Нелинейные искажения сигнала

Качественные показатели усилителей

Коэффициент усиления и КПД

Усилителем электрических сигналов называется устройство, которое за счёт энергии источника питания обеспечивает увеличение мощности сигнала на выходе Р_ВЫХ, по сравнению с входным сигналом Р_ВХ, не изменяя его форму.

Количественной оценкой такого увеличения является коэффициент усиления по мощности К_Р, измеренный в относительных единицах (разах) или К_Р [дБ] – в децибелах.

К_P = P_ВЫХ ⁄ P_ВХ К_P [дБ] = 10∙lg (P_ВЫХ ⁄ P_ВХ), дБ

Использование децибел связано с тем, что громкость для человеческого уха воспринимается не как прямое увеличение выходной мощности усилителя, а как её логарифм. То-есть, усилитель, мощность которого в 10 раз больше, звучит громче всего в два раза.

Величина 1 дБ – условно принято за минимальную чувствительность органа слуха человека, т.е. это минимальная различимая человеком величина.

Коэффициент усиления по напряжению К_U для усилителей определяется при синусоидальном входном сигнале как отношение выходного напряжения U_ВЫХ к входному U_ВХ.

К_U = U_ВЫХ ⁄ U_ВХ К_U [дБ] = 20 lg (U_ВЫХ ⁄ U_ВХ), дБ

Коэффициент усиления по току К_I определяется так отношение выходного тока І_ВЫХ к входному І_ВХ.

К_І = I_ВЫХ ⁄ I_ВХ К_І [дБ] = 20 lg (I_ВЫХ ⁄ I_ВХ), дБ

Взаимозависимость коэффициентов усиления: К_Р = К_U ∙ К _I

В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен:

К_общ = К₁ ∙ К₂ ∙ … ∙ К_n К_общ [дБ] = К₁ [дБ] + К₂ [дБ] + … + К_n [дБ]

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя характеризует его экономичность и равен отношению полезной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку Р_ВЫХ к суммарной мощности, потребляемой усилителем от источника питания Р₀.

к.п.д = η = (P_ВЫХ ⁄ P₀) ∙ 100%

Измеряют его обычно на частоте 1 кГц. КПД всех усилителей зависит от режимов работы усилительных элементов и выходной мощности. Поскольку аналоговые усилители относятся в основном к классу АВ то для большинства из них он составляет примерно 60…70 % при максимальной мощности. Исключение составляют так называемые усилители класса D, у которых КПД может превышать величину 90%.

Выходная мощность

Выходная мощность усилителя Р_ВЫХ (Output Power) представляет собой произведение эффективных значений выходного тока и напряжения.

Напомним, что эффективным или действующим значением синусоидального напряжения u = U_m sin ωt является величина U_m ⁄ √ 2, где U_m – амплитудное значение.

Выходная мощность является самым известным и популярным у потребителя параметром усилителя, казалось бы абсолютно однозначным, соответствующим закону Ома и не допускающим различных толкований. Но некоторые производители в целях рекламы своей продукции приводят различные абсурдные значения «рекламно-пиковых» мощностей не имеющих физического смысла 500…1500 W - в сотню раз превышающую реальную!

- 2 -

Номинальной мощностью Р_Н называется выходная мощность в нагрузке, при которой нелинейные искажения и другие паспортные параметры усилителя гарантируются производителем. Иногда при работе усилителя на высокоомную нагрузку удобнее пользоваться понятием не номинальной мощности, а номинального напряжения:

При измерении некоторых параметров приёмников и усилителей пользуются измерительной мощностью, например, стандартной Р_СТ = 50 мВт или нормальной

Представляет интерес термин «музыкальная мощность» - это максимальная мощность, которую может развить усилитель на конкретной нагрузке в течении 1 секунды при входном синусоидальном сигнале с частотой 1 кГц. Этим параметром можно оценить резерв мощности усилителя, так как средняя мощность, даже если прослушивать очень интенсивную тяжёлую музыку, не превышает 20…40 % от максимальной (импульсной).

Выходная мощность всегда измеряется на активной нагрузке. Это надо помнить, так как динамические громкоговорители активной нагрузкой не являются. Реактивность нагрузки снижает КПД усилителя и может стать причиной его самовозбуждения.

В усилителях выходное сопротивление стараются сделать крайне малым (соизмеримым с R_Н), чтобы иметь возможность работать на низкоомную нагрузку и при этом осуществлять её демпфирование, т.е. убирать паразитные колебания диффузора динамика, возникающие из-за наличия упругих элементов конструкции.

Нелинейные искажения сигнала

Нелинейные искажениявызывают изменение формы сигнала и образуются в результате прохождения его через цепи с нелинейными характеристиками. Такими являются все усилительные (VT) и полупроводниковые элементы (VD), магнитопроводы трансформаторов (Т).

При прохождении гармонического сигнала через нелинейные цепи, его спектр обогащается за счёт составляющих, которых не было в исходном сигнале. Если эти составляющие являются гармониками основного тона, то есть частотами, в целое число раз превосходящими основную частоту, то такие нелинейные искажения в музыкальном сигнале воспринимаются как не раздражающие. Музыкальный звукоряд построен на октаве, т.е. на удвоении частоты. Поэтому гармоники основного тона – это те же ноты, но взятые на октаву или несколько октав выше.

Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник К_Г

где U₁ – амплитудное значение основного сигнала (первой гармоники), а U₂ … U_n – амплитуды высших гармоник.

У всех усилителях с ростом выходной мощности и частоты входного сигнала этот показатель увеличивается. Но это допустимо, так как средний уровень громкости музыкального сигнала на 10…20 дБ ниже максимального, и кратковременные фрагменты с большим уровнем гармоник будут почти незаметны. Что касается частоты, то примерно половина всей мощности приходится на частоты ниже 500 Гц.

Принято считать приемлемым для максимальной мощности значение К_Г = 0,5 … 1 %, в то время как для средней мощности некоторых усилителей он достигает К_Г = 0,01 % и меньше.

Но, к сожалению, нелинейные элементы выполняют функцию смесителей. После прохождения через такие элементы в спектре сигнала образуются суммарные и разностные частоты основных тонов – комбинационные гармоники. Такие

- 3 -

искажения называются интермодуляционными. Они очень неприятны на слух, звучание теряет свою чистоту, становятся хриплым и дребезжащим, отдельные голоса и инструменты плохо различимы и вызывают раздражение.

Все способы измерения коэффициента интермодуляционных искажений К_ИН очень сложны, но известно, что чем больше общая нелинейность тракта УНЧ, тем в большей степени К_ИН превосходит К_Г. При К_Г < 0,1% можно считать, что К_Г ≈ К_ИН и судить о нелинейных искажениях можно по коэффициенту гармоник.

В стандарте DIN45500 для аппаратуры классов Hi-Fi коэффициент интермодуляционных искажений К_ин рассчитывается следующим образом :

где U₁ и U₂ - амплитудные значения синусоидальных

сигналов с частотами f₁ и f₂, а U₁₂ – амплитуда

разностного или суммарного сигнала U₁₂ = sin 2π (f₁ ± f₂)t.

f₁ = 250 Гц, f₂ = 8 кГц, U₁ = 0,25U₂