Skip to content
АЦУ · Тема 1 · Усилвателят

Усилвателят – какво мерим у него

Микрофонът дава само няколко миливолта. В цялата глава ги усилваме с един-единствен транзистор – стъпало „общ емитер“ – и пускаме през него думата „Здравей“. Тук гледаме стъпалото отвън, като черна кутия, и мерим това, което се пише в каталога на всеки усилвател – усилване, съпротивления, лента и изкривявания.

≈ 5 мин четене∿ 5 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

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.

Предусилвателят
+Ucc 12 V∿микрофонRи 600 ΩCвх 10 μFRБ1 47 kΩRБ2 10 kΩRК 4,7 kΩCизх 10 μFRт 100 kΩвходизходRЕ 1 kΩCЕ 100 μF
Входът, mV
22,533,544,550t – време, msu, mV
вход
Изходът, V
22,533,544,55−505t – време, msu, V
изход
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след стъпалото
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 1.

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.

Делители на входа и на изхода
+Ucc 12 V∿микрофонRи 10 kΩCвх 10 μFRБ1 47 kΩRБ2 10 kΩRК 4,7 kΩCизх 10 μFRт 10 kΩвходизходRЕ 1 kΩCЕ 100 μF
Входът, mV
22,533,544,55−101t – време, msu, mV
микрофонът дава до стъпалото стига
Изходът, V
22,533,544,550t – време, msu, V
на товара
Фигура 2.

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.

Честотната лента
1101001 k10 k100 k1 M10 M02040f – честота, Hz (логаритмична скала)K, dBfнfв
K(f) на стъпалото
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след стъпалото
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 3.

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 %.

Хармоници
22,533,544,55−505t – време, msu, V
изход
Спектър на изхода · клирфактор kh = 13 %
f2f3f4f5f6f7f8f9f10f024хармоник (честота на изхода)U, V
амплитуда на хармониците
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след стъпалото
0200400600800100012000t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 4.

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.

Амплитудната характеристика
Изходът срещу входа
0,010,1110100−20Uвх, mV (логаритмична скала)lg Uизх (V)
изходът (основната честота) идеален усилвател K·Uвх шумът на изхода
Фигура 5.

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 ​

ПризнакВидове
сигналнепрекъснат (аналогов) или импулсен
постоянна съставкапостояннотокови (усилват и 0 Hz) и променливотокови
съпротивленияна напрежение, на ток, на мощност
активни елементибиполярни, 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.