Введение

Числовые показатели, характеризующие свойства и производительность усилителя.
В электронике, основные характеристики усилителя – это числовые показатели, определяющие его свойства и производительность. Эти характеристики могут быть представлены в виде списка спецификаций, включающего такие параметры, как коэффициент усиления, полоса пропускания, шум и линейность, среди прочих, перечисленных в данной статье. Основные характеристики важны для определения пригодности конкретного усилителя для конкретной задачи.

Прибыль

Усиление усилителя – это отношение выходной мощности или амплитуды к входной мощности или амплитуде и обычно измеряется в децибелах. При измерении в децибелах оно логарифмически связано с отношением мощностей: G(дБ) = 10 log(Pout / Pin). Радиочастотные усилители часто характеризуются максимальным достижимым усилением по мощности, в то время как для аудиоусилителей и измерительных усилителей чаще указывается усиление по напряжению. Например, аудиоусилитель с усилением 20 дБ будет иметь усиление по напряжению, равное десяти. Использование характеристики усиления по напряжению целесообразно, когда входное сопротивление усилителя значительно превышает сопротивление источника сигнала, а сопротивление нагрузки значительно превышает выходное сопротивление усилителя. При сравнении двух эквивалентных усилителей, усилитель с более высоким коэффициентом усиления будет более чувствительным, поскольку для получения заданной мощности потребуется меньший входной сигнал. Ненадежный источник: дата=ноябрь 2017.

Пропускная способность

Ширина полосы усилителя – это диапазон частот, в котором усилитель обеспечивает "удовлетворительную работу". Определение "удовлетворительной работы" может различаться в зависимости от области применения. Однако, общепринятой и широко используемой метрикой являются частоты, соответствующие половине максимальной мощности (то есть частоты, на которых мощность падает до половины своего пикового значения) на графике зависимости выходной мощности от частоты. Следовательно, полоса пропускания может быть определена как разность между нижней и верхней частотами полумощности. Поэтому она также известна как полоса пропускания -3 дБ. Иногда указывают полосы пропускания (также называемые "частотными характеристиками") для других допустимых отклонений (-1 дБ, -6 дБ и т.д.) или "плюс-минус 1 дБ" (приблизительно та разница в уровне звука, которую человек обычно способен различить). Усилитель хорошего качества, охватывающий полный диапазон звука, будет иметь практически плоскую характеристику в диапазоне от 20 Гц до примерно 20 кГц (диапазон нормального человеческого слуха). При разработке ультравысококачественных усилителей частотная характеристика усилителя должна значительно выходить за эти пределы (на одну или несколько октав в обе стороны) и может иметь точки -3 дБ ниже 10 Гц и выше 65 кГц. Профессиональные усилители для концертов часто оснащаются входными и/или выходными фильтрами для резкого ограничения частотной характеристики за пределами 20 Гц – 20 кГц; в противном случае слишком большая часть потенциальной выходной мощности усилителя будет расходоваться на инфразвуковые и ультразвуковые частоты, а также возрастет риск радиопомех AM. Современные импульсные усилители нуждаются в крутой фильтрации нижних частот на выходе для устранения высокочастотного шума переключения и гармоник. Диапазон частот, в котором усиление равно или превышает 70,7% от максимального усиления, называется полосой пропускания.

Эффективность

Эффективность – это мера того, насколько полезно энергия источника питания преобразуется в выходную мощность усилителя. Усилители класса А очень неэффективны, их эффективность находится в диапазоне 10–20%, с максимальной эффективностью 25% при непосредственном соединении выхода. Индуктивное соединение выхода может повысить их эффективность до 50%. Эффективность стока – это отношение выходной ВЧ-мощности к входной мощности постоянного тока, когда первичный входной ток постоянного тока подается на сток полевого транзистора. Исходя из этого определения, эффективность стока для усилителя класса А, питаемого через резисторы, не может превышать 25% (поскольку нулевой уровень ВЧ-сигнала находится примерно на 50% от входного постоянного тока). Производители указывают гораздо более высокую эффективность стока, а разработчики могут добиться большей эффективности, подавая ток на сток транзистора через индуктор или обмотку трансформатора. В этом случае нулевой уровень ВЧ-сигнала близок к шине постоянного тока и будет колебаться выше и ниже шины во время работы. Когда уровень напряжения выше шины постоянного тока, ток подается индуктором. Усилители класса B обладают очень высокой эффективностью, но непрактичны для аудио из-за высокого уровня искажений (см. Искажения на переходе). В практической конструкции компромиссом является схема класса AB. Современные усилители класса AB обычно имеют пиковую эффективность от 30 до 55% в аудиосистемах и от 50 до 70% в радиочастотных системах, с теоретическим максимумом 78,5%. Коммерчески доступные импульсные усилители класса D демонстрируют эффективность до 90%. Усилители класса C обычно известны как усилители с очень высокой эффективностью. Компания RCA изготовила AM-передатчик, использующий один триод с низким крутизной класса C с ВЧ-эффективностью в диапазоне 90%. Более эффективные усилители работают при более низкой температуре и часто не требуют вентиляторов охлаждения даже в конструкциях мощностью в несколько киловатт. Это связано с тем, что потеря эффективности выделяет тепло как побочный продукт энергии, теряемой при преобразовании мощности. В более эффективных усилителях теряется меньше энергии, а значит, выделяется меньше тепла. В линейных ВЧ-усилителях мощности, таких как базовые станции сотовой связи и радиопередатчики, можно использовать специальные методы проектирования для повышения эффективности. Схемы Доэрти, использующие вторую выходную ступень в качестве "пикового" усилителя, могут повысить эффективность с типичных 15% до 30–35% в узкой полосе пропускания. Схемы с отслеживанием огибающей способны достигать эффективности до 60%, модулируя напряжение питания усилителя в соответствии с огибающей сигнала.

Линейность

Идеальный усилитель был бы полностью линейным устройством, но реальные усилители линейны лишь в определенных пределах. При увеличении входного сигнала усилителя, выходной сигнал также увеличивается до тех пор, пока какая-либо часть усилителя не достигнет насыщения и не сможет выдавать большую мощность; это называется клиппированием и приводит к искажениям. В большинстве усилителей происходит уменьшение коэффициента усиления до наступления жесткого клиппирования; результатом является эффект компрессии, который (если усилитель является звуковым) воспринимается ухом как менее неприятный. Для таких усилителей точка 1 дБ компрессии определяется как входная (или выходная) мощность, при которой коэффициент усиления на 1 дБ меньше, чем коэффициент усиления для малого сигнала. Иногда эта нелинейность намеренно вносится для снижения неприятных ощущений от жесткого клиппирования при перегрузке. Неблагоприятное влияние нелинейности можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи. Линеаризация – развивающаяся область, и существует множество методов, таких как прямая связь, предварительное искажение и последующее искажение, для предотвращения нежелательных эффектов нелинейности.

Шум

Это мера того, насколько увеличивается шум в процессе усиления. Шум – нежелательный, но неизбежный побочный продукт электронных устройств и компонентов; значительная часть шума также возникает из-за намеренного снижения затрат на производство и время проектирования. Показателем шумовых характеристик схемы является коэффициент шума или фактор шума. Коэффициент шума представляет собой отношение между отношением сигнал/шум на выходе и тепловым шумом на входе.

Динамический диапазон вывода

Динамический диапазон выходного сигнала — это диапазон, обычно выражаемый в дБ, между минимальным и максимальным полезными уровнями выходного сигнала. Минимальный полезный уровень ограничивается выходным шумом, а максимальный — чаще всего искажениями. Отношение этих двух уровней называется динамическим диапазоном усилителя. Более точно, если S — максимальная допустимая мощность сигнала, а N — мощность шума, то динамический диапазон DR определяется как DR = (S + N) / N. Во многих импульсных усилителях динамический диапазон ограничен минимальным размером шага выходного сигнала.

Скорость наклона

Скорость нарастания — это максимальная скорость изменения выходного сигнала, обычно измеряемая в вольтах в секунду (или микросекунду). Многие усилители в конечном итоге ограничиваются скоростью нарастания (как правило, из-за импеданса тока управления, необходимого для преодоления емкостных эффектов в какой-то точке схемы), что иногда ограничивает эффективную полосу пропускания мощности частотами, значительно ниже частотной характеристики усилителя в малом сигнале.

Время расчета и звонок

Время, необходимое для того, чтобы выходной сигнал стабилизировался в пределах определенного процента от конечного значения (например, 0,1%), называется временем установления и обычно указывается для вертикальных усилителей осциллографов и высокоточных измерительных систем. Колебания – это изменения выходного сигнала, которые циклически превышают и опускаются ниже конечного значения усилителя, что приводит к задержке в достижении стабильного выходного сигнала. Колебания являются результатом перерегулирования, вызванного недостаточной демпфированностью цепи.

Перевыполнение

В ответ на ступенчатый вход, превышение — это величина, на которую выход сигнала превышает его конечное установившееся значение.

Стабильность

Стабильность является проблемой для всех усилителей с обратной связью, будь то обратная связь добавлена намеренно или возникает непреднамеренно. Особенно это актуально при использовании нескольких каскадов усиления. Стабильность – важнейшая задача в усилителях радиочастотного и микроволнового диапазонов. Степень стабильности усилителя можно количественно оценить с помощью так называемого коэффициента стабильности. Существует несколько различных коэффициентов стабильности, таких как коэффициент стабильности Штерна и коэффициент стабильности Линвиля, которые задают условие, необходимое для абсолютной стабильности усилителя, выраженное через его двухпортовые параметры.