Основные параметры усилителя НЧ и их измерение

В описаниях усилителей НЧ, публикуемых в журнале Радио и другой радиотехнической литературе, принято указывать их номинальную мощность, коэффициент нелинейных искажений, чувствительность и частотную характеристику. По этим четырем основным параметрам уже можно судить о качестве усилителя и пригодности его для тех или иных целей.

Что же представляют собой эти параметры усилителя НЧ Номинальная выходная мощность (Р_ном) — это мощность, выраженная в ваттах или милливаттах, отдаваемая усилителем в нагрузку, при которой нелинейные искажения соответствуют указанным в описании. При дальнейшем увеличении мощности искажения значительно возрастают. Мощность, при которой искажения достигают 10%, принято считать максимальной (Р_макс).

Нелинейные искажения. В процессе усиления любого, даже чисто синусоидального сигнала из-за нелинейности характеристик транзисторов, электронных ламп, трансформаторов и ряда других элементов аппаратуры в усиленном сигнале появляются гармоники — колебания, частоты которых в 2, 3 и более раз выше основной частоты. Это и есть нелинейные или гармонические искажения, которые растут по мере увеличения мощности, отдаваемой усилителем нагрузке. Они оцениваются коэффициентом гармонических искажений.

Коэффициент гармонических искажений (К_г), измеряемый при синусоидальном входном сигнале постоянной частоты, выражают процентным отношением суммарного напряжения всех гармоник U_г к выходному напряжению U_вых

Допустимый К_г устанавливается соответствующими нормами (ГОСТ). Например, для усилителей НЧ радиоприемников, радиол, магнитол, электрофонов он может быть 5—7%, для бытовых магнитофонов — 5%. Чем выше класс радиоаппаратуры, тем меньше должен быть ее К_г.

Чувствительность. Под термином чувствительность принято понимать то напряжение НЧ сигнала в милливольтах, которое необходимо подать на вход усилителя, чтобы получить на нагрузке номинальную выходную мощность. Чувствительность большинства усилителей для воспроизведения грамзаписи равна 100— 200 мВ, а чувствительность усилителей записи бытовых магнитофонов, измеренная с микрофонного входа, составляет 1—2 мВ.

Частотная характеристика усилителя — это зависимость напряжения выходного сигнала от частоты при неизменном входном напряжении U_вх. По ряду причин усилители НЧ неодинаково усиливают сигналы разных частот. Обычно хуже всего усиливаются самые низшие (f_н) и самые высшие (f_в), поэтому частотные характеристики усилителей неравномерны и имеют спады или завалы по краям. Крайние частоты, на которых) наблюдается спад усиления на 30% (—ЗдБ), считают границами полосы усиливаемых частот, их указывают в паспортных данных усилителя. Частотная характеристика или полоса усиливаемых частот усилителей НЧ сетевых радиоприемников может быть от 100 до 10 000 Гц, а усилителей малогабаритных транзисторных приемников — от 200 до 3500 Гц, Чем выше класс усилителя, тем шире полоса усиливаемых частот.

Кроме этих параметров, существуют и некоторые другие, однако они второстепенные или вытекающие из основных.

Но вот радиолюбитель смонтировал, испытал и наладил усилитель. Как измерить его основные параметры, чтобы сравнить их с заданными?

Измерения параметров усилителей НЧ производят обычно с помощью специальной измерительной аппаратуры высокой точности. Однако в любительских условиях это можно сделать, пользуясь простыми измерительными приборами, например, описанными в нашем журнале в 1971 и 1972 гг. под рубрикой Лаборатория радиолюбителя. Потребуются генератор НЧ, транзисторный милливольтметр переменного тока и выпрямители для раздельного питания этих приборов. Проверяемый усилитель обычно имеет свой источник питания. Нужен еще эквивалент нагрузки R_э — проволочный резистор, сопротивление которого равно сопротивлению звуковой катушки громкоговорителя, используемого в усилителе, или специальное устройство, описанное в статье Универсальный эквивалент нагрузки, опубликованной в Радио № 12 за 1973 г.

В комплекте приборов Лаборатории радиолюбителя нет измерителя нелинейных искажений (ИНИ), поэтому измерения этого параметра усилителя придется вести по упрощенной методике, пользуясь дополнительно любым низкочастотным электронным осциллографом, например ЛО-70. В таком случае измерения начинают со снятия амплитудной характеристики усилителя — зависимости выходного напряжения U_вых усиливаемого сигнала от входного напряжения U_вх, измеренной на частоте 1000 Гц (1 кГц) при постоянной нагрузке R_н=R_э.

Итак, приступаем к снятию амплитудной характеристики усилителя. Схема соединения измерительных приборов с проверяемым усилителем изображена на рис. 1, а (цепи питания не показаны). Сигнал частотой 1000 Гц с выхода генератора НЧ (ГНЧ) подаем на вход усилителя НЧ (УНЧ) экранированным двухжильным кабелем. Оплетку кабеля и одну из его жил заземляем на входе усилителя. Милливольтметр подключаем к гнездам Контроль выхода генератора. Плавно увеличиваем амплитуду сигнала генератора до напряжения 0,3 В. При этом действительное напряжение сигнала на входе усилителя будет 30 мВ, так как он снимается с аттенюатора генератора, ослабляющего сигнал в 10 раз (1 : 10). Измерив входное напряжение U_вх, милливольтметр переключаем на предел измерения 10 В и измеряем выходное напряжение U_вых на эквиваленте нагрузки R_э (рис. 1, б). Предположим, напряжение U_вых равно 1,2 В. Составляем таблицу (табл. 1) и записываем в нее результаты измерений: U_вх=30 мВ, U_вых=1.2 В. Далее увеличиваем входное напряжение ступенями в 10 мВ, а результаты измерений записываем в таблицу. И так до тех пор, пока не нарушится пропорциональность прироста выходного напряжения U_вых. При этом на экране осциллографа должно наблюдаться заметное на глаз срезание верхушек синусоиды (рис. 1, в). Срезание происходит из-за симметричного ограничения амплитуды выходного сигнала и сопровождается ростом искажений примерно до 10%. Это означает достижение усилителем максимальной мощности (Р_макс). Затем немного уменьшаем U_вх до исчезновения искажений синусоиды (см. рис. 1, б) и считаем, что теперь усилитель отдает номинальную мощность Р_ном. Выходные напряжения, соответствующие Р_макс и Р_ном, например 4,1 и 3,6В в таблице выделяем.

Теперь, пользуясь данными табл. 1, строим, амплитудную характеристику усилителя (рис. 2). Для этого по горизонтальной оси вправо от нуля отмечаем входные напряжения U_вх в милливольтах, а по вертикальной оси вверх — выходные напряжения U_вых в вольтах. Все измеренные значения U_вых отмечаем на графике крестиками и через них проводим плавную линию. Эта линия до точки а прямолинейна, а затем заметно отклоняется вниз, что указывает на нарушение прямой зависимости U_вых/U_вх и резкое увеличение искажений.

Зная напряжение U_вых и сопротивление эквивалента нагрузки R_э, можно подсчитать выходную мощность Р_вых усилителя для различных напряжений U_вых.

Выходную мощность Р_вых подсчитывают по формуле, вытекающей из закона Ома:

Например, при Р_н = 6,5 Ом и Uвых=1,0 В

при U_вых, соответствующем 1,8 В, Рвых ≈ 0,5 Вт в т. д. На рис. 2 параллельно оси U_вых проведена вторая вертикальная ось, на которой отмечены расчетные выходные мощности Р_вых.

Перегиб амплитудной характеристики обычно соответствует номинальной мощности Р_ном усилителя, в нашем примере 2 Вт (максимальная мощность Р_макс ≈ 2,5 Вт). Если перегиб характеристики не явно выражен, его уточняют по осциллографу повторными измерениями. Затем берут среднюю арифметическую величину U_вых, при которой искажения синусоиды на экране осциллографа становятся неразличимыми на глаз.

Численное значение коэффициента гармонических искажений Кг можно измерить с помощью заграждающего фильтра, настроенного на основную, частоту 1 кГц. Фильтр включают между выходом усилителя НЧ и милливольтметром (рис. 3). Сначала измеряют U_вых при первом положении переключателя В. Предположим, что оно равно 3,6 В (3600 мВ). Затем, установив переключатель во второе положение, чтобы включить фильтр, измеряют напряжение гармоник U_г. Допустим, оно равно 72 мВ. После этого подсчитывают коэффициент гармоник по ранее приведенной формуле:

Теперь, пользуясь амплитудной характеристикой, определяем чувствительность усилителя. Так как U_вх при Р_ном равно 90 мВ, следовательно, номинальная чувствительность усилителя также равна 90 мВ,

Частотную характеристику, усилителя измеряют при выходной мощности, значительно меньшей номинальной, что устраняет какие-либо перегрузки усилителя. Частотные характеристики усилителей промышленных приемников, например, измеряют при выходной мощности 50 и даже 5 мВт.

Если усилитель сравнительно простой и не имеет каких-либо регуляторов тембра, то регулятор громкости ставят на максимум и во время снятия частотной характеристики его положение не изменяют. При наличии тонкомпенсированного регулятора громкости частотную характеристику снимают при максимальной, минимальной и нескольких, по желанию конструктора, промежуточных положениях регулятора громкости.

Схема соединения приборов с усилителем для измерения частотной характеристики остается прежней (см. рис. 1). Исходная частота входного сигнала та же — 1000 Гц. Ручкой Амплитуда генератора устанавливаем напряжение U_вх, равное 20 мВ, которое в дальнейшем поддерживаем постоянным на всех частотах (это напряжение, которое почти в пять раз меньше номинальной чувствительности усилителя, выбрано для удобства отсчета результатов измерений по шкале стрелочного прибора авометра). Затем, переключив вольтметр на выход усилителя, измеряем напряжение на эквиваленте нагрузки R_э. Результаты измерений записываем в табл. 2 в две строки: в первой — частоты f входного сигнала, во второй— выходные напряжения U_вых. В заголовке таблицы пишем название усилителя, сопротивление эквивалента нагрузки R_э, входное напряжение U_вх, при котором производим измерения (в данном примере 20 мВ).

Записав результаты измерений на частоте 1000 Гц, переключаем генератор НЧ на частоту пустим, оно равно 72 мВ. После этого подсчитывают коэффициент гармоник по ранее приведенной формуле:

Теперь, пользуясь амплитудной характеристикой, определяем чувствительность усилителя. Так как U_вх при Р_ном равно 90 мВ, следовательно, номинальная чувствительность усилителя также равна 90 мВ.

Частотную характеристику, усилителя измеряют при выходной мощности, значительно меньшей номинальной, что устраняет какие-либо перегрузки усилителя. Частотные характеристики усилителей промышленных приемников, например, измеряют при выходной мощности 50 и даже 5 мВт.

Если усилитель сравнительно простой и не имеет каких-либо регуляторов тембра, то регулятор громкости ставят на максимум и во время снятия частотной характеристики его положение не изменяют. При наличии тонкомпенсированного регулятора громкости частотную характеристику снимают при максимальной, минимальной и нескольких, по желанию конструктора, промежуточных положениях регулятора громкости.

Схема соединения приборов с усилителем для измерения частотной характеристики остается прежней (см. рис. 1). Исходная частота входного сигнала та же — 1000 Гц. Ручкой Амплитуда генератора устанавливаем напряжение U_вх, равное 20 мВ, которое в дальнейшем поддерживаем постоянным на всех частотах (это напряжение, которое почти в пять раз меньше номинальной чувствительности усилителя, выбрано для удобства отсчета результатов измерений по шкале стрелочного прибора авометра). Затем, переключив вольтметр на выход усилителя, измеряем напряжение на эквиваленте нагрузки R_э. Результаты измерений записываем в табл. 2 в две строки: в первой — частоты f входного сигнала, во второй — выходные напряжения U_вых. В заголовке таблицы пишем название усилителя, сопротивление эквивалента нагрузки R_э, входное напряжение U_вх, при котором производим измерения (в данном примере 20 мВ).

Записав результаты измерений на частоте 1000 Гц, переключаем генератор НЧ на частоту 500 Гц. Проверяем вольтметром входное напряжение 20 мВ, затем возможно точнее измеряем выходное напряжение усилителя на эквиваленте нагрузки R_э. Далее точно также производим измерения на частотах 250, 150, 100, 75, 50 Гц и записываем результаты измерений в таблицу (любительские усилители на частоте 25 Гц обычно не проверяют). После этого проводим повторное контрольное измерение на частоте 1000 Гц для проверки стабильности работы усилителя и измерительных приборов.

Затем измерения производим на повышенных частотах. После контрольной частоты 1000 Гц на вход усилителя подаем сигналы с частотами 2,5; 5; 7,5; 10; 15 кГц (измерения на частоте 20 кГц производят лишь при проверке усилителей высшего класса). Результаты измерений записываем в таблицу и по ним производим подсчет отношений выходных напряжений U_вх к напряжению контрольной частоты U1000. Полученные отношения записываем в соответствующей строке таблицы.

Например. На частотах 50 Гц и 15 кГц выходное напряжение U_вых = 300 мВ. Следовательно, отношения

На частотах 100 Гц и 10 кГц имеем отношения

а на частотах 150 Гц и 7,5 кГц

Далее, пользуясь вспомогательной табл. 3, эти соотношения напряжений пересчитываем в децибелы и вписываем в нижнюю строку табл. 2.

Теперь, имея все предварительные данные, приступаем к вычерчиванию частотной характеристики усилителя (рис. 4). Обычно для этой цели применяют специальную логарифмическую бумагу (слуховое восприятие звуков различной частоты и громкости подчиняется логарифмическому закону). Однако для построения частотной характеристики можно воспользоваться любой бумагой в клеточку или бумагой-миллиметровкой. Ее размечают так, как показано на рис. 4. Сначала по горизонтальной оси ординат наносим значения частот. На рис. 4 верхний ряд цифр соответствует фиксированным частотам генератора НЧ Лаборатории радиолюбителя. Нижний ряд цифр, выделенный цветом, соответствует частотам, рекомендуемым ГОСТ при снятии характеристик с помощью промышленной измерительной аппаратуры.

Затем по вертикальной оси, предварительно сделав на ней 8—10 равноотстоящих друг от друга отметок, — отношения U_f/U₁₀₀₀ в децибелах. Так как измеренный нами спад или завал частотной характеристики не превышает 6 дБ, то нулевую линию проводим на уровне 6-й отметки и слева ставим цифры 0, —1, —2... —6 дБ. Проводим также линию контрольной частоты 1000 Гц. Далее, пользуясь данными табл. 2, последовательно ставим отметки на измерительных частотах от 50 Гц до 15 кГц. Так как характеристика имеет по краям спады, то отметки в децибелах откладываем вниз от нулевой линии. Например, на частоте 50 Гц был спад в 6 дБ, следовательно, отметку ставим на уровне — 6 дБ. Для частоты 75 Гц отметку располагаем на уровне — 3 дБ и т. д. Плавная линия, проведенная через эти отметки, и будет частотной характеристикой. Горизонтальная линия на уровне —3 дБ, соответствующая общепринятому допуску на неравномерность частотной характеристики, пересекает эту характеристику на частотах 75 Гц и примерно 12 кГц. Следовательно, полоса усиливаемых частот, или полоса пропускания проверяемого усилителя, равна 75—12 000 Гц при неравномерности в 3 дБ.

Высококачественные усилители НЧ, кроме регуляторов громкости, имеют обычно два раздельных регулятора тембра — по низшим и высшим частотам. Частотные характеристики таких усилителей снимают не менее трех раз. Сначала оба регулятора тембра устанавливают в положения, соответствующие наибольшему завалу крайних низших и высших частот. Полученная характеристика Может иметь вид кривой, обозначенной на рис. 5 цифрой 1. Затем ручки обоих регуляторов тембра поворачивают в другое крайнее положение, соответствующее максимальному подъему низших и высших частот, а измерения производят при входном напряжении, которое в десять раз (на 20 дБ) меньше номинального. Эта характеристика может иметь вид кривой 2 (рис. 5).

После этого ручки обоих регуляторов устанавливают в средние положения и производят третье измерение. Если полученная характеристика соответствует или близка к кривой 3, то на этом измерения заканчивают. Если же она значительно отличается от этой кривой, тогда путем проб находят такие положения ручек регуляторов, при котором характеристика получается наиболее прямолинейной, и на ручках регуляторов делают соответствующие отметки.

Из графика рис. о ясно видно, что для усилителя НЧ, имеющего такие характеристики, предел регулировки тембра на низшей частоте 63 Гц (по ГОСТ) составляет +6 и —6 дБ, а на высшей, равной 12 кГц,— примерно от +5 до —10 дБ.