5.4.  Параметры усилителей электрических колебаний низкой частоты

 

В литературе усилители электрических колебаний низкой частоты называют усилителями низкой частоты. Под усилителями низкой частоты в данном пособии мы будем понимать усилители электрических колебаний в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц.

Усилитель низкой частоты потребителем может рассматриваться как черный ящик с регулятором громкости, регуляторами тембра (если таковые имеются) и шестью клеммами, две из которых предназначены для подключения источника усиливаемого сигнала (звукосниматель, микрофон и т. д.), две - для подключения нагрузки (обычно громкоговоритель) и две - для подключения источника питания.

Рассмотрим основные параметры и характеристики усилителей низкой частоты.

Коэффициент гармоник усилителя представляет собой отношение мощности появившихся в выходном сигнале высших гармоник напряжения к мощности первой гармоники на выходе усилителя при условии, что сопротивление нагрузки активное, а на вход усилителя подается напряжение от генератора синусоидальной ЭДС.

                                                                                                                (5.1)

где U₁, U₂, U₃  и т.д. - действующие значения первой, второй, третьей и т.д. гармоник выходного сигнала. Для усилителей среднего класса коэффициент гармоник составляет примерно 5-7%. Для высококачественных усилителей низкой частоты коэффициент гармоник составляет десятые и даже сотые доли процента.

Номинальная выходная мощность усилителя - это наибольшая мощность на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки равном выходному сопротивлению усилителя и заданном значении коэффициента гармоник.

Номинальное выходное напряжение усилителя - это напряжение на выходе усилителя, соответствующее номинальной выходной мощности.

Номинальное входное напряжение или чувствительность усилителя - это напряжение на входе усилителя, соответствующее номинальной выходной мощности.

Максимальная выходная мощность усилителя - это мощность на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки равном выходному сопротивлению усилителя и коэффициенте гармоник 10 %.

Входное сопротивление усилителя - это сопротивление входа усилителя для переменного тока. Обычно указывают активную составляющую входного сопротивления и входную емкость.

Выходное сопротивление усилителя - это сопротивление выхода усилителя для переменного тока.

Коэффициент усиления напряжения усилителя показывает, во сколько раз переменное напряжение сигнала на выходе усилителя больше вызвавшего его напряжения на входе (при этом надо следить, чтобы коэффициент гармоник не превысил заданного значения):

                                                                                                                                       (5.2)

Коэффициент усиления напряжения для усилителей низкой частоты обычно определяют на частоте 400 или 1000 Гц. Для определения коэффициента усиления удобно построить амплитудную характеристику усилителя.

Амплитудная характеристика усилителя - это зависимость выходного напряжения от входного синусоидального напряжения при неизменной частоте.  Следует иметь в виду, что выходное напряжение желательно измерять электронным вольтметром, детектор которого реагирует на среднеквадратичное значение напряжения.

Амплитудную характеристику усилителей низкой частоты обычно строят для частоты 1000 Гц. Примерный вид амплитудной характеристики усилителя показан на рисунке  5.4. Пунктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Амплитудная характеристика реального усилителя отличается от прямой линии в области малых и больших уровней входного сигнала. При малых уровнях входного сигнала отклонение амплитудной характеристики от прямой линии обусловлено собственными шумами усилителя, фоном  (пульсации  питающего напряжения) и наводками, а при больших уровнях - нелинейностью характеристик активных элементов (транзисторов, электронных ламп и т.п.).

Динамический диапазон усилителя - это отношение максимального входного напряжения усилителя к минимальному входному, которое может быть усилено при допустимых искажениях и уровне помех. Обычно динамический диапазон усилителя указывают в децибелах.

      

        (5.3)               (5.4)

Уровень собственных шумов усилителя - это отношение среднеквадратичного напряжения шумов на выходе усилителя к номинальному выходному напряжению (5.5). Обычно уровень шумов выражают в децибелах (5.6).

 

   (5.5)          (5.6)

Иногда указывают напряжение шумов, приведенное ко входу усилителя:

 

                                                                                                                                                (5.7)

где U _{ш вых} - напряжение шумов на выходе усилителя, К - коэффициент усиления усилителя по напряжению. Собственные шумы усилителя - это  в основном тепловые шумы пассивных и активных элементов. Напряжение шумов всегда несинусоидально, не периодично.

При питании усилителей от сети переменного тока мешающее напряжение на выходе усилителя в основном обусловлено фоном переменного тока. Фон переменного тока  (периодическое напряжение с частотами, кратными частоте питающей сети переменного тока) с помощью осциллографа легко отличить от тепловых шумов.

Уровень фона переменного тока - это отношение среднеквадратичного напряжения фона на выходе усилителя к номинальному выходному напряжению. Обычно уровень фона выражают в децибелах:

 

  (5.8)

где U _ф.вых - напряжение фона на выходе усилителя при закороченном входе усилителя.

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя - это отношение мощности сигнала на нагрузке Р_н к мощности Р₀, потребляемой усилителем от источников питания:                                                          

    (5.9)

Коэффициент частотных искажений усилителя - это отношение коэффициента усиления усилителя К_ср  на средней частоте к коэффициенту усиления  усилителя К_f  на частоте, для которой определяется коэффициент частотных искажений.  Для усилителей низкой частоты среднюю частоту берут равной 1000 Гц. Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах:

                   (5.10)

Частотная или амплитудно-частотная характеристика усилителя - это зависимость коэффициента усиления  К  от частоты  f (рис. 5.5). Частоту f по оси X  обычно откладывают в логарифмическом масштабе. Иногда частотную характеристику усилителя строят, откладывая по оси Y значения коэффициента частотных искажений М(дБ), а по оси X - десятичный логарифм частоты f. При усилении речи и музыки усилителями среднего класса допускают частотные искажения  ±3 дБ.

Диапазон усиливаемых усилителем частот или полоса пропускания усилителя - это диапазон частот, в котором коэффициент частотных искажений не превышает заданного значения.