Показатели качества усилителя

В электронике показатели качества усилителя являются числовыми мерами, которые характеризуют его свойства и производительность. Показатели качества могут быть даны в виде списка спецификаций , которые включают такие свойства, как усиление , полоса пропускания , шум и линейность , среди прочих, перечисленных в этой статье. Показатели качества важны для определения пригодности конкретного усилителя для предполагаемого использования.

Коэффициент усиления усилителя — это отношение выходной мощности к входной или амплитуде, и обычно измеряется в децибелах . При измерении в децибелах он логарифмически связан с отношением мощности: G (дБ)=10 log( P _out / P _in ). Усилители ВЧ часто указываются в терминах максимально достижимого коэффициента усиления мощности , в то время как коэффициент усиления по напряжению аудиоусилителей и инструментальных усилителей будет указываться чаще. Например, аудиоусилитель с коэффициентом усиления 20 дБ будет иметь коэффициент усиления по напряжению, равный десяти.

Использование коэффициента усиления по напряжению целесообразно, когда входное сопротивление усилителя намного выше сопротивления источника, а сопротивление нагрузки выше выходного сопротивления усилителя.

Если сравнивать два эквивалентных усилителя, то усилитель с более высокими настройками усиления будет более чувствительным, поскольку для получения заданного количества мощности ему потребуется меньший входной сигнал. ^{[1] [ ненадежный источник? ]}

Полоса пропускания усилителя — это диапазон частот, для которых усилитель обеспечивает «удовлетворительную производительность». Определение «удовлетворительной производительности» может быть разным для разных приложений. Однако общепринятой и общепринятой метрикой являются точки половинной мощности (т. е. частота, на которой мощность падает на половину своего пикового значения) на кривой выходной мощности от частоты. Таким образом, полосу пропускания можно определить как разницу между нижней и верхней точками половинной мощности. Поэтому это также известно как полоса пропускания -3 дБ . Иногда указываются полосы пропускания (иначе называемые «частотными характеристиками») для других допусков отклика ( -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 по существу плоским 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 эти пределы (на одну или несколько октав в каждую сторону) и может иметь точки −3 дБ < 10 Гц и > 65 кГц . Профессиональные гастрольные 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 тратиться впустую на инфразвуковые и ультразвуковые частоты, и опасность помех AM -радио увеличится. Современные импульсные усилители нуждаются в крутой 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 — это мера того, какая часть источника питания с пользой применяется к выходу усилителя. Усилители класса A очень неэффективны, в диапазоне 10–20% с максимальной эффективностью 25% для прямого соединения выхода. Индуктивная связь выхода может повысить их эффективность до максимум 50%.

Эффективность стока — это отношение выходной мощности ВЧ к входной мощности постоянного тока, когда первичная входная мощность постоянного тока подана на сток полевого транзистора . Исходя из этого определения, эффективность стока не может превышать 25% для усилителя класса A, который питается током смещения стока через резисторы (потому что нулевой уровень ВЧ-сигнала составляет около 50% от входного постоянного тока). Производители указывают гораздо более высокую эффективность стока, и проектировщики могут получить более высокую эффективность, подавая ток на сток транзистора через индуктор или обмотку трансформатора. В этом случае нулевой уровень ВЧ находится вблизи шины постоянного тока и будет колебаться как выше, так и ниже шины во время работы. Пока уровень напряжения выше шины постоянного тока, ток подается индуктором.

Усилители класса B имеют очень высокую эффективность, но непрактичны для аудиоработы из-за высокого уровня искажений (см.: Кроссоверные искажения ). В практическом проектировании результатом компромисса является проектирование 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 усилители переключения класса D показали эффективность до 90%. Усилители класса CF обычно известны как очень высокоэффективные усилители. RCA изготовила AM-передатчик, использующий один триод класса C с низким коэффициентом усиления и эффективностью ВЧ в диапазоне 90%.

Более эффективные усилители работают более прохладно и часто не нуждаются в охлаждающих вентиляторах даже в многокиловаттных конструкциях. Причина этого в том, что потеря эффективности производит тепло как побочный продукт энергии, потерянной во время преобразования мощности. В более эффективных усилителях меньше потери энергии, а значит, меньше тепла.

В линейных усилителях мощности ВЧ, таких как базовые станции сотовой связи и вещательные передатчики, для повышения эффективности могут использоваться специальные методы проектирования. Конструкции Доэрти, которые используют второй выходной каскад в качестве «пикового» усилителя, могут поднять эффективность с типичных 15% до 30-35% в узкой полосе пропускания. Конструкции с отслеживанием огибающей способны достигать эффективности до 60% за счет модуляции напряжения питания усилителя в соответствии с огибающей сигнала.

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

При увеличении сигнала, подаваемого на усилитель, выходной сигнал также увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка, при которой некоторая часть усилителя насыщается и не может больше выдавать выходной сигнал; это называется ограничением и приводит к искажению .

В большинстве усилителей уменьшение усиления происходит до того, как происходит жесткое ограничение; результатом является эффект компрессии , который (если усилитель является аудиоусилителем) звучит гораздо менее неприятно для уха. Для этих усилителей точка компрессии 1 дБ определяется как входная мощность (или выходная мощность), где усиление на 1 дБ меньше, чем усиление малого сигнала. Иногда эта нелинейность намеренно встраивается, чтобы уменьшить слышимую неприятность жесткого ограничения при перегрузке.

Негативные последствия нелинейности можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи.

Линеаризация — это новая область, и существует множество методов, таких как упреждение , предыскажение , постискажение, позволяющих избежать нежелательных эффектов нелинейности.

Это мера того, сколько шума вносится в процесс усиления. Шум является нежелательным, но неизбежным продуктом электронных устройств и компонентов; также много шума возникает из-за преднамеренной экономии времени производства и проектирования. Метрикой шумовой производительности схемы является коэффициент шума или шумовой фактор. Коэффициент шума представляет собой сравнение между отношением выходного сигнала к шуму и тепловым шумом входного сигнала.

Выходной динамический диапазон — это диапазон, обычно указываемый в дБ, между наименьшим и наибольшим полезными выходными уровнями. Наименьший полезный уровень ограничен выходным шумом , в то время как наибольший чаще всего ограничен искажением. Отношение этих двух уровней указывается как динамический диапазон усилителя. Точнее, если S = ​​максимально допустимая мощность сигнала, а N = мощность шума, динамический диапазон DR равен DR = (S + N ) /N . ^[3]

Во многих усилителях с импульсным режимом динамический диапазон ограничен минимальным размером выходного шага.

Скорость нарастания выходного сигнала — это максимальная скорость изменения выходного сигнала, обычно указываемая в вольтах в секунду (или микросекундах). Многие усилители в конечном итоге ограничены скоростью нарастания выходного сигнала (обычно импедансом тока возбуждения, который должен преодолевать емкостные эффекты в некоторой точке цепи), что иногда ограничивает полную полосу пропускания мощности частотами, значительно ниже частотной характеристики усилителя для слабого сигнала.

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 с гауссовым откликом (или простого RC- спада ) время нарастания аппроксимируется следующим образом:

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

Время, необходимое для установления выходного сигнала в пределах определенного процента от конечного значения (например, 0,1%), называется временем установления и обычно указывается для вертикальных усилителей осциллографа и высокоточных измерительных систем. Звон относится к изменению выходного сигнала, которое циклически превышает и ниже конечного значения усилителя и приводит к задержке в достижении стабильного выходного сигнала. Звон является результатом выброса, вызванного недостаточно затухающим контуром.

В ответ на ступенчатый входной сигнал выброс — это величина, на которую выходной сигнал превышает свое конечное, установившееся значение.

Стабильность является проблемой всех усилителей с обратной связью, независимо от того, добавляется ли эта обратная связь намеренно или возникает непреднамеренно. Это особенно проблема, когда применяется к нескольким каскадам усиления.

Стабильность является основной проблемой в усилителях ВЧ и СВЧ . Степень стабильности усилителя можно количественно оценить с помощью так называемого фактора 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 .

• Измерения аудиосистемы
• Малошумящий усилитель

• Эффективность микроволновых устройств
• Тестирование усилителя мощности ВЧ