Пересчёт отношений U, I и P
Шкала стрелочного индикатора проградуирована в децибелах
Усиление (или ослабление) по мощности, напряжению, току
Таблица пересчёта отношений напряжений, токов, мощностей в децибелы
Децибел — это логарифмическая единица измерения, используемая для измерения отношения двух значений какой-либо величины или для выражения усиления или ослабления этой величины.
В радиотехнике децибелы применяются для измерения усиления, т.е. отношения напряжений, токов или мощностей; в акустике — для измерения звукового давления или уровня громкости, т.е. отношения звуковых давлений или громкостей.
Пример 1. Усиление по напряжению в 100 раз (т.е. отношение напряжений 100 : 1) в децибелах = 20 lg 100 = 20 х 2 = 40 дБ.
Пример 2. Усиление по мощности в 1000 раз (т.е. отношение мощностей 1000 : 1) в децибелах = 10 lg 1000 = 10 х 3 = 30дБ.
Если нужно показать, что одна величина меньше другой, с которой она сравнивается (отношение меньше единицы), то перед числом децибел ставится знак «минус».
Пример. Отношение напряжений 1 : 10 (ослабление в 10 раз) в децибелах = 20 lg 1/10 = 20 х (–1) = -20 дБ.
Источник
Элементы теории ламповых усилительных устройств
Основные технические характеристики усилителя
Коэффициент усиления по напряжению — отношение напряжения, получаемого на выходе усилителя, к напряжению, подведенному к его входу.
Это один из основных показателей» характеризующих работу усилителя напряжения. Для усилителей мощности более важной величиной является выходная мощность. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов. Каскад — это часть электронной схемы, выполняющая определённую конечную функцию, — например предварительное усиление напряжения или согласование входных и выходных сопротивлений.
Часто коэффициент усиления измеряется в логарифмических единицах — децибелах. Коэффициент усиления по напряжению, выраженный в децибелах определяют по формуле:
Если коэффициенты усиления, выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления усилителя равен сумме коэффициентов усиления каскадов.
Кроме коэффициента усиления по напряжению, иногда пользуются коэффициентами усиления по току или коэффициентами усиления по мощности.
Выходная мощность является одной из основных величин, характеризующих оконечные каскады (усилители мощности). Максимальная мощность на выходе усилителя ограничена искажениями, возникающими за счет нелинейности характеристик ламп при больших амплитудах сигналов.
Номинальная выходная мощность — наибольшая мощность, при которой искажения не превышают допустимой величины.
Номинальное входное напряжение — напряжение, которое нужно подвести ко входу усилителя, чтобы получить номинальную выходную мощность.
Коэффициент полезного действия (к. п. д.) усилителя — позволяет оценивать его экономичность. Различают электрический и промышленный к. п. д.
Электрический к. п. д. усилительного каскада равен отношению его полезной выходной мощности к мощности, потребляемой от источника анодного напряжения.
Промышленный к. п. д. равен отношению полезной мощности к мощности, потребляемой от всех источников, питающих данный каскад.
Входное сопротивление усилителя — сопротивление переменному току, которое представляет входная цепь усилителя для источника входного напряжения. Входное сопротивление усилителя зависит от частоты напряжения, подведенного к его входу.
Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) — область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.
Необходимые минимальные граничные частоты полосы пропускания усилителей для некоторых трактов передачи и усиления:
Высококачественное ЧМ радиовещание ( УКВ и FM ) ……… 40 — 16000 Гц
Высококачественное AM радиовещание ( 1 -го класса ) ……… 50 — 8000 Гц
Радиовещание ( 2-го класса ) ………………………………… 80 — 5000 Гц
Магнитная звукозапись и звуковое кино ………………… 40 — 12000 Гц
Hi — End звуковоспроизведение …………………………… 20 – 20000 Гц
Телефония …………………………………………………… 300— 2500 Гц
Динамический диапазон амплитуд — отношение (в децибелах — дБ) амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов. Уровень наиболее слабого передаваемого сигнала ограничивается в усилителе его собственными шумами или уровнем помех. Величина максимального передаваемого напряжения ограничена искажениями, возникающими в усилителе за счет нелинейности характеристик ламп. Передача будет вполне удовлетворительной, если воспроизводятся мощности, отличающиеся в 1 миллион раз. Для этого необходимо передавать напряжения, отличающиеся в 1000 раз (динамический диапазон 60 дБ).
Искажения в усилителях низкой частоты. Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности характеристик электронных ламп, полупроводниковых триодов и характеристик намагничивания трансформаторных сердечников, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе на выходе его возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие на входе.
Степень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник), представляющим собой отношение корня квадратного из суммы квадратов напряжений гармоник к напряжению основной частоты (первой гармоники):
Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. В пятидесятых годах прошлого столетия считалось, что в усилителях, предназначенных для АМ радиоприемников и магнитофонов величина коэффициента гармоник не должна превышать 5 — 7%, а в телевидении и радиотелефонии допускается 15—20%. Современная ламповая схемотехника, позволяет значительно снизить эти величины вплоть до 1 — 2%.
Комбинационные тона — получаются тогда, когда на вход усилителя, вносящего нелинейные искажения, подводятся одновременно колебания нескольких частот. В этом случае на входе, кроме этих частоти их гармоник, появляются суммарные и разностные частотные комбинации между любой, в том числе и первой, гармоникой одной частоты и любой гармоникой другой частоты. Комбинационные тона могут получаться при усилении любой аудиопрограммы.
Искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах, называются частотными искажениями.
Частотные искажения можно оценить по частотной характеристике усилителя.
Частотной характеристикой усилителя называется зависимость коэффициента усиления от частоты или зависимость от частоты отклонения от среднего значения коэффициента усиления.
На схеме показан пример частотной характеристики усилителя звуковой частоты. Изменение усиления на разных частотах по отношению к коэффициенту усиления К0 в области средних частот выражено в децибелах. Масштаб по оси частот логарифмический.
Коэффициент частотных искажений — отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на данной частоте. Для частотных искажений в области нижних частот
и в области верхних частот, усиливаемого диапазона
где К0, Кн и Кв — коэффициенты усиления на средних, низких и высоких — частотах соответственно.
Фазовыми искажениями — называются искажения, возникающие при сдвиге фазы выходного напряжения усилителя на угол φ относительно фазы входного напряжения.
Переходные искажения появляются в результате наложения на воспроизводимый сигнал неустановившихся процессов. Особенно существенными в этом отношении являются неустановившиеся процессы подвижной системы громкоговорителей. Для уменьшения переходных искажений нужно уменьшать выходное сопротивление усилителя.
Микрофонные помехи (микрофонный эффект) — наведение в цепях усилителя мешающего напряжения в результате воздействия на шасси и лампы усилителя механических колебаний в виде звуковых волн, вибраций, ударов и пр.
Фон питающей сети – может присутствовать на выходе усилителя, питаемого от сети переменного тока. Представляет собой переменное напряжение с частотой питающего тока и его гармоник (50, 100, 150, 200 Гц и т. д.), вследствие чего в громкоговорителе бывает слышен фон переменного тока. ГОСТом на радиовещательные приемники от 1956 года, устанавливался уровень напряжения фона на выходе усилителей, который должен был быть меньше наибольшего напряжения полезного сигнала, в 200 раз (46 дб) для приемников 1-го класса, в 70 раз (37 дб) — для приемников 2-го класса и в 20 раз (26 дб) — для приемников 3-го класса.
Источник
Децибел: основные понятия
В усилительной технике широко используется понятие децибела (дБ), который в логарифмическом виде показывает соотношение между двумя уровнями мощности либо напряжения. Например, в спецификации обычного интегрального ОУ такие параметры, как усиление по напряжению, усиление по мощности и коэффициент ослабления синфазного сигнала, приведены в децибелах. Децибел равен одной десятой бела; использование целого бела на практике не очень удобно, поскольку это слишком большая величина.
Несмотря на то что существует несколько способов выражения соотношения между двумя величинами, использование децибела в усилительной технике обусловлено следующими двумя причинами: во-первых, децибел является удобной единицей измерения для всех без исключения типов усилителей; во-вторых, он хорошо соответствует восприятию человеческим ухом громкости звука. Именно поэтому его применение очень удобно для характеристики свойств НЧ усилителей.
Человеческое ухо одинаково хорошо воспринимает как обычную речь, так и раскаты грома (которые могут быть в 100 000 раз громче речи). Это связано с тем, что реакция уха на звук не прямо пропорциональна его энергии, а приблизительно пропорциональна логарифму энергии звуковой волны. Обыкновенным или десятичным логарифмом (log10) числа N является значение, показывающее, сколько раз должно быть перемножено число 10 само на себя (то есть показатель степени), чтобы в результате получилось число N. Например, десятичным логарифмом числа 100 (которое можно представить как 10×10, или 10 2 ) является число 2. Логарифмом числа 100 000 (10 5 ) является число 5. Данное соотношение можно записать в следующем виде:
При сравнении двух значений энергии можно использовать бел. Он является логарифмом отношения двух значений энергии. Например, при сравнении энергии обычного разговора и энергии раската грома их отношение можно выразить следующим образом:
log энергия грома или foglo^00. энергия речи 1
Если применить более удобную величину – децибел, то увеличение силы звука от уровня человеческой речи до уровня раската грома будет соответствовать:
Таким же образом этот метод используется и при измерении усиления в усилителях, вне зависимости от того, предназначен ли усилитель для низкочастотного диапазона или нет. Увеличение выходной мощности любого усилителя может быть выражено следующим соотношением:
Это же выражение может быть представленно в виде:
где Р2 – выходная мощность, а Pt – мощность, подаваемая на вход усилителя. Если Р2 > Pj, то мощность увеличивается, что выражается положительным значением коэффициента усиления (+дБ). Если же Pt > Р2, то мощность ослабляется, что выражается отрицательным значением величины коэффициента усиления (-дБ). Во всех случаях берется отношение двух значений мощности (Pj и Р2), затем логарифм этого отношения умножается на 10. В результате, если соотношение значений мощностей равно 10, усиление – 10 дБ; если соотношение значений мощностей равно 100, то усиление – 20 дБ, если соотношение значений мощностей равно 1000, то усиление – 30 дБ и т.д.
Соотношения для удвоения мощности
Двукратное увеличение мощности в усилителе соответствует усилению +3 дБ. Например, если при повороте регулятора громкости усилителя выходная мощность возросла с 4 до 8 Вт, то мощность увеличилась на 3 дБ (+3 дБ). Если же выходная мощность снизилась с 4 до 2 Вт, то усиление упало на 3 дБ (-3 дБ).
Если первоначальная мощность 4 Вт увеличилась до 8 Вт, то усилеНие составит +3 дБ. Дальнейшее двукратное увеличение мощности (от 8 до 16 Вт) соответствует усилению еще на +3 дБ, но по сравнению с первоначальной мощностью 4 Вт общее усиление будет равно +6 дБ. При увеличении мощности до 40 Вт (то есть десятикратном увеличении относительно уровня 4 Вт) общее усиление мощности составит +10 дБ и т.д.
Широкому применению децибелов в усилительной технике способствовало еще одно обстоятельство. При включении нескольких усилителей последовательно по каскадной схеме, которая достаточно часто используется в усилительных устройствах, общее значение усиления многокаскадного усилителя определяется перемножением коэффициентов усиления каждого каскада. Например, в случае включения по каскадной схеме трех усилителей, каждый из которых имеет коэффициент усиления, равный 10, общий коэффициент усиления составит 1000 (10xl0xl0).
При этом коэффициенты усиления, выраженные в децибелах, просто суммируются. Например, в приведенном выше выражении суммарный коэффициент усиления по мощности составит 10 дБ + 10 дБ + 10 дБ – +30 дБ. Совершенно аналогично
при последовательном включении двух каскадов усиления, первый из которых имеет усиление +30 дБ, а второй – ослабление -10 дБ, общий результат будет равен: +30 дБ – 10 дБ – +20 дБ.
Использование децибелов для сравнения величин напряжений и токов
Децибелы также применяются для сравнения уровней входного и выходного напряжений усилителя. Они могут использоваться и для выражения соотношения токов, однако такой подход в усилительной технике не распространен. Для сравнения величин напряжений или токов служат соотношения:
Здесь определяется отношение двух напряжений (или токов) и его логарифм умножается на коэффициент 20 (а не 10, как в случае отношения двух мощностей).
обычно больше по величине, чем
где Rj – сопротивление источника сигнала, или входной импеданс, R2 – сопротивление нагрузки, или выходной импеданс, а El, И – входные и E2,12 – выходные напряжения и токи. Причем
Необходимо отметить, что, хотя отношения значений мощности не зависят от импедансов (сопротивлений) источника сигнала и выходной нагрузки, соотношения для напряжений и токов справедливы лишь при равенстве импедансов источника сигнала и выходной нагрузки. Для усилителей, где величины входного и выходного импедансов различны, соотношения токов и напряжений определяются следующими выражениями:
Как и для соотношения мощностей, если значение выходного напряжения превышает входное, усиление, выраженное в децибелах, имеет положительный знак (+дБ). Если же выходное напряжение меньше входного, имеет место ослабление, которое выражается отрицательным значением величины (-дБ).
Следует отметить, что увеличение выходного напряжения вдвое характеризуется усилением на +6 дБ. Соответственно уменьшение выходного напряжения вдвое характеризуется ослаблением на -6 дБ. Для подсчета суммарного усиления по напряжению нескольких совместно работающих усилительных каскадов следует сложить (с учетом знака) их значения усиления или ослабления в децибелах.
Децибелы и измерения абсолютных величин
Если усилитель имеет усиление по мощности, равное +20 дБ, это означает, что выходная мощность в 100 раз превышает поступающую на вход усилителя. Несмотря на то что децибелы служат для определения отношений величин двух сигналов, иногда эту единицу используют для измерения абсолютных, а не только
относительных значений величин. С этой целью можно взять некоторую эталонную величину сигнала и определить любую другую величину в децибелах по отношению к эталонной.
В НЧ усилителях наиболее распространенными децибельными единицами для измерения абсолютных уровней мощностей являются дБм (децибел относительно уровня мощности 1 мВт) и единица уровня звука (VU – volume unit).
При использовании единиц уровня звука принимается, что нулевой (эталонный) уровень равен 0,001 Вт (1 мВт), а величина полного сопротивления (импеданс) – 600 Ом. Итак,
где Р2 – выходная мощность.
Таким образом, для единиц уровня звука и для дБм приняты одинаковые эталонные уровни отсчета. Когда измеряемый сигнал имеет синусоидальную форму, обычно применяются дБм (как правило, частота сигнала равна 1 кГц), а VU используются для измерений аудиосигналов сложной формы.
Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).
Источник