Показатели качества усилителя

В электронике показатели качества усилителя — это числовые меры, характеризующие его свойства и характеристики. Показатели качества можно представить в виде списка характеристик , включающих такие свойства, как усиление , полоса пропускания , шум и линейность , а также другие, перечисленные в этой статье. Показатели качества важны для определения пригодности конкретного усилителя для использования по назначению.

Прирост

Коэффициент усиления усилителя представляет собой отношение выходной мощности к входной мощности или амплитуде и обычно измеряется в децибелах . При измерении в децибелах он логарифмически связан с коэффициентом мощности: G (дБ) = 10 log( P _out / P _in ). Радиочастотные усилители часто указываются с точки зрения максимального достижимого усиления мощности , тогда как усиление по напряжению аудиоусилителей и инструментальных усилителей чаще указывается. Например, аудиоусилитель с коэффициентом усиления 20 дБ будет иметь коэффициент усиления по напряжению, равный десяти.

усилителя Использование коэффициента усиления по напряжению целесообразно, когда входное сопротивление намного превышает сопротивление источника, а сопротивление нагрузки превышает выходное сопротивление усилителя.

Если сравниваются два эквивалентных усилителя, усилитель с более высокими настройками усиления будет более чувствительным, поскольку для производства заданной мощности потребуется меньше входного сигнала. ^[1]^{[ ненадежный источник? ]}

Пропускная способность

Полоса пропускания усилителя — это диапазон частот, в котором усилитель дает «удовлетворительные характеристики». Определение «удовлетворительной производительности» может быть разным для разных приложений. Однако общепринятым показателем являются точки половинной мощности (т. е. частота, при которой мощность снижается вдвое от максимального значения) на кривой зависимости выходной мощности от частоты. Следовательно, полосу пропускания можно определить как разницу между нижней и верхней половинной мощностью. Поэтому это также известно как полоса пропускания по уровню −3 дБ . Полоса пропускания (также называемая «частотными характеристиками») для других допусков реакции иногда указывается ( -1 дБ , -6 дБ и т. д.) или «плюс-минус 1 дБ» (примерно разница в уровне звука, которую люди обычно могут обнаружить).

Коэффициент усиления полнодиапазонного аудиоусилителя хорошего качества будет практически одинаковым в диапазоне от 20 Гц до примерно 20 кГц (диапазон нормального человеческого слуха ). В конструкции усилителя сверхвысокой точности частотная характеристика усилителя должна значительно выходить за пределы этого диапазона (на одну или несколько октав в каждую сторону) и может иметь -3 дБ точки < 10 Гц и > 65 кГц . Профессиональные туристические усилители часто имеют входную и/или выходную фильтрацию для резкого ограничения частотной характеристики за пределами 20 Гц–20 кГц ; В противном случае слишком большая часть потенциальной выходной мощности усилителя будет потрачена впустую на инфразвуковые и ультразвуковые частоты, и опасность радиопомех AM увеличится. Современные импульсные усилители нуждаются в резкой фильтрации нижних частот на выходе, чтобы избавиться от высокочастотного шума переключения и гармоник .

Диапазон частот, в котором усиление равно или превышает 70,7% от максимального усиления, называется полосой пропускания. ^[2]

Эффективность

КПД — это мера того, какая часть источника питания эффективно подается на выход усилителя. Усилители класса А очень неэффективны: в диапазоне 10–20% с максимальным КПД 25% при прямом соединении выхода. Индуктивная связь выхода может повысить их эффективность максимум до 50%.

Эффективность стока — это отношение выходной ВЧ-мощности к входной мощности постоянного тока, когда первичная входная мощность постоянного тока подается на сток полевого транзистора . Основываясь на этом определении, эффективность стока не может превышать 25% для усилителя класса A, на который ток смещения стока подается через резисторы (поскольку радиочастотный сигнал имеет нулевой уровень примерно при 50% входного постоянного тока). Производители указывают гораздо более высокий КПД стока, а разработчики могут добиться более высокого КПД, подавая ток на сток транзистора через дроссель или обмотку трансформатора. В этом случае нулевой уровень РЧ находится рядом с шиной постоянного тока и во время работы будет колебаться как выше, так и ниже шины. Пока уровень напряжения выше постоянного тока, ток подается через индуктор.

Усилители класса B имеют очень высокий КПД, но непрактичны для работы со звуком из-за высокого уровня искажений (см.: Кроссоверные искажения ). В практическом проектировании результатом компромисса является конструкция класса AB. Современные усилители класса AB обычно имеют пиковую эффективность от 30 до 55% в аудиосистемах и 50-70% в радиочастотных системах с теоретическим максимумом 78,5%.

Коммерчески доступные импульсные усилители класса D имеют КПД до 90%. Усилители класса CF обычно известны как усилители с очень высоким КПД. Компания RCA произвела передатчик AM-вещания, в котором использовался один триод класса C с низким уровнем мю с радиочастотным КПД в диапазоне 90%.

Более эффективные усилители работают с меньшим охлаждением и часто не нуждаются в охлаждающих вентиляторах даже в многокиловаттных конструкциях. Причина этого в том, что потеря эффективности приводит к выделению тепла как побочного продукта энергии, потерянной при преобразовании мощности. В более эффективных усилителях потери энергии меньше, а значит и меньше тепла.

В линейных усилителях мощности RF, таких как базовые станции сотовой связи и вещательные передатчики, для повышения эффективности можно использовать специальные методы проектирования. Конструкции Доэрти, в которых второй выходной каскад используется в качестве «пикового» усилителя, могут повысить эффективность с типичных 15% до 30–35% в узкой полосе пропускания. Конструкции с отслеживанием огибающей способны достичь эффективности до 60% за счет модуляции напряжения питания усилителя в соответствии с огибающей сигнала.

Линейность

Идеальный усилитель был бы полностью линейным устройством, но реальные усилители линейны только в определенных пределах.

Когда мощность сигнала, поступающего на усилитель, увеличивается, выходная мощность также увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой некоторая часть усилителя становится насыщенной и не может больше выдавать выходной сигнал; это называется обрезкой и приводит к искажению .

В большинстве усилителей снижение усиления происходит до того, как произойдет жесткое ограничение; в результате получается эффект сжатия , который (если усилитель является аудиоусилителем) звучит гораздо менее неприятно для уха. Для этих усилителей точка сжатия 1 дБ определяется как входная мощность (или выходная мощность), при которой усиление на 1 дБ меньше, чем усиление малого сигнала. Иногда эта нелинейность намеренно создается, чтобы уменьшить неприятные ощущения при резком клиппинге при перегрузке.

Вредные последствия нелинейности можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи.

Линеаризация — это новая область, и существует множество методов, таких как упреждающее искажение , предыскажение , пост-искажение, позволяющие избежать нежелательных эффектов нелинейностей.

Шум

Это мера того, сколько шума вводится в процессе усиления. Шум — нежелательный, но неизбежный продукт работы электронных устройств и компонентов; Кроме того, большой шум возникает в результате преднамеренной экономии времени производства и проектирования. Показателем шумовых характеристик схемы является коэффициент шума или коэффициент шума. Коэффициент шума — это сравнение отношения выходного сигнала к шуму и теплового шума входного сигнала.

Выходной динамический диапазон

выходного сигнала Динамический диапазон — это диапазон, обычно измеряемый в дБ, между наименьшим и наибольшим полезными уровнями выходного сигнала. Самый низкий полезный уровень ограничен выходным шумом , а самый большой чаще всего ограничивается искажениями. Отношение этих двух значений называется динамическим диапазоном усилителя. Точнее, если S = максимально допустимая мощность сигнала и N = мощность шума, динамический диапазон DR равен DR = (S + N )/N . ^[3]

Во многих переключаемых усилителях динамический диапазон ограничен минимальным размером шага выходного сигнала.

Скорость нарастания

Скорость нарастания — это максимальная скорость изменения выходного сигнала, обычно указываемая в вольтах в секунду (или микросекундах). Многие усилители в конечном итоге ограничены скоростью нарастания (обычно из-за импеданса тока возбуждения, вынужденного преодолевать емкостные эффекты в некоторой точке схемы), что иногда ограничивает полную полосу мощности до частот, значительно ниже частотной характеристики слабого сигнала усилителя.

Время подъема

Время нарастания t _r усилителя — это время, необходимое для изменения выходного сигнала от 10% до 90% от его конечного уровня при управлении ступенчатым входом . Для системы гауссовского отклика (или простого спада RC ) время нарастания аппроксимируется следующим образом:

t _r * BW = 0,35 , где t _r — время нарастания в секундах , а BW — полоса пропускания в Гц .

Установка времени и звонок

Время, необходимое для стабилизации выходного сигнала в пределах определенного процента от конечного значения (например, 0,1%), называется временем установления и обычно указывается для усилителей вертикальной развертки осциллографов и высокоточных измерительных систем. Звон относится к изменению выходного сигнала, который циклически меняется выше и ниже конечного значения усилителя и приводит к задержке достижения стабильного выхода. Звон является результатом перерегулирования, вызванного недостаточным демпфированием контура.

Перерегулирование

В ответ на пошаговый ввод перерегулирование представляет собой величину, на которую выходной сигнал превышает свое окончательное, установившееся значение.

Стабильность

Стабильность — проблема всех усилителей с обратной связью, независимо от того, добавляется ли эта обратная связь намеренно или возникает непреднамеренно. Это особенно проблематично при использовании нескольких каскадов усиления.

Стабильность является основной проблемой в радиочастотных и микроволновых усилителях. Степень стабильности усилителя можно количественно оценить с помощью так называемого коэффициента стабильности. Существует несколько различных факторов стабильности, таких как фактор стабильности Штерна и фактор стабильности Линвиля, которые определяют условие, которое должно быть выполнено для абсолютной стабильности усилителя с точки зрения его двухпортовых параметров .

См. также

Ссылки

^ «Регулировка усиления усилителя» . Проверено 11 ноября 2017 г.
^ КУМАР, ГАНГУЛИ, ПАРТХА (16 сентября 2015 г.). ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРОНИКИ . PHI Learning Pvt. ООО ISBN 9788120351240 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Верховен CJM, ван Ставерен А, Монна ГЛЕ, Кувенховен МХЛ, Йилдиз Э (2003). Структурированная электроника: усилители с отрицательной обратной связью . Бостон/Дордрехт: Kluwer Academic. п. 10. ISBN 1-4020-7590-1 .

Внешние ссылки

[1] «Регулировка усиления усилителя» . Проверено 11 ноября 2017 г.

[2] КУМАР, ГАНГУЛИ, ПАРТХА (16 сентября 2015 г.). ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРОНИКИ . PHI Learning Pvt. ООО ISBN 9788120351240 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Verhoeven-3] Верховен CJM, ван Ставерен А, Монна ГЛЕ, Кувенховен МХЛ, Йилдиз Э (2003). Структурированная электроника: усилители с отрицательной обратной связью . Бостон/Дордрехт: Kluwer Academic. п. 10. ISBN 1-4020-7590-1 .

[1]

[2]

[3]