Виды усилителей и основные характеристики

Существует 2 основных вида усилителей:

1. ламповые (tube);

2. транзисторные (solid state)

Лампы используются в электронике начиная с середины XX века. Ламповые усилители отличаются приятным, теплым звуком. Если играть на большой громкости, то из-за перегруженности возникают искажения. Таким образом, музыкант может играть " чистые" отрывки на малой громкости и увеличивать громкость, когда нужно играть " тяжелые" партии. Отдельные усилители умеют несколько каналов: один для чистого звука, второй - для перегруженного. Имея такой усилитель, можно пользоваться overdrive-звуком на небольшой громкости. Ламповый усилитель требует периодической замены ламп.

Транзисторы - технология, появившаяся относительно недавно.

Транзисторные усилители не дают такого мягкого, насыщенного звука, как ламповые, однако их преимущество для многих музыкантов заключается именно в отсутствии искажений. Гитарист, пользующийся таким усилителем, может играть " чистые" партии на любой громкости, а при необходимости имитировать перегруженный звук, использовать различные гитарные эффекты (см. ниже).

Транзисторные усилители не требуют практически никакого технического обслуживания.

Виды усилителей

Электронными называют усилители электрических сигналов с регулирующими элементами на полупроводниковых или электровакуумных приборах. Классификация усилителей возможна по очень большому количеству признаков, относящихся как к виду выполняемых ими функций, так и к качеству или способу выполнения этих функций. В этом курсе будем придерживаться следующего разделения усилителей на группы.

По виду сигналов, для усиления которых предназначен усилитель:

• усилители гармонических сигналов (при построении усилителей гармонических сигналов важнейшим является обеспечение минимального уровня вносимых в сигнал искажений);
• усилители импульсных сигналов (усилители импульсных сигналов обычно используют различные ключевые режимы работы транзисторов, здесь важнейшим фактором является минимизация задержек фронтов и спадов усиливаемых сигналов, а также устранение паразитных выбросов токов и напряжений, неизбежно возникающих при прохождении таких сигналов через каскады усиления).

По способности усиливать постоянные и переменные сигналы:

• усилители постоянного тока (усилители, обладающие способностью усиливать весьма медленные колебания, в том числе и нулевой частоты, даже в том случае, если они в первую очередь предназначены для усиления мощности или напряжения переменных сигналов);
• усилители переменного тока (прочие - не обладающие способностью усиливать сигналы нулевой частоты - усилители).

По диапазону частот, на которые рассчитан усилитель:

• усилители низкой частоты (УНЧ); предназначены для усиления частот звукового диапазона (0, 01...20 кГц);
• усилители высокой частоты (УВЧ); предназначены для усиления сигналов в радиочастотном диапазоне;

По соответствию вида амплитудно-частотной характеристики полосе частот рабочего сигнала:

• узкополосные усилители; на практике принято называть усилитель узкополосным, если полоса пропускаемых частот уже, чем это минимально необходимо для качественного воспроизведения спектра усиливаемого сигнала (узкополосные УНЧ имеют полосу пропускания менее 2, 5...3 кГц; узкополосные УВЧ, например, для применения в телевидении, обладают полосой пропускаемых частот 4, 5...5 МГц, что меньше минимально необходимого для качественного воспроизведения телевизионного сигнала);
• широкополосные усилители (часто для уменьшения нелинейных искажений и повышения устойчивости усилителя выгодно реализовывать в нем максимально широкую полосу пропускания, гораздо шире, чем это реально необходимо для всех возможных частот рабочего сигнала);

По форме амплитудно-частотной характеристики:

• избирательные или резонансные усилители (имеют частотную характеристику полосового фильтра или резонансного колебательного контура);
• апериодические усилители (имеют частотную характеристику, плавно убывающую по мере роста частоты).

По усиливаемому электрическому показателю (данный признак классификации имеет в виду предназначение усилителя):

• усилители напряжения (определяющим свойством усилителя является усиление напряжения);
• усилители тока (определяющим свойством усилителя является усиление тока);
• усилители мощности - усилитель или его оконечная выходная часть, рассчитанная на отдачу в цепь внешней нагрузки определенной мощности при заданной величине входного сигнала (Виды усилителей).

Основные характеристики усилителей

К числу основных электрических показателей, характеризующих работу усилителя, относятся следующие:

Коэффициент усиления

Рассматривают:

1. коэффициент усиления по напряжению - K_u = U_вых/U_вх;

2. коэффициент усиления по току - K_i = I_вых/I_вх;

3. коэффициент усиления по мощности - K_р = Р_вых/Р_вх = К_u·К_i.

Здесь U и I - действующие значения синусоидального напряжения и тока. Коэффициент усиления по мощности Kр > 1. В зависимости от усиливаемого параметра, усилители подразделяются на усилители напряжения, тока, мощности. В ряде случаев усилитель делают многокаскадным, что позволяет увеличить коэффициент усиления. Структурная схема многокаскадного усилителя показана на нижеприведенном рисунке.

Рис.6.3. Структурная схема многокаскадного усилителя (рисунок выполнен авторами)

При выполнении условий U_вых1= U_вх2, U_вых2= U_вх3, ..., U_выхn-1= U_вхn коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов:

K_u = U_выхn/U_вх1= K₁·K₂...K_n.

Выходная мощность - мощность на выходе усилителя в заданном режиме работы:

P_вых = 0, 5·U_н.m·I_н.m,

где U_н.m - амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке, I_н.m - амплитуда синусоидально тока нагрузки.

Коэффициент полезного действия равен отношению мощности на выходе усилителя к мощности, отдаваемой источником энергии с напряжением E:

η = P_вых/P_o, где

P_o = E·I₀ (I₀ постоянная составляющая тока).

Амплитудно-частотная характеристика - зависимость от частоты модуля коэффициента усиления. В зависимости от вида АЧХ усилителя подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители звуковой частоты (УЗЧ), избирательные усилители.

Рис.6.4. АЧХ различных усилителей (рисунок выполнен авторами)

а) усилитель постоянного тока; б) усилитель звуковой частоты; в) избирательные усилители.

K_max/K_f = M - коэффициент частотных искажений (где K_f коэффициент усиления на заданной частоте).

Δ f - полоса пропускания усилителя. Для УПТ (а) она начинается с частоты сигнала f = 0. УПТ усиливает как постоянный, так и переменный сигнал.

В УЗЧ (б) постоянный сигнал не усиливается. Сигналы низкой частоты усиливаются, начиная с нижней границы частоты f_H до верхней границы частоты f_B.

Характеристикой вида (в) обладают резонансные и частотно-избирательные усилители.

Амплитудная характеристика - зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).

Рис.6.5. Амплитудная характеристика усилителя (рисунок выполнен авторами)

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вх=0, точка 2 - минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 - это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

Кг = (√ U²_{2m +} U²_3m +...+ U²_nm)/U_1m, где

U_1m, U_2m, U_3m, U_nm - амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина

D = U_вх.max/U_вх.min

характеризует динамический диапазон усилителя, где U_вх.max и U_вх.min - максимальное и минимальное входные напряжения, при которых усилитель не искажает входного сигнала.

Переходная характеристика

Это зависимость выходного напряжения от времени U_вых(t), когда на вход подается ступенчатый сигнал U_вх(t) = E·1(t).

Рис. 6.6. Переходная характеристика усилителя (рисунок выполнен авторами)

На ней показано ступенчатое напряжение U_вх и функция K(t) = U_вых(t)/E. Переходная характеристика K(t) характеризуется выбросом δ, временем нарастания t_н, временем импульса t_имп, относительным спадом плоской вершины Δ K/K₀.

Входное сопротивление

Это сопротивление усилителя со стороны входа для переменной составляющей заданной частоты.

R_вх = U_вх/I_вх, где

U_вх и I_вх - амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя.

Выходное сопротивление

Характеризует сопротивление усилителя со стороны выхода для переменной составляющей сигнала заданной частоты.

R = |Δ U_вых|/|Δ I_вых|

Где Δ U_вых и Δ I_вых приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки (Харитонов В. И., 2012).

Обратная связь в усилителях

Обратной связью называют передачу всей или части энергии уси­ленного сигнала с выхода усилителя или отдельного каскада на вход усилителя. Обратная связь может быть внутренней, т. е. возникающей благодаря особенностям конструкции и физическим свойствам усилительных элементов, и внешней, создаваемой в схеме умышленно для придания усилителю определенных свойств и функциональных особенностей. Обратная связь может возникнуть вопреки желанию конструктора из-за наличия в схеме паразитных связей между каскадами. Такая обратная связь называется паразитной. Элементы схемы, создающие обратную связь, образуют цепь обратной связи. Коэффициент передачи цепи обратной связи обычно обозначается β. Цепь обратной связи совместно с частью схемы уси­лителя, которую она охватывает, образует петлю обратной связи, или контур обратной связи. В зависимости от числа петель обратной свя­зи в усилителе обратная связь может быть одно- или многоконтур­ной. По способу осуществления различают ОС по напряжению, току и смешанную. По способу введения напряжения ОС во входную цепь - параллельную и последовательную.

Виды обратных связей

Если напряжение U_oc обратной связи пропорционально выходному напряжению усилителя, то обратная связь такого вида называется обратной связью по напряже­нию (рис. 6.7). При этом можно передавать все выходное напряжение на вход схемы или только часть его, используя делитель напряжения, подключаемый параллельно нагрузке. В этом случае сопротивления ре­зисторов делителя напряжения должны быть существенно выше сопротивления на­грузки для того, чтобы не уменьшать ток через нагрузку.

Рис.6.7. Обратная связь по напряжению (рисунок выполнен авторами)

Если напряжение U_oc обратной связи пропорционально току в нагрузке усилителя, то обратная связь такого вида называется обратной связью по току (рис. 6.8). Для того, чтобы получить напряжение U_oc, нужно использовать ре­зистор R, включаемый последовательно с нагрузкой. В таком случае сопротивление этого резистора должно быть гораздо меньше сопротивления нагрузки для того, чтобы не уменьшать напряжение на нагруз­ке. Кроме того, мощность этого резистора должна быть достаточной для пропускания большого выходного тока усилителя.

Рис.6.8. Обратная связь по току (рисунок выполнен авторами)

Кроме того, возможна комбинированная, или смешанная обратная связь, при которой напряжение об­ратной связи имеет составляющие, пропорциональные как напряжению на нагрузке, так и току в ней (рис. 6.9).

Рис.6.9. Комбинированная обратная связь (рисунок выполнен авторами)

Для того, чтобы опреде­лить, какая обратная связь присутствует в усилительном каскаде, можно провести мыс­ленные эксперименты, зако­рачивая нагрузку (режим ко­роткого замыкания на выхо­де) или, разрывая цепь нагруз­ки (режим холостого хода усилителя) и определяя, дей­ствует или нет обратная связь в данных случаях. В режиме короткого замыкания на выходе обратная связь по напряжению отсутствует, а в режиме холостого хода не действует обратная связь по току (Обратные связи в усилителях). Если же в обоих случаях сигнал обратной связи отличен от нуля, то такая обратная связь является комбинированной (смешанной).

Если выход цепи обратной связи подключается ко входу усили­теля последовательно с источником входного сигнала, то обратная связь такого типа называется последовательной (рис. 6.10). Если же выход цепи обратной связи и источник входного сигнала подключе­ны ко входу усилителя параллельно, то связь называют параллельной (рис. 6.11).

Рис.6.10. Последовательная обратная связь (рисунок выполнен авторами)

 

Рис.6.11. Параллельная обратная связь (рисунок выполнен авторами)

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Основные решения по рекламе
2. I. Ультразвук. Его виды. Источники ультразвука.
3. I.2. Структура педагогической науки и её основные отрасли
4. II Основные общие и обзорные представления, понятия, положения психологии
5. II. ЭКЗАМЕН ПО ОБЩЕСТВОЗНАНИЮ: ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОВЕРКИ
6. III. Типы и виды лингвистических словарей.
7. VIII.3. Виды внимания и их характеристика.
8. А. Основные клинические формы
9. Авторское право: понятие, объекты, признаки и основные разновидности
10. Административно – правовые режимы: понятие, признаки, назначения, правовое регулирование, виды
11. Административное наказание как мера административной ответственности, его виды и цели
12. Административное наказание. Виды административных взысканий.