Усилване и децибели
Усилвателят е като кран за вода: малко завъртане (слабият сигнал) управлява голям поток (енергията от захранването). Нищо не се „създава“ – стъпалото взима от батерията 12 V и я подава на изхода във формата на входа.
Нашият предусилвател е един транзистор (как точно работи – в темите 2 и 3). Тук го гледаме отвън. Гласът на входа е синус 1 kHz с амплитуда 5 mV; на изхода излиза 225 пъти повече, т.е. 47 dB. Изходът е обърнат – когато входът расте, изходът пада.
Входът, mV
вход
Изходът, V
изход
Входът: звукът, както е записан
входът x(n)
Изходът: звукът след стъпалото
изходът y(n)
Горе входът в миливолтове, долу изходът във волтове – вече стотици пъти по-голям и обърнат. Пусни думата: тя е със същия връх като синуса. Над ~10 mV забележи, че долните върхове на изхода стават по-големи от горните – транзисторът вече изкривява (подробно – по-долу).
Входно и изходно съпротивление
Усилвателят е четириполюсник: два извода вход, два изход. Отвън се вижда като съпротивление Rвх за източника и като източник с вътрешно съпротивление Rизх за товара. И на двете места се получава делител.
Микрофонът има вътрешно съпротивление 10 kΩ: до стъпалото стигат 21,1 % от гласа – значи Rвх ≈ 2,68 kΩ. На изхода е товар 10 kΩ (следващото стъпало, слушалката): остават 69,3 % от напрежението без товар – значи Rизх ≈ 4,42 kΩ.
Входът, mV
микрофонът дава до стъпалото стига
Изходът, V
на товара
С Rи = 10 kΩ до транзистора стига само около една пета от гласа – нашето стъпало има Rвх около 2,7 kΩ. С товар 1 kΩ от изхода остава по-малко от една пета (Rизх ≈ 4,4 kΩ). Затова пред и след такова стъпало слагат повторител (тема 3).
АЧХ и честотна лента
Усилването не е еднакво за всички честоти. Амплитудно-честотната характеристика (АЧХ) показва K(f). Лентата е между fн и fв, където K пада с 3 dB (до 70 %).
Отдолу лентата я реже кондензаторът 100 μF, който шунтира емитерния резистор: при ниски честоти той вече не е „късо“ и усилването пада. Отгоре я реже малкият паразитен капацитет база–колектор 10 pF: стъпалото го „вижда“ K пъти по-голям (ефект на Милер). С микрофон 10 kΩ сега K₀ = 33,5 dB, fн = 39,3 Hz, fв = 33,2 kHz.
K(f) на стъпалото
Входът: звукът, както е записан
входът x(n)
Изходът: звукът след стъпалото
изходът y(n)
Дръпни CЕ до 1 μF: fн се качва до ~3,5 kHz и думата става „тенекиена“ – без баси. Дръпни Cбк до 200 pF: fв пада до ~1,7 kHz и думата е „през възглавница“. Изходът тук е в свой мащаб, за да се сравнява само тембърът.
Нелинейни изкривявания
Транзисторът не е идеален: колекторният ток расте експоненциално с напрежението на базата. Затова и при среден сигнал изходът се изкривява – горните и долните полувълни стават различни. При голям сигнал се реже: отдолу транзисторът насища, отгоре се запушва. Изкривената вълна вече съдържа нови честоти – 2f, 3f… (хармоници). Колко са, казва клирфакторът.
Тук входът е 30 mV: kh = 12,7 %.
изход
Спектър на изхода · клирфактор kh = 13 %
амплитуда на хармониците
Входът: звукът, както е записан
входът x(n)
Изходът: звукът след стъпалото
изходът y(n)
При 1 mV има само първото стебло. Около 10 mV се появява втората хармоника (2 kHz) – полувълните вече са различни. При 50–100 mV изходът е отрязан и има и 3-та, 4-та… Пусни думата: при 100 mV хрипти.
Динамичен обхват
Отдолу всеки усилвател има собствен шум – да кажем 5 mV на изхода. По-тих сигнал от него се губи. Отгоре е насищането. Между двете е динамичният обхват. Ако горната граница е там, където kh стига 10 %, тук Uвх.мин ≈ 27 μV, Uвх.макс ≈ 16 mV и D ≈ 55,6 dB.
Изходът срещу входа
изходът (основната честота) идеален усилвател K·Uвх шумът на изхода
Двете оси са логаритмични. Докато зелената линия върви по пунктира, стъпалото е линейно. Под червената линия сигналът се губи в шума; горе зелената се „огъва“ – насищане.
Класификация и параметри
| Признак | Видове |
|---|---|
| сигнал | непрекъснат (аналогов) или импулсен |
| постоянна съставка | постояннотокови (усилват и 0 Hz) и променливотокови |
| съпротивления | на напрежение, на ток, на мощност |
| активни елементи | биполярни, полеви, MOS транзистори, лампи |
Каталожните параметри: K, Rвх, Rизх, АЧХ и лента, клирфактор, номинална изходна мощност, собствен шум, динамичен обхват, КПД, чувствителност.
Самопроверка
1. Три стъпала с 20, 20 и 6 dB. Колко е общото усилване?
46 dB ≈ 200 пъти по напрежение (×10 · ×10 · ×2).
2. Uвх.макс = 1 V, Uвх.мин = 1 mV. Колко е динамичният обхват?
D = 1000 = 60 dB.
3. Защо при ниски честоти усилването на стъпалото ОЕ пада?
Разделителните кондензатори и емитерният CЕ имат голямо съпротивление 1/(2πfC) – вече не са „късо“ за сигнала.
4. Какво е клирфактор?
kh = √(U₂² + U₃² + …)/U₁ – колко са новите честоти (хармоници) спрямо основната.