представлений о располагаемой мощности шумов не приводит к ошибкам при вычислениях, основанных на законах линейных цепей, и упрощает расчеты. Так, располагаемая мощность тепловых шумов составляет

= kToAf (10-17)

и не зависит от величины сопротивления Rr; отношение входных мощностей,сигнала и шума на входе усилителя равно отношению располагаемых мощностей сигнала/н шума источника

с.вх.рдсп

(108)

и не зависит от входного сопротивления усилителя (предполагается, что входное сопротивление в рассматриваемой полосе частот не создает эффектов избирательности).

Влияние собственных шумов усилителя удобно описывать коэффициентом шума Ш, который показывает, во сколько раз отношения мощностей сигнала и шума на выходе усилителя хуже этого же отношения на его входе, т. е.

гс.ЕХ.расп ш.вых

расп

kToAf

(10-19)

где Кррасп-коэффициент усиления по мощности усилителя, вычисленный относительно располагаемой мощности источника сигнала,

Рс.вых

расп

с.вх.расп

(эта функция передачи не зависит от реализации условий согласования на входе).

У идеального бесшумного усилителя, шумы на выходе появляются лишь вследствие усиления шума источника сигнала. При этом

Рш.вых = Кр.расп кТоА/

и согласно (10-19) Шид=Ь

Коэффициент шума выражают в относительных единицах, как он непосредственно вычисляется по формуле (10-19). или в децибелах (lOlglU).

Для усилителей напряжения часто применяют другой шумовой параметр - эквивалентное шумовое сопротивление Rm.s-Эта величина определяется через приведенное ко входу напряжение Um.s собственных шумов усилителя по формуле Найквиста:

ш,А!

(10-20)

Поскольку 7о=290°~300° К, формулы (10-15) и (10-20) приводятся к удобному для расчета виду:

U = -\-VRAf;

(10-I5a)

(10-20a)

где R - в килоомах, Af - в килогерцах, Um - в микровольтах.

Для усилителей тока удобно пользоваться представлением об эквивалентном токе шумящего насыщенного диода. Дробовой шум электронного потока в насыщенном вакуумном диоде выражается формулой Шоттки:

ll = 2qIAf. (10-21)

где д - заряд электрона, /о - величина тока насыщения. Таким образом, приведенный к входу шумовой ток Im.a усилителя может быть представлен при помощи эквивалентного тока насыщения диода как

2qAf

(10-22)

Эквивалентное шумовое сопротивление связано с эквивалентным током насыщенного диода, включенного на выходе лампы, простым соотношением

i?m.s = 20-, (10-23)

где S - крутизна усилительной лампы.

Динамический диапазон

Для достижения определенного качества усиленного сигнала приходится задавать, с одной стороны, минимально допустимое отношение сигнал/шум (или сигнал/фон), что ограничивает возможности уменьшения уровня усиливаемых сигналов, а с другой стороны - максимально допустимую нелинейность усилителя, что ограничивает наибольший уровень усиливаемых сигналов.

Отношение максимального сигнала к минимальному (в одной и той же точке усилителя, например на выходе) при определенных критериях качества усиления называется динамическим диапазоном усилителя.

Динамический диапазон D выражают в децибелах, причем

С = 20 Ig= 20 Ig-5к =

= 101g

(10-24)

где максимальное и минимальное значения напряжения, тока или мощности могут относиться к любой, но одной и той же точке усилителя.

приведенный к входу усилителя минимальный уровень усиливаемого сигнала при заданном отношении сигнал/шум на выходе называется реальной чувствительностью. Уровень входного сигнала, при котором достигается максимальный уровень выходного сигнала, ограничиваемого заданной нормой на коэффициент нелинейных искажений, иногда называют номинальной чувствительностью. В технике радиовещания и некоторых областях техники связи номинальным уровнем сигнала считается уровень, соответствующий 0,1 максимальной выходной мощности или, что практически то же самое, 0,3 максимального выходного напряжения.

Регулировки

Наиболее распространенной в усилителях регулировкой является регулировка коэффициента усиления. Основной характеристикой регулировки усиления является диапазон изменения коэффициента усиления. В усилителях низкой частоты радиовещательной аппаратуры регулятор усиления является регулятором громкости и часто сочетается с цепями тонкомпенсации, осуществляющими автоматическое изменение частотной характеристики усилителя в соответствии с кривыми равной слышимости уха человека

дб о

-3D -1D -50

№00 гц

Рис. 10-8. Частотные характеристики регулятора громкости с тоикомпеисацией.

(рис. 10-8). В широкополосных и видеоусилителях, напротив, недопустимы какие-либо изменения частотной характеристики при регулировании усиления, и это требование заставляет принимать серьезные меры против паразитных эффектов, сопровождающих регулировку усиления.

Регулирование частотной характеристики заключается в изменении полосы усиливаемых частот или формы частотной характеристики усилителя. .

При регулировании полосы усиливаемых частот могут раздельно изменяться нижняя и высшая граничные частоты (рис. 10-9, а, б) или обе частоты одновременно (рис. 10-9,6, г). Изменение полосы усиливаемых частот применяется для сохранения наибольшего объема полезной информации в присутствии помех.

Регулирование формы частотной характеристики является средством частотной коррекции информационного канала, позволяющим скомпенсировать частотные иска-

жения в других звеньях, когдах характеристики непостоянны, или ввести нредна-меренные частотные искажения, повышающие субъективное качество информации путем подчеркивания ее ценных компонент. Наиболее распространена регулировка формы частотной характеристики в усили-

!ЛГ\, f

\\\\

Рис. 10-9. Характеристики регуляторов полосы пропускания.

а, б - регулировка нижней и верхней граничных частот; в - регулировка ширины полосы усиливаемых частот; г - пересгройка полосы усиливаемых частот.

телях звуковоспроизводящих устройств, где она называется также регулировкой тембра и осуществляется обычно в виде двух независимых регулировок коэффициента усиления на нижних и верхних частотах (см. рис. 10-2, г).

Характеристиками регуляторов тембра являются пределы относительного изменения коэффициента усиления (диапазон регулировки, обычно выражаемый в децибелах) и граничные частоты регулировок, отделяющие участок полосы частот, в пределах которого действует регулировка. В радиовещательной аппаратуре обычно оба регулятора тембра (нижних и верхних частот) имеют одну общую граничную частоту - около 1 кгц, причем диапазон регулировки отсчитывается вверх (положительным числом децибел) и вниз (отрицательным числом децибел) от уровня частотной характеристики на этой частоте.

Регулирование динамического диапазона представляет собой изменение исходного соотношения между максимальным и минимальным уровнями усиливаемых сигналов. Такое регулирование в некоторых случаях осуществляется вручную (например, тонмейстером) при помощи регулировки усиления в целях согласования динамического диапазона- сигналов с динамическим диапазоном радиовещательного тракта.

Регуляторы, автоматически сужающие динамический диапазон, называются компрессорами, а регуляторы, автоматически расширяющие динамический диапазон усиливаемых сигналов, - экспандерами. Применение компрессора в начале канала связи с

высоким уровнем помех и экспандера на конце этого канала позволяет повысить отношение сигнал/помеха. Однако, являясь нелинейными системами, компрессор и экспандер увеличивают искажения усиливаемых сигналов и находят применение главным образом для передачи речевых сообщений в системах дальней связи при пониженных требованиях к качеству воспроизведения речи.

10-2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усиление одного каскада на лампе или транзисторе обычно не превышает 40 дб, а в широкополосных и видеоусилителях снижается до 10-20 дб. Зачастую тре-

Предварительный усилитель

Оконечный каскад

Выход -0

Предвари--* j- тельный. 1}илитель

Предшнечный каскаЗ

Оконечный каскад

Выход -0

Рис, 10-10. Структурные схемы усилителей, а - многокаскадный усилитель; б - усилитель с мощным оконечным каскадом; в - усилитель с выделенным предоконечным каскадом.

буется значительно большее усиление, что вынуждает прибегать к многокаскадным схемам усилителей (рис. 10-10, с), общее усиление которых равно произведению коэффициентов усиления всех каскадов:

Кобщ = К1К2Кв--- (10-25)

В случаях, когда выходная мощность усилителя превышает 5-10% мощности, расходуемой на питание последнего (выходного или оконечного) каскада, этот каскад называют мощным усилителем, а все предшествующие каскады, в которых мощность сигнала пренебрежимо мала по сравнению о мощностью, расходуемой на их питание, объединяют под общим названием предварительного усилителя (рис. 10-10,6).

Экономичность питания усилителя часто зависит в ofchobhom от экономичности мощного оконечного каскада, в связи с чем в этом каскаде широко применяются двухтактная схема и режим ламп с сеточными токами. При этом к предшествующему каскаду могут предъявляться специфические требования: либо он должен осуществлять переход от одиотактной схемы усиления к двухтактной, либо развивать значительную мощность, либо осуществлять требуемое соотношение между выходным сопротивле-

нием предварительного усилителя и нелинейным входным сопротивлением оконечного каскада. В этих случаях предпоследний каскад называют предоконечным или ведущим и рассматривают особо (рис. 10-10, е).

Регулировку усиления предпочтительно осуществлять иа входе усилителя, чтобы при появлении чрезмерно большого входного сигнала предотвратить перегрузку и нелинейные искажения уже в первом каскаде (рис. 10-11, а). Однако регулятор усиления может уменьшать отношение входного сигнала к собственным шумам усилителя; поэтому в высокочувствительных усилителях, работающих от источников весьма слабых сигналов (например, от микрофона или магнитофонной головки), целесообразно сначала поднять уровень сигнала до величины, при которой снижаются опасность наводок фона и влияние шумов, а лишь затем ставить регулятор усиления (после одного-двух каскадов, рис. 10-11,6). Цепи частотной коррекции, регуляторы тембра, переключатели полосы и автоматические регуляторы динамического диапазона обычно устанавливаются в предварительном усилителе (рис. 10-11,6) в тех местах, где сигнал уже значительно превышает уровень собственных шумов, но еще достаточно мал с точки зрения возможных нелннейностей (в ламповых усилителях при уровне сигнала в пределах 0,1-0,5 в, в транзисторных - до 10-50 мв).

Мощным средством достижения высоких качественных показателей усилительных устройств является отрицательная обратная связь. Ее широко применяют для снижения нелинейных искажений, стабилизации коэффициента усиления, расширения полосы усиливаемых частот, понижения выходного

0tl Вход

Выход

J Из

Рнс. 10-11. Структурные схемы усилителей с регулировками.

а - усилитель с регулятором громкости (/); б - усилитель воспроизведения магнитофона; I - регулятор громкости; 2 - корректирующая цепь; 3 - регуляторы тембра.

сопротивления и повышения входного сопротивления, снижения фона. Кроме того, регулирование глубины обратной связи позволяет осуществлять регулировку усиления, частотной характеристики и динамического диапазона, причем эти регулировки сопровождаются изменением других качественных показателей усилителя.