Достоинства усилителя - Amplifier figures of merit
В электронике , в добротности в качестве усилителя численные меры, характеризующие его свойства и характеристики. Показатели качества могут быть представлены в виде списка спецификаций, который включает такие свойства, как усиление , полоса пропускания , шум и линейность , среди других, перечисленных в этой статье. Показатели качества важны для определения пригодности конкретного усилителя для предполагаемого использования.
Прирост
Коэффициент усиления усилителя - это отношение выходной мощности к входной мощности или амплитуде, которое обычно измеряется в децибелах . При измерении в децибелах это логарифмически связано с отношением мощностей: G (дБ) = 10 log ( P out / P in ). Радиочастотные усилители часто указываются в терминах максимально достижимого коэффициента усиления мощности , тогда как усиление по напряжению звуковых усилителей и инструментальных усилителей будет чаще указываться. Например, аудиоусилитель с коэффициентом усиления 20 дБ будет иметь коэффициент усиления по напряжению, равный десяти.
Использование коэффициента усиления по напряжению уместно, когда входное сопротивление усилителя намного выше, чем полное сопротивление источника, а полное сопротивление нагрузки выше, чем выходное сопротивление усилителя.
Если сравниваются два эквивалентных усилителя, усилитель с более высокими настройками усиления будет более чувствительным, поскольку для получения заданной мощности потребуется меньше входного сигнала.
Пропускная способность
Полоса пропускания усилителя - это диапазон частот, для которого усилитель дает «удовлетворительные характеристики». Определение «удовлетворительная производительность» может быть разным для разных приложений. Однако общепринятой и общепринятой метрикой являются точки половинной мощности (т. Е. Частота, при которой мощность снижается на половину своего пикового значения) на кривой зависимости выхода от частоты. Следовательно, полосу пропускания можно определить как разницу между нижней и верхней точками половинной мощности. Поэтому это также известно как ширина полосы по уровню –3 дБ . Полосы пропускания (иначе называемые «частотными характеристиками») для других допусков отклика иногда указываются ( -1 дБ , -6 дБ и т. Д.) Или «плюс или минус 1 дБ» (примерно разница в уровнях звука, которую люди обычно могут обнаружить).
Коэффициент усиления качественного полнодиапазонного аудиоусилителя 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 (одна или несколько октав с каждой стороны) и может иметь точки –3 дБ <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 была бы потрачена на инфразвуковые и ультразвуковые частоты, и опасность радиопомех AM увеличилась. Современные импульсные усилители нуждаются в крутой фильтрации нижних частот на выходе, чтобы избавиться от высокочастотных коммутационных шумов и гармоник .
Диапазон частот, в котором усиление равно или превышает 70,7% от его максимального усиления, называется полосой пропускания.
Эффективность
Эффективность - это мера того, какая часть источника питания полезна для выхода усилителя. Усилители класса A очень неэффективны, в диапазоне 10–20% с максимальной эффективностью 25% для прямого подключения 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 . Исходя из этого определения, эффективность стока не может превышать 25% для усилителя класса A, на который подается ток смещения стока через резисторы (поскольку нулевой уровень радиочастотного сигнала равен примерно 50% входного постоянного тока). Производители устанавливают гораздо более высокий КПД стока, а разработчики могут получить более высокий КПД, подав ток на сток транзистора через катушку индуктивности или обмотку трансформатора. В этом случае нулевой уровень RF находится рядом с шиной постоянного тока и будет колебаться как выше, так и ниже шины во время работы. Когда уровень напряжения выше, ток шины постоянного тока подается индуктором.
Усилители класса B имеют очень высокий КПД, но непрактичны для работы со звуком из-за высокого уровня искажений (см .: Кроссоверные искажения ). На практике результатом компромисса является дизайн класса AB. Современные усилители класса AB обычно имеют пиковый КПД от 30 до 55% в аудиосистемах и 50-70% в радиочастотных системах с теоретическим максимумом 78,5%.
Коммерчески доступные коммутирующие усилители класса D показали КПД до 90%. Усилители класса CF обычно известны как усилители с очень высоким КПД. RCA изготовила передатчик AM-вещания, в котором используется один триод класса C с низким уровнем шума и КПД в диапазоне 90%.
Более эффективные усилители имеют более низкую температуру и часто не нуждаются в охлаждающих вентиляторах даже в многокиловаттных конструкциях. Причина этого заключается в том, что потеря эффективности производит тепло как побочный продукт энергии, потерянной во время преобразования энергии. В более эффективных усилителях меньше потери энергии и, в свою очередь, меньше тепла.
В линейных РЧ усилителях мощности, таких как базовые станции сотовой связи и широковещательные передатчики, можно использовать специальные методы проектирования для повышения эффективности. Конструкции Догерти, в которых второй выходной каскад используется в качестве «пикового» усилителя, могут повысить КПД с типичных 15% до 30-35% в узкой полосе пропускания. Конструкции с отслеживанием огибающей могут достигать 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 усилителя увеличивается, выходная мощность также увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой какая-то часть усилителя станет насыщенной и не сможет производить больше выходной мощности; это называется клиппингом и приводит к искажению .
В большинстве усилителей уменьшение усиления происходит до того, как произойдет резкое 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), где усиление на 1 дБ меньше, чем усиление слабого сигнала. Иногда эта нелинейность преднамеренно разработана, чтобы уменьшить неприятный слух при резком клиппировании при перегрузке.
Плохие эффекты нелинейности можно уменьшить с помощью отрицательной обратной связи.
Линеаризация - это новая область, и существует множество методов, таких как прямая связь , предыскажение , постдисторсия, чтобы избежать нежелательных эффектов нелинейностей.
Шум
Это мера того, сколько шума вносится в процесс усиления. Шум - нежелательный, но неизбежный продукт электронных устройств и компонентов; кроме того, значительный шум возникает из-за преднамеренной экономии времени на изготовление и разработку. 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
Выходной динамический диапазон - это диапазон, обычно указываемый в дБ, между наименьшим и наибольшим полезным выходным уровнем. Самый низкий полезный уровень ограничен выходным шумом , а самый высокий чаще всего ограничен искажениями. Отношение этих двух параметров обозначается как динамический диапазон усилителя. Точнее, если S = максимальный допустимая мощность сигнала и N = мощность шума, динамический диапазон DR является DR = (S + N) / N .
Во многих усилителях с переключаемым режимом 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 микросекунду). Многие усилители в конечном итоге ограничены скоростью нарастания (обычно импедансом управляющего тока, который должен преодолевать емкостные эффекты в некоторой точке цепи), что иногда ограничивает полосу пропускания полной мощности частотами, значительно ниже частотной характеристики слабого сигнала усилителя.
Время нарастания
Время нарастания , t r , усилителя - это время, за которое выходной сигнал изменится с 10% до 90% от его конечного уровня под действием ступенчатого входа . Для гауссовой системы отклика (или простого RC спада ) время нарастания аппроксимируется следующим образом:
t r * BW = 0,35 , где t r - время нарастания в секундах, а BW - полоса пропускания в Гц .
Время установления и звонок
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 осциллографов и систем измерения высокой точности. Звонок относится к колебаниям выходного сигнала, которые циклически выше и ниже конечного значения усилителя и приводят к задержке в достижении стабильного выхода. Звон - это результат перерегулирования, вызванного контуром с недостаточным демпфированием .
Перескок
В ответ на ступенчатый вход перерегулирование - это величина, на которую выходной сигнал превышает свое окончательное установившееся значение.
Стабильность
Стабильность - это проблема всех усилителей с обратной связью, независимо от того, добавляется ли эта обратная связь намеренно или непреднамеренно. Это особенно актуально при использовании нескольких каскадов усиления.
Стабильность - главная проблема усилителей ВЧ и СВЧ . Степень стабильности усилителя может быть определена количественно с помощью так называемого фактора стабильности. Существует несколько различных факторов стабильности, таких как фактор стабильности Штерна и фактор стабильности Линвила, которые определяют условие, которое должно выполняться для абсолютной стабильности усилителя с точки зрения его двухпортовых параметров .