транзистора по схеме

с
общим эмиттером в динамическом режиме

Здесь
входной сигнал подаётся на базу
относительно эмиттера. Во входной цепи
находится напряжение смещения E₁
и источник
входного сигнала U_ист.
Выходная цепь состоит из источника E₂
и сопротивления нагрузки R_н.
Полярность подключения источников
такова, чтобы под действием E₁
эмиттерный переход был под прямым
напряжением, а коллекторный переход
под действием E₂
находился под обратным напряжением.
Как и в предыдущих случаях выполняется
условие E₂>>E₁.

Коэффициент
усиления по току определяем по формуле
(5), учитывая, что в этой схеме входным
током является ток базы, а выходным ток
коллектора:

Из-за
особой важности коэффициента усиления
по току в схеме транзистора с О.Э. этот
коэффициент принято обозначать
дополнительно к общему обозначению
греческой буквой β (бета).

Учитывая, что
коэффициент усиления по току в схеме с
общей базой изменяется в пределах α=0,9
– 0,99, находим, что β изменяется в пределах:

= 9÷99

Теоретически,
при α → 1, что возможно при
→
0, значение

→ ∞.

Коэффициент
усиления по напряжению определяем по
формуле (6):

Коэффициент
усиления по мощности определим как
произведение коэффициентов усиления
по току и по напряжению:

Сравнивая
коэффициенты усиления для двух
рассмотренных схем включения транзистора,
видим, что в схеме включения с общим
эмиттером коэффициенты усиления на
много больше коэффициентов усиления в
схеме включения с общей базой. Необходимо
отметить, что сомножители (дроби), стоящие
в коэффициентах усиления по току и по
мощности, мало отличаются по величине.
Поэтому понятно, что при построении
усилителей сигналов используется
включение транзистора по схеме с общим
эмиттером.

3.2.6
Эквивалентная схема транзистора.

При
расчёте электрических цепей, содержащих
транзисторы, в место транзисторов
используются их эквивалентная
электрическая схема. Для каждого способа
включения транзистора имеет место своя
эквивалентная схема. Эквивалентные
схемы отображают устройство транзистора
и его электрические свойства.

Рассмотрим
эквивалентную схему транзистора,
включённого по схеме с общей зоной. На
рисунке 3.18,а показана конструкция
транзистора, которая ранее уже
рассматривалась и представлена на
рисунке 3.1.

Рисунок
– 3.18 Эквивалентная схема транзистора,
включенного по схеме с

общей
базой, без генератора тока (а) и с
генератором тока (б)

При
изучении свойств p-n
перехода и принципа действия транзистора
было установлено, что каждый из p-n
переходов обладает определённым
омическим сопротивлением. Омическое
сопротивление эмиттерного перехода
обозначается через
.

Как
известно, одно из условий функционирования
транзистора состоит в том, чтобы
эмиттерный переход был под прямым
напряжением. В этом случае отсутствует
запирающий слой в p-n
переходе, а значит сопротивление его
мало. Поэтому величина

мала и составляет от единиц до десяток
Ом. Так же известно, что p-n
переход характеризуется барьерной
ёмкостью. Барьерная ёмкость эмиттерного
перехода обозначается через
и
в эквивалентной схеме подключается
параллельно
.

Сопротивление
коллекторного перехода обозначаются
через
.
Известно, что коллекторный переход
находится под обратным напряжением,
что создает запирающий слой, обладающий
большим омическим сопротивлением.
Поэтому величина коллекторного
сопротивления велика и составляет сотни
тысяч Ом (сотни кОм). Барьерная ёмкость
коллекторного перехода обозначается
через

и в эквивалентной схеме подключена
параллельно
.
Величина барьерной ёмкости достаточно
велика и составляет сотни пикофарад.
Представленная на рисунок 3.18,а
эквивалентная схема является пассивным
четырёхполюсником и усилительными
свойствами, как транзистор, обладать
не может. Для того, чтобы эквивалентная
схема обладала усилительными свойствами
в неё вводится генератор тока (рисунок
3.18,б). Ток, создаваемый генератором тока,
равен произведению коэффициента усиления
транзистора, включенного по схеме с
общей базой, на величину тока эмиттера,
что равно току коллектора:

Эквивалентная
схема транзистора, включенного по схеме
с общим эмиттером без генератора тока
представлена на рисунке 3.19,а. Назначение
элементов ()

Рисунок
– 3.19 Эквивалентная схема транзистора,
включенного по схеме с общей

базой,
без генератора тока (а) и с генератором
тока (б)

такое
же, как и в схеме с общей базой. Однако,
как было сказано, транзистор обладает
усилительными свойствами, поэтому
эквивалентная схема дополняется
генератором тока
(рисунок
3.19,б). Ток, создаваемый генератором тока,
равен произведению коэффициента усиления
транзистора, включенного по схеме с
О.Э., на величину тока базы, что равно
коллекторному току:

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

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.

Типы усилителей. Расчет коэффициентов усиления

Все усилители можно разделить на три основные группы:

1. Усилители напряжения.
2. Усилители электрического тока.
3. Усилители мощности.

Усилитель напряжения способен усиливать входное напряжение в установленное число раз. А коэффициент его усиления можно рассчитать следующим образом:

$Ku = Uвых / Uвх$

где: Ku — коэффициент усиления по напряжению; Uвых — напряжение на выходе усилителя; Uвх — напряжение на входе усилителя.

Выходное напряжение, которое усиливается, не должно изменяться в зависимости от тока нагрузки и ее сопротивления. В идеале выходное сопротивление должно быть равно нулю, но такое невозможно на практике. Поэтому усилители напряжения проектируют таким образом, чтобы выходное сопротивление было минимально.

Усилитель электрического тока усиливает входной ток в необходимое число раз, это число называется коэффициентом усиления по току и может быть рассчитано следующим образом:

$Ki = Iвых / Iвх$

где: Ki — коэффициент усиления по току; Iвых — сила тока в цепи нагрузки; Iвх — сила тока во входной цепи.

Суть действия усилителя электрического тока заключается в следующем — при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки получается сила тока, которая больше во много раз, независимо от номинала нагрузки. Поэтому здесь уже работает второй закон Ома:

$I = U / R$

Главное отличие усилителя мощности от усилителей напряжения и электрического тока заключается в том, что в нем увеличиваются и напряжение, и электрический ток. Формула для расчета мощности имеет в этом случае следующий вид:

$Р = U * I$

где: Р — мощность; U — напряжение; I — сила тока.

Следовательно, коэффициент усиления мощности для данного типа усилителя может быть рассчитан по следующей формуле:

$Kp = Pвых /Рвх$

где: Кр — коэффициент усиления по мощности; Рвых — выходная мощность усилителя; Рвх — входная мощность усилителя.

«Расчет усилителя» 👇

Еще одним признаком, согласно которому классифицируются современные усилителя является полоса пропускания. По ширине данной полосы различают:

1. Усилители постоянного тока.
2. Усилители низкой частоты.
3. Усилители высокой частоты.
4. Широкополосные усилители.
5. Узкополосные усилители.

Основные параметры усилителей и их расчет

К основным параметрам усилителей относятся: входное и выходное сопротивление, искажения, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия, рабочий диапазон частот, динамический диапазон усилителя, собственные шумы усилителя, амплитудная характеристика и отношение сигнал/шум. Рассмотрим схем представленную на рисунке ниже.

В данном случае входное сопротивление рассчитывается по следующей формуле:

$Rвх = Uвх / Iвх$

Данная формула применима как к постоянному, так и к переменному току. Немного сложнее с расчетом выходного сопротивления. Если мы замкнем накоротко клеммы 4 и 3, то в выходной цепи появится ток короткого замыкания.

То есть

По закону Ома:

$Rвых = Евых / Iкз$

Чтобы рассчитать Eвых, достаточно разомкнуть цепь и измерить напряжение. По той причине, что у вольтметра высокое сопротивление, то в цепи практически будет отсутствовать ток. И если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то ток короткого замыкания будет бесконечно малым. Таким образом этим током можно пренебречь. А если сила тока равна нулю, то падение напряжения на Rвых будет равно 0.

Отношение сигнал шум определяется по следующей формуле:

$SNR = Pсигнал / Ршум = (Uсигнал /Uшум)(2)$

Из-за того, что значение данной величины достигает больших значений в цифрах, то, как правило, его выражают в децибелах:

$SNR = 10lg(Pсигнал / Ршум) = 20lg(Uсигнал / Uшум)$

Где: Рсигнал — мощность мигнала; Ршум — мощность шума; Uсигнал — среднеквадратичное значение полезного сигнала; Uшум — среднеквадратичное значение шумового сигнала.

Динамический диапазон усилителя представляет собой отношение допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, который обеспечивает установленное отношение сигнал/шум:

$D = 10lg(Pвыхмакс / Рвыхмин) = 20lg (Uвыхмакс / Uвыхмин)$

Коэффициент полезного действия является отношением мощности на нагрузке усилителя к мощности, потребляемой им от источника питания, то есть:

$кпд = Рвых / Рип$

где, Рвых — мощность на нагрузке; Рип — мощность, которая потребляется источником питания.

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость амплитуды сигнала на выходе от сигнала на входе усилителя, при условии фиксированной частоты. Для идеального усилителя амплитудная характеристика выглядит следующим образом:

Однако, на практике этого невозможно добиться, а реальная амплитудная характеристика выглядит следующим образом:

Из данного графика понятно, что даже если входное напряжение равно нулю, то на выходе усилителя все равно образуется какой-либо шум, чей уровень и будет являться напряжением шума.

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.