Основные параметры усилителей

Каждый усилитель имеет вход, к которому подводится усиливаемое напряжение, и выход, с которого снимается усиленное напряжение. Ко входу усилителя присоединен источник того напряжения низкой частоты, которое требуется усилить. Им может являться микрофон, звукосниматель, радиоприемник, фотоэлемент и т. д. К выходу усилителя присоединяется громкоговоритель или линия, нагруженная на громкоговорители и телефоны, или прибор, в котором используются усиленные электрические колебаиия.
Рассмотрим величины, характеризующие усилитель.
Коэффициент усиления усилителя есть отношение выходного напряжения Uвых к напряжению, поданному на вход усилителя,

Он зависит от коэффициентов усиления отдельных ступеней. Если обозначить их k1, k2, k3 и т. д., то можно написать

Например, если усилитель имеет три ступени с коэффициентами усиления: k1 = 20, k2 = 20 и k3 = 5, то общий коэффициент усиления всего усилителя будет k — 20*20*5 = 2000. Это значит, что при подаче на вход напряжения Uвх = 10 мв — 0,01 в на выходе получится усиленное напряжение Uвых — 2000 -0,01 = = 20 в.
Выходная мощность Рвых есть мощность тока низкой частоты в выходном нагрузочном сопротивлении усилителя. В маломощных усилителях Рвых составляет доли ватта, в усилителях средней мощности единицы или десятки ватт, а усилители большой мощности имеют выходную мощность порядка сотен ватт и более. Она всегда указывается для нормальной работы усилителя, т. е. когда на вход подается нормальное напряжение.
Усилитель может давать мощность больше нормальной, т. е. работать с перегрузкой. При этом увеличиваются искажения и, кроме того, повышенные переменные напряжения в последней ступени могут вызвать аварии (пробивание конденсаторов или изоляции в трансформаторах, выход из строя ламп или транзисторов и т. д.).
Входное и выходное сопротивления. Важным параметром усилителя является его входное сопротивление (сопротивление между входными зажимами), кото-рое играет роль нагрузочного сопротивления для источника усиливаемого напряжения. А для нагрузочного сопротивления, включенного на выход, усилитель является генератором и поэтому имеет между выходными зажимами некоторое внутреннее сопротивление, называемое выходным.
Диапазон частот в зависимости от назначения усилителя может быть широким или узким. При усилении колебаний разговорной речи достаточен диапазон частот примерно 200 - 2000 гц, а для художественных передач, он должен быть в диапазоне 50 - 10 000 гц.
Искажения в усилителях возникают различных видов.
1. Частотные искажения. Чем шире диапазон частот колебаний, которые нормально усиливаются усилителем, тем меньше искажения. Идеальный усилитель должен в пределах того диапазона частот, на который он рассчитан, усиливать одинаково. Практически каждый усилитель усиливает различные по частоте колебания неодинаково, вследствие чего нарушается правильное соотношение между звуками различных частот. Неодинаковое воспроизведение колебаний различной частоты наpывается частотными (или линейными) искажениями.
Показателем частотных искажений служит амплитудно-чатотная или короче, частотная характеристика, изображающая ависимость коэффициента усиления k усилителя от частоты силиваемых колебаний f.
Рис.1 - Различные формы частотных характеристик

Для таких характеристик (рис. 1) принято откладывать частоту в логарифмическом масштабе, в отором с увеличением частоты деления становятся меньше. 3 обычном линейном масштабе, когда деления Одинаковы, трудно уложить весь диапазон звуковых частот. По вертикальной оси иногда откладывают не коэффициент усиления k, а его отношение к коэффициенту усиления при средней частоте, в качестве которой берут частоту F = 400 гц (иногда 1000 гц).
На рис. 1а показана частотная характеристика идеального усилителя на диапазон частот 500 - 10 000 гц. Она показывает, что для этих частот коэффициент усиления один и тот же, т. е. частотных искажений нет. Однако построить подобный усилитель трудно. В этом и нет необходимости, так как небольшие изменения силы звука (менее 25%) человек не замечает. Поэтому небольшое отклонение коэффициента усиления от средней величины вполне допустимо.
На рис.1 б дан пример частотной характеристики усилителя, который на частоте 50 гц дает усиление на 20% меньше, чем на средних частотах. Рисунок 1 в дает частотную характеристику с подъемом усиления на нижних частотах: коэффициент усиления «а частоте 50 гц на 40% выше, чем на средней частоте. Снижение или подъем усиления могут быть и на верхних частотах. Если частотные искажения превысят 20—30%, то в воспроизведении чувствуется недостаточная громкость некоторых звуков, или, наоборот, они слышны ненормально громко по сравнению со звуками средней частоты.
Причиной частотных искажений является наличие в усилителях емкостей и индуктивностей, сопротивление которых зависит от частоты. Вследствие этого усилитель на разных частотах работает различно.
Частотные искажения создаются также в громкоговорителе, телефоне, микрофоне, звукоснимателе, причем в них эти искажения бывают значительно больше, чем в усилителе. Поэтому иногда в усилителе полезны такие частотные искажения, которые могут скорректировать частотные искажения, например, в громкоговорителе. Если последний хуже работает на верхних частотах, то желательно в усилителе иметь частотную характеристику с подъемом на этих частотах. Тогда общая частотная характеристика всего устройства станет лучше и воспроизведение звука будет происходить с меньшими искажениями. В некоторых усилителях применяют тонкорректоры и регуляторы тона, позволяющие изменять частотную характеристику так, чтобы компенсировать частотные искажения отдельных частей усилительного устройства.
2. Нелинейные искажения. Если на вход усилителя подано синусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выходе будет не синусоидальным, а более сложным. Оно состоит из ряда простых синусоидальных колебаний — основного и высших гармоник. Таким образом, усилитель добавляет лишние гармоники, которых не было на входе усилителя.

Рис.2 - Нелинейные искажения

На рис.2 показано синусоидальное напряжение на входе усилителя Uвx и искаженное несинусоидальное напряжение на выходе Uвых. В данном случае усилитель вносит вторую гармонику. На графике напряжения Uвых штрихом показаны полезная первая гармоника (основное колебание), имеющая одинаковую частоту со входным напряжением, и вредная вторая гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение является суммой этих двух гармоник.
Искажения формы усиливаемых колебаний, т.е. добавление лишних гармоник к основному колебанию, называют нелинейными искажениями. Они проявляют себя в том, что звук становится хриплым, дребезжащим. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений kH, который показывает, какой процент составляют все лишние гармоники, созданные самим усилителем, по отношению к основному колебанию 1
Если kn меньше 5%, т. е. если добавленные усилителем гармоники в сумме составляют не более 5% первой гармоники, то ухо не замечает искажения. При коэффициенте нелинейных искажений больше 10% хриплость звука и дребезжание уже портят впечатление от художественных передач. При kH более 20% искажения недопустимы и даже речь становится неразборчивой.
Нелинейные искажения возникают и при усилении колебаний сложной формы при передаче речи и музыки. В этом случае также искажается форма усиливаемых колебаний и добавляются лишние гармоники. Сложные колебания сами состоят из гармоник, которые должны быть правильно воспроизведены усилителем. Их не следует путать с добавочными гармониками, которые создает сам усилитель. Гармоники входного напряжения являются полезными, так как они определяют тембр звука, а гармоники, внесенные усилителем,— 1 вредны. Они создают нелинейные искажения.
Причинами нелинейных искажений в усилителях являются: непрямолинейность характеристик ламп и транзисторов, наличие тока управляющей сетки в лампах и магнитное насыщение сердечников трансформаторов или дросселей низкой частоты. Значительные нелинейные искажения создаются также в громкоговорителях, телефонах, микрофонах, звукоснимателях.
3. Другие виды искажений. Наличие в усилительном устройстве реактивных сопротивлений приводит к появлению фазовых искажений. Фазовые сдвиги между различными колебаниями на выходе усилителя получаются не такими, как на входе. При воспроизведении звуков эти искажения не играют роли, так как органы слуха человека не ощущают их, но в ряде случаев, например в телевидении, они оказывают вредное влияние.
Каждый усилитель создает искажения динамического диапазона. Происходит его сжатие, т. е. отношение самого сильного колебания к самому слабому на выходе усилителя получается меньше, чем на входе. Это нарушает естественность звучания. С целью уменьшения таких искажений иногда вводят специальное устройство для расширения динамического диапазона, называемое расширителем (экспандером). Сжатие динамического диапазона происходит также и в электроакустических приборах.

33. Усилители постоянного тока: назначение, особенности схемного построения.

Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, полоса пропускания которого начинается с нулевой частоты.

Различают УПТ прямого усиления и с преобразованием по частоте. Особенность УПТ прямого усиления — между каскадами должны быть гальванические связи. Пример простого УПТ прямого усиления дан на рис. 1.

Рис. 1. Трехкаскадный УПТ

Проблемой УПТ является наличие медленного изменения выходного напряжения при отсутствии изменений на входе — так называемый дрейф нуля. Для уменьшения дрейфа нуля используют дифференциальные каскады, в которых минимизация дрейфа на выходе достигается тщательным симметрированием обоих плеч каскада.

В УПТ с преобразованием по частоте основное усиление производится на переменном токе. Для этого на входе усилителя (У) ставится модулятор (М), модулирующий колебания несущей частоты входным медленно меняющимся напряжением U_вх, подлежащим усилению. На выходе демодулятор (ДМ) выделяет усиленный полезный сигнал. Усиление сигналов переменного тока решает проблему дрейфа.

Рис. 2. Структурная схема УПТ с преобразованием по частоте

34. Дифференциальный усилитель: устройство и принцип работы.

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Транзисторы дифференциального усилителя могут быть биполярными, полевыми или баллистическими. Наиболее высокочастотными (ТГц диапазон) являются дифференциальные усилители на интегральной паре баллистических транзисторов^[1][2].

Схема инструментального дифференциального усилителя на базе ОУ

Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ

Для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, и во многих случаях также большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая ею операционный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких мегаом, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме. Здесь входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя, который не используется для создания обратной связи, а собственное входное сопротивление прецизионных операционных усилителей составляет значения порядка нескольких сотен мегаом.Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плечэлектронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом. Промышленностью выпускаются микросхемы, подобные приведённой схеме, с дополнительными возможностями по настройке коэффициента усиления, фильтрации шумов и частотной коррекции.