2 Динамические характеристики усилителей мощности.
Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), как правило, представляет собой мощный операционный усилитель (ОУ), охваченный отрицательной обратной связью, и включенный по неинвертирующей (или реже - инвертирующей) схеме усилителя переменного (реже - постоянного) тока (а иногда и по дифференциальной схеме). Такая схема может быть выполнена на дискретных элементах, специализированной микросхеме или ОУ в комбинации с дискретными элементами. Поэтому и набор параметров ОУ, особенно предназначенного для аудио применения, приводимый изготовителем, весьма схож с таковым для УМЗЧ.
Все параметры можно разделить на несколько групп: параметры в режиме малого сигнала, в режиме большого сигнала, входные, выходные, по постоянному и переменному току, статические и динамические и.т.д. Не все параметры одинаково важны, однако незнание их значений может привести к неожиданным результатам.
Динамические характеристики усилителей с высоким коэффициентом усиления в сочетании с динамическими характеристиками нагрузки в линейной системе делают затруднительным получение устойчивой системы. В системе регулирования с предсказанием существенное значение имеют только динамические звенья, расположенные после звена с насыщением.
Схемы однопериодного и двухполупериодного преобразования постоянного напряжения. Динамические характеристики усилителя выбираются такими, чтобы перемещение каретки компенсатора соответствовало скорости изменения измеряемой величины.
Динамические характеристики усилителя - частота среза в режиме малого сигнала fcp и скорость нарастания выходного сигнала vвых. Динамические характеристики усилителей сигналов, как и других звеньев систем управления и регулирования, могут быть определены при помощи передаточной функции.
Лучшей оценкой динамических характеристик усилителя является ощущение оператора.
Уменьшение крутизны динамической характеристики усилителя достигается путем увеличения сопротивления нагрузки.
Требования к динамическим характеристикам усилителей постоянного тока меняются в очень широких пределах.
До сих пор мы рассматривали параметры и характеристики, описывающие разнообразные свойства транзисторов как основных усилительных элементов в составе электронных усилителей. Однако существуют показатели, по которым оценивается работа всего такого усилителя (или функционально законченных отдельных его каскадов) в целом. Данные параметры зависят не только от свойств применяемых в усилителе транзисторов, но и от качества самой принципиальной схемы и точности ее настройки.
К числу основных электрических показателей, характеризующих работу усилителя, относятся следующие:
коэффициент передачи или коэффициент усиления;
динамическая и амплитудная характеристики;
динамический диапазон;
предельная чувствительность;
амплитудно-частотная характеристика;
фазочастотная характеристика;
амплитудно-фазовая характеристика;
линейные искажения: оцениваются соответствующими коэффициентами линейных (частотных и фазовых) искажений;
нелинейные искажения: оцениваются разнообразными коэффициентами (коэффициент нелинейных искажений, коэффициент интермодуляции и т.п.).
Коэффициент передачи
Коэффициент передачи — это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи. При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемый сигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функции операторного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющими достаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления.
Различают:
- коэффициент усиления по напряжению
- коэффициент усиления по току
- коэффициент усиления по мощности
Динамическая и амплитудная характеристики
Динамическая характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения Uвых (t) от мгновенного значения входного напряжения Uвх (t) при гармоническом входном воздействии. Зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения:
называется амплитудной характеристикой. Точка окончания линейного участка динамической характеристики носит название точки компрессии.
Динамический диапазон
Отношение (в децибелах) наибольшего допустимого значения амплитуды входного напряжения к ее наименьшему допустимому значению называется динамическим диапазоном амплитуд (или просто динамическим диапазоном). Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления (точка компрессии). В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.
Амплитудно-частотная характеристика
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала.
Фазочастотная характеристика
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи.
Амплитудно-фазовая характеристика
Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) — зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи.
Понятия об АЧХ, ФЧХ и АФХ становятся определенными лишь по отношению к линейным усилителям.
Переходная характеристика
Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:
