§ 2. Основные показатели УРУ гармонических сигналов

Рабочий диапазон частот УРУ задается обычно нижней (f_н) и верхней (f_в) частотой. Однако он может быть задан также шириной полосы частот Δf и коэффициентом перекрытия диапазона К_д, причем

В случае УРУ нижних частот f_н = 0 и усилитель строится на основе фильтров нижних частот. Если же f_н ≠ 0, причем К_д < 2 ÷ 3, то в УРУ используются полосовые фильтры. Если К_д > 3, то применение полосовых фильтров обычно оказывается нецелесообразным и УРУ строится на основе более простых фильтров нижних частот. При этом ширина полосы частот усилителя оказывается несколько шире заданной. Однако это расширение полосы практически не сказывается на других показателях УРУ, в то время как схема и конструкций усилителя существенно упрощаются.

Коэффициент усиления УРУ представляет собой отношение выходной величины (напряжения, тока или мощности) к соответствующей входной величине.

Для усилителей мощности главное значение имеет коэффициент усиления мощности

где P_н - мощность, выделяемая в полезной нагрузке; Р_вх - мощность, потребляемая входной цепью УРУ. В отличие от других типов усилителей введение Кр для УРУ имеет смысл даже в том случае, когда входные цепи усилительных приборов не потребляют мощности. Это обусловлено наличием согласующего сопротивления во входной линии, которое потребляет мощность входного сигнала.

Нелинейные искажения сигнала в УРУ обусловлены нелинейностью характеристик усилительных приборов. Наличие этих искажений расширяет спектр сигнала.

Количественно нелинейные искажения могут оцениваться различными показателями. Один из таких показателей может быть введен для случая гармонического входного сигнала частоты f. Выходной сигнал УРУ будет содержать наряду с составляющей основной частоты f высшие гармонические с частотами 2f, 3f, 4f и т. д. Для усилителей мощности гармонических сигналов за меру нелинейных искажений удобно принимать частные коэффициенты нелинейных искажений K_fi для каждой гармонической составляющей:

или в децибелах

где U_н1, Р_н1 - напряжения и мощность составляющей основной частоты на нагрузке; U_нi, P_нi - напряжение и мощность i-й гармонической составляющей частоты if.

В усилителях, предназначенных для устройств однополосной связи [8 и 53], коэффициенты нелинейных искажений вводят, рассматривая прохождение бигармонического сигнала, представляющего собой сумму двух косинусоидальных напряжений с одинаковыми амплитудами U и близкими частотами f₁ и f₂:

Если зависимость выходного тока i усилительных приборов от входного напряжения аппроксимировать, например, полиномом третьей степени: i = а₀ + a₁u_вх + a₂u²_вх + a₃u³_вх, то подстановкой в него выражения для

u_вх нетрудно убедиться, что в выходном токе (напряжении) наряду с составляющими основных частот f₁ и f₂, появятся составляющие с частотами f₂ - f₁, 2f₁ - f₂, 2f₁ - f₂, 2f₁, f₁ + f₂, 2f₂, 3f₁, 2f₁ + f₂, 2f₂ + f₁, 3f₂...

При принятой аппроксимации и при условии |f₂ - f₁| ≤ f₂ < f₁ весь спектр разбивается на четыре участка (рис. 3).

Рис. 3. Спектр выходного напряжения УРУ при бигармоническом входном напряжении

Первый участок расположен вблизи нулевой частоты и содержит составляющую частоты f₂ - f₁. Для гармонических усилителей этот участок спектра лежит, как правило, вне рабочей полосы усилителя.

Второй участок спектра, включающий частоты f₁, f₂, 2f₁ - f₂ и 2f₂ - f₁, называется спектром первой гармоники. Третий участок включает частоты 2f₁, f₁ + f₂, 2f₂ и называется спектром второй гармоники. И, наконец, четвертый участок, содержащий частоты 3f₁, 2f₁ + f₂, 2ff₂ + f₁, 3f₂, называется спектром третьей гармоники.

Ширина каждого из участков значительно меньше частотного интервала между ними, поскольку частоты f₁ и f₂ выбираются близкими.

Для количественной оценки нелинейных искажений вводятся частные коэффициенты нелинейных искажений для бигармонического сигнала:

где U_f1 = U_f2 - напряжения составляющих основных частот f₁ и f₂ на нагрузке; U_2f1-f2 = U_2f2-f1 - напряжения составляющих частот 2f₁ - f₂ и 2f₂ - f₁, U_IIмакс, U_IIIмакс - напряжения максимальной из составляющих спектров соответственно второй и третьей гармоник.

При аппроксимации характеристик усилительных приборов полиномом степени выше третьей в выходном сигнале появляются дополнительные частотные составляющие. Однако эти составляющие весьма малы и с ними обычно можно не считаться.

Коэффициент К^I_f характеризует искажения огибающей и расширение спектра передаваемого сигнала, а коэффициенты К^II_f и К^III_f - интенсивность высших гармонических, сильно удаленных от спектра усиливаемого сигнала.

Мощность выходного сигнала УРУ зависит не только от параметров самого усилителя, но и от уровня входного сигнала. Однако при больших входных сигналах начинают сильно проявляться нелинейные свойства усилительных приборов и возрастают нелинейные искажения, так что практически выходная мощность ограничена. Под номинальной выходной мощностью обычно понимается то максимальное значение мощности, при котором уровень нелинейных искажений не превышает некоторой заданной величины.

Для УРУ, выходная мощность которых превышает несколько ватт, весьма важной характеристикой является к. п. д. η. Поскольку основным потребителем энергии УРУ, как правило, являются выходные цепи усилительных приборов (в случае ламп - анодные цепи), основное внимание следует уделять к. п. д. по выходной (анодной) цени УРУ.

Однако энергетическая эффективность мощного УРУ определяется не только к. п. д. по выходной цепи, но и коэффициентом использования по мощности усилительных приборов, который в предположении использования в УРУ различных типов УП определится следующим образом:

где Р_н - выходная мощность УРУ; Р_{ном i} - номинальная мощность i-го усилительного прибора; n - общее число усилительных приборов.

Коэффициент χ определяет во многом общий к. п. д. и габариты УРУ.

Получение высоких к. п. д. и удовлетворительного использования УП по мощности для рассматриваемых УРУ является важной и нелегкой задачей. Сложность ее решения, как будет ясно из дальнейшего, обусловлена, с одной стороны, широкополосными свойствами УРУ и, с другой стороны, специфическими особенностями УРУ по сравнению с другими типами усилительных устройств. Стремление получить высокие η и χ существенно отражается на схемах УРУ и методике их расчета.

Все рассмотренные показатели УРУ в общем случае зависят от частоты. Эти зависимости даются частотными характеристиками.

Для усилителей гармонических сигналов наибольший интерес представляет амплитудно-частотная характеристика, представляющая собой зависимость напряжения на нагрузке УРУ U_н от частоты f при постоянстве входного напряжения, и частотная характеристика мощности, представляющая собой зависимость Р_н от f.

Указанные характеристики дают представление о широкополосных свойствах УРУ и позволяют определить рабочий диапазон частот. Они должны быть по возможности равномерными. Количественно неравномерность этих характеристик оценивается отношениями максимального в полосе частот выходного напряжения U_н.макс или мощности Р_н.макс к их минимальным значениям U_н.мин или P_н.мин: М_U = U_н.макс/U_н.мин, М_U = Р_н.макс/P_н.мин.

Что касается фазо-частотных характеристик, представляющих собой зависимость разности фаз выходного и входного напряжений от частоты, то для усилителей гармонических сигналов они непосредственно большого интереса не представляют. Это обусловлено тем, что спектр сигнала в таких УРУ значительно уже, чем общая полоса частот усилителя Δf. При этом для неискаженного усиления сигнала требуется, чтобы фазовая характеристика была линейной лишь на каждом малом интервале диапазона частот, соответствующем узкому спектру сигнала. Это условие обычно выполняется без каких-либо специальных мер. Требования же к линейности фазовой характеристики во всей полосе частот для усилителей гармонических сигналов обычно не предъявляются.