Как найти коэффициент усиления по мощности

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 E₁и 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]

Источник

Децибелы

Добавлено 4 декабря 2015 в 21:59

В простейшем виде, коэффициент усиления усилителя – это отношение выхода к входу. Как и все коэффициенты, коэффициент усиления безразмерен. Тем не менее, существует реальная единица измерения, предназначенная для представления коэффициента усиления, и называется она бел.

Как единица измерения, бел фактически был придуман для удобства представления потерь мощности в системе телефонных проводов, а не для коэффициента усиления усилителей. Название единицы измерения происходит от Александра Грэма Белла, известного шотландского изобретателя, чья работа сыграла важную роль в развитии телефонных систем. Первоначально, бел выражал количество потерь мощности сигнала в электрическом кабеле стандартной длины из-за его сопротивления. Теперь же он является общим термином для обозначения логарифма (с основанием 10) отношения мощностей (выходной мощности, деленной на входную мощность):

[A_{P(раз)} = frac{P_{вых}}{P_{вх}}]

[A_{P(Бел)} = log frac{P_{вых}}{P_{вх}}]

Поскольку бел является логарифмической единицей, он нелинеен. Чтобы дать вам представление о том, как это работает, рассмотрим следующую таблицу значений, сравнивая потери и усиления по мощности в децибелах с безразмерными коэффициентами:;

Таблица – Усиление/потери в белах

Усиление/потери в разах	Усиление/потери в белах
[ frac{P_{вых}}{P_{вх}}]	[ log frac{P_{вых}}{P_{вх}}]
1000	3 Б
100	2 Б
10	1 Б
1 (нет потерь или усиления)	0 Б
0,1	– 1 Б
0,01	– 2 Б
0,001	– 3 Б
0,0001	– 4 Б

Позже было решено, что бел был слишком большой единицей измерения, чтобы пользоваться им напрямую, и поэтому он стал применяться с метрической приставкой деци (что означает 1/10), что дает децибелы или дБ (dB). Сейчас выражение «дБ» встречается настолько часто, что многие люди не понимают, что это сочетание «деци-» и «-бел», или что даже есть такая единица измерения, как «бел». Чтобы представить это, вот еще одна таблица сравнения усиления/потерь в разах и децибелах:

Усиление/потери в разах	Усиление/потери в децибелах
[ frac{P_{вых}}{P_{вх}}]	[ 10 , log frac{P_{вых}}{P_{вх}}]
1000	30 дБ
100	20 дБ
10	10 дБ
1 (нет потерь или усиления)	0 дБ
0,1	– 10 дБ
0,01	– 20 дБ
0,001	– 30 дБ
0,0001	– 40 дБ

Как логарифмическая единица измерения, этот способ измерения коэффициента усиления охватывает широкий диапазон отношений с минимальным диапазоном чисел. Разумно спросить, «почему кто-то решил, что необходимо придумать логарифмическую единицу измерения потерь мощности электрического сигнала в телефонной системе?». Ответ связан с динамикой человеческого слуха, сила восприимчивости которого имеет логарифмическую природу.

Человеческий слух крайне нелинеен: для того, чтобы удвоить воспринимаемую громкость звука, фактическая мощность звука должна быть умножена в 10 раз. Относительно потерь мощности телефонного сигнала логарифмическая шкала в «белах» идеально подходит по смыслу в данном контексте: потери мощности на 1 бел соответствуют потерям воспринимаемого звука на 50 процентов, или на 1/2. Усиление мощности на 1 бел соответствует удвоению воспринимаемой громкости звука.

Почти полной аналогией шкалы в белах является шкала Рихтера, используемая для описания силы землетрясения: землетрясение 6,0 баллов по шкале Рихтера в 10 раз мощнее, чем землетрясение 5,0 баллов; землетрясение 7,0 баллов по шкале Рихтера в 100 раз мощнее, чем землетрясение 5,0 баллов, и так далее. Шкала измерения химического показателя pH также логарифмическая, разница в 1 по шкале эквивалентна десятикратной разнице в концентрации ионов водорода в химическом растворе. Преимущество использования логарифмической шкалы измерения заключается в выражении огромного диапазона значений, обеспечиваемом относительно небольшим диапазоном числовых значений, и это же преимущество позволяет использовать баллы Рихтера для землетрясений и pH для активности ионов водорода.

Еще одна причина для использования белов, как единицы измерения коэффициента усиления, – это простота формул коэффициентов усиления и потерь. Рассмотрим последний пример (рисунок на предыдущей странице), где два усилителя подключены друг к другу для усиления сигнала. Соответствующий коэффициент усиления для каждого усилителя был выражен в разах, а общий коэффициент усиления системы был равен произведению этих двух коэффициентов:

Общий коэффициент усиления = 3 x 5 = 15

Если эти цифры представляют собой коэффициенты усиления по мощности, мы можем непосредственно применить единицы измерения в белах, чтобы выразить коэффициент усиления каждого усилителя и системы в целом (рисунок ниже).

Коэффициенты усиления в белах складываются: 0,477 Б + 0,699 Б = 1,176 Б.

При близком рассмотрении значений этих коэффициентов усиления в единицах «бел» можно заметить: они складываются. Значения коэффициентов усиления в разах для каскадов усилителей перемножаются, а значения коэффициентов усиления в белах складываются для получения общего коэффициента усиления системы. Первый усилитель с коэффициентом усиления по мощности 0,477 Б добавляется к коэффициенту усиления по мощности второго усилителя 0,699 Б, чтобы получить общий коэффициент усиления системы 1,176 Б.

При пересчете в децибелах мы видим то же самое (рисунок ниже).

Коэффициенты усиления в децибелах складываются: 4,77 Б + 6,99 Б = 11,76 Б.

Для тех, кто уже знаком с математическими свойствами логарифмов, это не было сюрпризом. Это элементарное правило алгебры: антилогарифм суммы значений логарифмов двух чисел равен произведению этих двух чисел. Другими словами, если мы возьмем два числа и определим логарифм каждого из них, затем сложим значения двух логарифмов вместе, а затем определим «антилогарифм» этой суммы (возвести основание логарифма — в данном случае 10 — в степень этой суммы), результат будет таким же, как если бы мы просто перемножили два изначальных числа. Это алгебраическое правило формирует суть устройства, называемого логарифмической линейкой, аналоговым компьютером, который, помимо прочего, может определять произведения и частные от деления с помощью сложения (сложение физических длин, отмеченных на движущихся деревянных, металлических или пластиковых шкалах). При наличии таблицы значений логарифмов, этот же математический трюк может быть использован для выполнения другим способом сложных умножений и делений с помощью только сложений и вычитаний соответственно. С появлением высокоскоростных микрокалькуляторов, эта элегантная технология расчетов практически исчезла из популярного использования. Тем не менее, это всё еще важно понимать при работе с измерительными шкалами, которые являются логарифмическими, такими, как бел (децибел) и шкала Рихтера.

При преобразовании коэффициента усиления по мощности из бел или децибел в безразмерные коэффициенты, используется обратная математическая функция для логарифмирования: возведение числа 10 в степень или антилогарифм.

Если

[A_{P(Бел)} = log A_{P(раз)}]

то

[A_{P(раз)} = 10^{A_{P(Бел)}}]

Преобразование децибел в безразмерные коэффициенты для коэффициентов усиления по мощности почты такое же, только в показатель степени добавляется делитель на 10:

Если

[A_{P(дБ)} = 10 , log A_{P(раз)}]

то

[A_{P(раз)} = 10^{frac{A_{P(дБ)}}{10}}]

Пример:

Мощность на входе усилителя составляет 1 Ватт, а мощность на выходе – 10 Ватт. Найдите коэффициент усиления в дБ.

[A_{P(дБ)} = 10 , log_{10} (P_{вых}/P_{вх}) = 10 , log_{10} (10/1) = 10 , (1) = 10 , дБ]

Пример:

Найдите коэффициент усиления по мощности A_P(раз) = (P_вых/P_вх) для коэффициента усиления по мощности 20 дБ.

[A_{P(дБ)} = 20 = 10 , log_{10} A_{P(раз)}]

[20/10 = log_{10} A_{P(раз)}]

[10^{20/10} = 10^{log_{10} A_{P(раз)}}]

[100 = A_{P(раз)} = (P_{вых}/P_{вх})]

Поскольку бел изначально является единицей измерения усиления или потерь мощности в системе, усиление и потери по напряжению или по току не могут быть преобразованы в белы или децибелы совсем таким же способом. При использовании бел или децибел для выражения усиления других величин, кроме мощности, будь то напряжение или ток, мы должны выполнить расчет, какой коэффициент усиления по мощности соответствует заданному коэффициенту усиления по напряжению или току. Для постоянного сопротивления нагрузки, усиление напряжения или тока в 2 раза соответствует усилению по мощности в 4 раза (2²); усиление напряжения или тока в 3 раза соответствует усилению по мощности в 9 раз (3²). Если мы умножим напряжение или ток на какой-либо коэффициент, то усиление по мощности будет равно квадрату этого коэффициента. Это связано с формулами закона Джоуля–Ленца, где мощность рассчитывалась из значений напряжения или тока и сопротивления:

[P = frac{U^2}{R}]

[P = I^2R]

Мощность пропорциональна и квадрату напряжения, и квадрату тока.

Таким образом, при переводе коэффициента усиления по напряжению или току из раз в белы, мы должны включить этот показатель степени в уравнения:

Такой же показатель степени необходим и выражении коэффициента усиления по току или напряжению и в децибелах:

Тем не менее, благодаря еще одному интересному свойству логарифмов, мы можем упростить эти уравнения, устранив показатель степени и добавив «2», как множитель к функции логарифма. Другими словами, вместо вычисления логарифма квадрата напряжения или тока, мы просто умножаем значение логарифма коэффициента усиления напряжения или тока на 2, окончательный результат в белах или децибелах будет точно таким же:

для бел:

[A_{U(Бел)}=log A_{U(раз)}^2] …аналогично… [A_{U(Бел)}= 2 log A_{U(раз)}]

[A_{I(Бел)}=log A_{I(раз)}^2] …аналогично… [A_{I(Бел)}=2log A_{I(раз)}]

для децибел:

[A_{U(Бел)}=10 log A_{U(раз)}^2] …аналогично… [A_{U(Бел)}= 20 log A_{U(раз)}]

[A_{I(Бел)}=10 log A_{I(раз)}^2] …аналогично… [A_{I(Бел)}= 20 log A_{I(раз)}]

Процесс преобразования коэффициентов усиления по напряжению или току из бел или децибел в безразмерные коэффициенты почты точно такой же, как и для коэффициентов усиления по мощности:

Если [A_{U(Бел)} = 2 , log A_{U(раз)}] то [A_{U(раз)} = 10^{frac{A_{U(Бел)}}{2}}]

Если [A_{I(Бел)} = 2 , log A_{I(раз)}] то [A_{I(раз)} = 10^{frac{A_{I(Бел)}}{2}}]

И уравнения, используемые для преобразования коэффициентов усиления по напряжению или току в децибелах в безразмерные коэффициенты:

Если [A_{U(дБ)} = 20 , log A_{U(раз)}] то [A_{U(раз)} = 10^{frac{A_{U(дБ)}}{20}}]

Если [A_{I(дБ)} = 20 , log A_{I(раз)}] то [A_{I(раз)} = 10^{frac{A_{I(дБ)}}{20}}]

В то время как бел – это единица, изначально сопоставимая с мощностью, другая логарифмическая единица, придуманная, чтобы выразить усиление/потери по напряжению или току, основывается на натуральном логарифме, а не на десятичном, как белы и децибелы. Названная непером, единица измерения обозначается «Нп» («Np», может встречаться и с «n» в нижнем регистре).

[A_{U(раз)} = frac{U_{вых}}{U_{вх}}][A_{U(непер)} = ln A_{U(раз)}]

[A_{I(раз)} = frac{I_{вых}}{I_{вх}}][A_{I(непер)} = ln A_{I(раз)} ]

К лучшему или к худшему, ни непер, ни его ослабленный кузен, децинепер, не очень широко используются в качестве единицы измерений в американских инженерных приложениях.

Пример:

Напряжение на линейном 600 омном входе усилителя составляет 10 мВ, напряжение на его нагрузке 600 Ом составляет 1 В. Найдите коэффициент усиления по мощности в дБ.

[A_{дБ} = 20 , log_{10}(U_{вых} / U_{вх}) = 20 , log_{10}(1/0.01) = 20 , log_{10}(100) = 20 (2) = 40 , дБ]

Пример:

Найти коэффициент усиления по напряжению в разах A_U(раз) = (U_вых/U_вх) для усилителя с коэффициентом усиления 20 дБ и входным и выходным сопротивлениями, равными 50 Ом.

[A_{U(дБ)} = 20 , log_{10}A_{U(раз)}]

[20 = 20 , log_{10}A_{U(раз)}]

[20/20 = log_{10}A_{U(раз)}]

[10^{20/20} = 10^{log_{10}A_{U(раз)}}]

[10= A_{U(раз)} = (U_{вых}/U_{вх})]

Подведем итоги:

Усиление и потери могут быть выражены в безразмерных коэффициентах или в единицах измерения белах (Б) или децибелах (дБ). Децибел – это буквально деци-бел: одна десятая часть бела.

Бел – единица изначально для выражения усиления или потерь по мощности. Чтобы преобразовать отношение мощностей в белы или децибелы, используйте одно из этих уравнений:

[A_{P(Бел)} = log , A_{P(раз)}]

[A_{P(дБ)} = 10 , log , A_{P(раз)}]

При использовании единицы измерения бел или децибел для выражения отношений напряжений или токов, необходимо основываться на эквивалентном отношении мощностей. Практически это означает использование других уравнений с коэффициентом умножения 2 для значений логарифмов, что соответствует степени 2 в отношениях напряжений или токов:

[A_{U(Бел)} = 2 , log A_{U(раз)}][A_{I(Бел)} = 2 , log A_{I(раз)}]

[A_{U(дБ)} = 20 , log A_{U(раз)}][A_{I(дБ)} = 20 , log A_{I(раз)}]

Чтобы преобразовать усиление в децибелах в безразмерный коэффициент усиления, используйте одно из этих уравнений:

[A_{U(раз)} = 10^{frac{A_{U(дБ)}}{20}}]

[A_{I(раз)} = 10^{frac{A_{I(дБ)}}{20}}]

[A_{P(раз)} = 10^{frac{A_{P(дБ)}}{10}}]

Усиление (увеличение) выражается в положительных значениях бел или децибел. Потери (затухание) выражаются в отрицательных значениях бел или децибел. Единичное усиление (нет ни усиления, ни потерь; отношение = 1) выражается, как ноль бел или ноль децибел.

При расчете общего коэффициента усиления для усилительной системы, состоящей из нескольких каскадов усилителей, отдельные коэффициенты усиления в разах перемножаются, чтобы найти общий коэффициент усиления в разах. Значения бел и децибел для каждого усилительного каскада, с другой стороны, суммируются для определения общего коэффициента усиления в белах или децибелах.

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

Время на прочтение
13 мин

Количество просмотров 90K

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 $: quad K_U = {U_{OUT} over U_{IN}}$

Коэффициент усиления по току $: quad K_I = {I_{OUT} over I_{IN}}$

Коэффициент усиления по мощности $: quad K_P = {P_{OUT} over P_{IN}}$

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)

$x = 10*lg{P_1 over P_0$

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:

$K_P(dB) = 10*lg{P_{OUT} over P_{IN}}$

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:

$x = 10*lg{P_1 over P_0}=10*lg left({I^2_1 over I^2_2}{R over R}right)=10*lg left({I_1 over I_2}right)^2=20*lg{I_1 over I_0}$

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

Коэффициент усиления по току в дБ: $K_I(dB) = 20*lg{I_{OUT} over I_{IN}}$

Коэффициент усиления по напряжению в дБ: $K_U(dB) = 20*lg{U_{OUT} over U_{IN}}$

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:

$L_{dB} = 10*lg{I over I_0}$

где I_0 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, varphi — начальный угол (фаза ) вектора в нулевой момент времени, omega — 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.

Однако, на графике обычно откладывают коэффициент усиления по напряжению,

~~а не по мощности~~

. Если обозначить максимальный коэффициент усиления по напряжению, как K_0 , то в пределах полосы пропускания коэффициент не должен опускаться ниже чем:

$K_{min}={K_0 over {sqrt 2} } approx 0.707*K_0$

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 THD_F — total harmonic distortion for fundamental frequency.

Коэффициент гармонических искажений (КГИ или K_Gamma ) $: quad K_Gamma = { sqrt {U_2^2+U_3^2+U_4^2+...U_n^2+...} over U1}*100$

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 THD_R — total harmonic distortion for root mean square.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ или K_H ) $: quad K_H = { sqrt {U_2^2+U_3^2+...U_n^2+...} over sqrt {U_1^2+U_2^2+U_3^2+...U_n^2+...} }*100$

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:

$text{Связь между} K_H text{и} K_Gamma: quad K_Gamma = { K_H over sqrt {1-K_H^2} }$

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.

Источник

Демьян Бондарь

Эксперт по предмету «Электроника, электротехника, радиотехника»

преподавательский стаж — 5 лет

Задать вопрос автору статьи

Типы усилителей. Расчет коэффициентов усиления

Определение 1

Усилитель – это прибор, который предназначен для усиления мощности сигнала.

Все усилители можно разделить на три основные группы:

Усилители напряжения.
Усилители электрического тока.
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.

Сдай на права пока
учишься в ВУЗе

Вся теория в удобном приложении. Выбери инструктора и начни заниматься!

Получить скидку 3 000 ₽

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:

Усилители постоянного тока.
Усилители низкой частоты.
Усилители высокой частоты.
Широкополосные усилители.
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.

Рисунок 1. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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.

Рисунок 2. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

То есть

Рисунок 3. Схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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.

Определение 2

Рабочий диапазон частот – это диапазон частот, в котором коэффициент усиления меняется в пределах, которые заданы техническими условиями.

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:

Рисунок 4. Амплитудная характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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

Рисунок 5. Амплитудная характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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.

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

Источник

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.

Источник

Децибелы

Теги

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

Коэффициент усиления. Зачем нам логарифмы и что такое децибелы?

Громкость звука. Чем отличаются dB от dBm?

Разделяй и властвуй — раскладываем сигнал в спектр.

Линейные искажения и полоса пропускания.

Нелинейные искажения. КНИ, КГИ, THD.

Амплитудная характеристика. Совсем коротко о шумах и помехах.

Шумы в усилителях бывают разных видов и вызываются разными причинами.

Белый шум

Розовый шум

Фон от внешних источников

Самовозбуждение

Стандарты выходной мощности УНЧ и акустики

Номинальная мощность

Паспортная шумовая мощность

Максимальная кратковременная мощность

Максимальная долговременная мощность

Практика — лучший критерий истины. Разборки с аудиоцентром

Попробуем применить полученную из статьи информацию на практике

Чайник дёгтя в банке мёда.

Пора закругляться, статья и так получилась чрезмерно длинной!

Типы усилителей. Расчет коэффициентов усиления

Основные параметры усилителей и их расчет

Не пропустите также: