Усилители мощности характеризуются рядом технических параметров, аналогичных параметрам других компонентов системы (отношение сигнал/шум, перекрестные помехи и т.д), однако используются и специфические характеристики, для измерения которых существуют специальные методы.

Обычно усилители мощности имеют входное сопротивление в пределах от 20 до 150 кОм, при этом величина 47 кОм является стандартной для несимметричных входов. Это значение достаточно велико для того, чтобы входной каскад усилителя мощности не перегружал предварительный усилитель и не вносил искажения в работу его выходного каскада.

Выходное сопротивление усилителя мощности обычно измеряется малой величиной — в пределах от 0,05 до 0,5 Ом для полупроводниковых усилителей. Ламповые усилители мощности имеют более высокое выходное сопротивление — от 0,5 до 2 Ом. Однотактные ламповые усилители могут иметь выходное сопротивление до 3 Ом. Выходное сопротивление можно представить себе как резисторы, соединенные последовательно с выходными транзисторами (или с выходным трансформатором в ламповом усилителе) и сопротивлением нагрузки усилителя. Низкое выходное сопротивление является желанной целью при проектировании усилителя мощности; в ситуации, когда величина его выходного сопротивления составляет существенную часть от сопротивления громкоговорителя, усилитель и громкоговоритель начинают влиять друг на друга. Результатом этого может стать появление пиков и спадов в частотной характеристике усилителя, вызываемое изменением сопротивления громкоговорителя при изменении частоты. Это серьезный момент при рассмотрении возможности приобретения однотактных ламповых усилителей; такой усилитель будет иметь различный тональный баланс при работе с различными громкоговорителями. Высокое выходное сопротивление также характеризуется мягкостью, недостаточной глубиной и динамикой басов. Усилитель мощности с высоким выходным сопротивлением хуже управляет перемещением диффузора НЧ-головки громкоговорителя. Выходное сопротивление определяет коэффициент демпфирования усилителя, т.е. его способность управлять перемещением конуса громкоговорителя. Чем выше коэффициент демпфирования, тем лучше. Учтите, что он указывается дл^а выходных клемм усилителя; сопротивление кабеля для подключения громко, )-ворителя может резко ухудшить результирующий коэффициент демпфирования, в особенности, при использовании длинных кабелей.

Коэффициент усиления - это отношение выходного напряжения к входному. Он может выражаться также в децибелах (дБ). Обычно коэффициент усиления равен примерно 26 дБ, то есть отношение напряжений составляет 20:1. Это значит, что входное напряжение в 1 В дает 20 В на выходе. Входная чувствительность — это входное напряжение, необходимое для достижения усилителем режима отсечки. Обычное значение находится в пределах от 0,775 В до 2 В, при этом стандартной величиной является 1,2 В. Если усилитель мощности имеет очень высокую входную чувствительность (менее 0,5 В), то регулирование усиления предварительного усилителя будет чрезвычайно затрудненным — вы получите большую громкость, едва повернув регулятор. Напротив, если предварительный усилитель с малым выходным сигналом подключить к низкочувствительному усилителю мощности (например, с входной чувствительностью 2 В), то для получения необходимого уровня воспроизведения регулятор громкости предварительного усилителя потребуется повернуть до предела.

Мы много говорили о максимальной выходной мощности усилителя, теперь давайте посмотрим, как она измеряется. В режиме холостого хода (с очень большим сопротивлением нагрузки) подадим на вход усилителя мощности сигнал с постепенно увеличивающимся напряжением. Для ряда значений сигнала измерим коэффициент нелинейных искажений и представим результаты измерений на графике в виде функции выходной мощности. Когда усилитель достигнет режима ограничения сигнала, искажения резко возрастут. В точке начала ограничения сигнала, определяемой для величины ТНБ 1%, выходная мощность усилителя будет считаться максимальной. Эти измерения повторяются при подключении к усилителю сопротивлений нагрузки 8, 4 и 2 Ом. Результаты объединяются и наносятся на общий график (рис. 6-12а). Чем правее находится "колено" (излом) кривой коэффициента гармоник, тем выше выходная мощность усилителя при ограничении сигнала. Обратите внимание, что некоторые графики зависимости ТНБ от выходной мощности имеют только две кривые: для 8 и 4 Ом. Эти усилители нельзя испытывать на полную мощность при нагрузке в 2 Ом — сгорят предохранители блока питания или усилитель просто выключится.

Объединяя три кривые на одном графике, мы можем быстро оценить способность усилителя увеличивать свою выходную мощность при уменьшении сопротивления нагрузки. Чем больше расстояние между изломами кривых, тем выше способность усилителя отдавать ток в нагрузку с низким сопротивлением. На рис. 6-126 представлены измерения, проведенные для усилителя с очень слабой способностью отдавать ток в нагрузку с сопротивлением 4 Ом: он дает 15,6 дБВт при сопротивлении нагрузки 8 Ом и только 12,5 дБВт при сопротивлении 4 Ом.

Напротив, на рис. 6-12а представлен усилитель, который ведет себя фактически как прекрасный источник напряжения, сохраняя неизменным свое выходное напряжение и удваивая выходную мощность при снижении сопротивления нагрузки в два раза. Этот график, полученный в результате реальных измерений, показывает удивительно хорошую характеристику усилителя. Она была бы еще лучше, если бы напряжение в сети переменного тока не падало при увеличении нагрузки, уменьшая тем самым исходную мощность, которой может располагать усилитель, — он потребляет из сети такой большой ток, что напряжение в ней падает со 118 до 106 В. Этот усилитель дает 325 Вт мощности при работе на нагрузку с сопротивлением 8 Ом (25,1дБВт), 635 Вт мощности на нагрузку в 4 Ом (25дБВт), 1066 Вт на нагрузку в 2 Ом (24,3 дБВт) и 1548 Вт на нагрузку в 1 Ом (22,9 дБВт). Более того, он сохраняет прекрасную стабильность, давая такой огромный ток на столь низкое сопротивление.

Рассмотренные методы используются для оценки выходной мощности, ограниченной нелинейными искажениями большинства ламповых и полупроводниковых двухтактных усилителей. Однотактные усилители на выходе вносят такие большие нелинейные искажения сигнала, что для определения их точки ограничения необходимо использовать другие методы.

Вместо значения 1% THD в точке, где усилитель истощает свой запас по мощности (см. выше), для однотактных усилителей точка ограничения будет там, где THD составит 10%. Это обусловлено тем, что однотактный усилитель может давать 2 или 3% THD всего при нескольких ваттах выходной мощности.

Другим способом оценки возможностей усилителя является измерение ширины полосы частот полной мощности, в ходе которого определяется наибольшая ширина полосы частот сигнала, в пределах которой усилитель может сохранять свою максимальную мощность. Усилитель работает в режиме чуть ниже точки ограничения, и строится зависимость его выходной мощности от частоты сигнала.

Величина, характеризующая, насколько большую пиковую мощность при кратковременных сигналах (музыкальных пиках) может отдать усилитель сверх номинального значения для непрерывного сигнала, называется динамическим запасом по мощности, выражаемым в дБ. Если усилитель с номинальной мощностью в 100 Вт на канал (RMS) в течение коротких промежутков времени (измеряемых миллисекундами) может без сильных искажений выдавать 200 Вт на канал, говорят, что он имеет запас по мощности, равный ЗдБ. Вы, должно быть, помните из ранее сказанного, что удвоение выходной мощности приводит к увеличению уровня громкости на ЗдБ. Динамический запас по мощности усилителя многое говорит о его способности обеспечивать громкое звучание.

В дополнение к построению графика зависимости THD от выходной мощности усилителя для определения точки ограничения, коэффициент нелинейных искажений усилителя мощности можно измерять при низком уровне сигнала и наносить на график в виде зависимости от частоты. На рис. 6-13 показан такой график. Самая нижняя кривая показывает величину THD+III (THD плюс шум), измеренную при мощности 1 Вт и сопротивлении нагрузки 8 Ом. Следующая кривая, расположенная выше, соответствует мощности в 2 Вт и сопротивлению нагрузки 4 Ом. Верхняя кривая (наибольшие искажения) получена при мощности 4 Вт, подаваемой на нагрузку с сопротивлением 2 Ом. Чем ниже искажения и шум, тем лучше, ~ при этом значение, меньшее 0,2%, обеспечивает хорошее качество работы.

Хотя знание коэффициента полных гармонических искажений усилителя весьма важно, более показательным является изучение частотного спектра гармонических искажений. Полезно знать, какие гармоники имеются в спектре выходного сигнала, поскольку одни гармоники существенно заметнее и более неприятны для слуха, чем другие. Как говорилось выше, при обсуждении ламповых усилителей мощности, 10-процентные искажения по второй гармонике гораздо терпимее, чем 0,5-процентные — по седьмой. Таким образом, важно знать частотный спектр искажений сигнала, а не только величину ТНВ.

Для этого на вход усилителя мощности подают синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц и такого напряжения, чтобы выходная мощность составила две трети ее номинального значения, а затем выполняют быстрое преобразование Фурье (БПФ) выходного сигнала. Результат БПФ можно представить в виде графика, показывающего зависимость энергии составляющих спектра от частоты, приведенного на рис. 6-14а. Мы видим, что этот конкретный усилитель создает много гармоник сигнала. Спектр на рис. 6-146 соответствует значительно более низкому уровню нелинейных искажений сигнала.

Хотя гармонические искажения было предложено считать определяющим параметром, характеризующим качество работы усилителей мощности и ресиверов, сама по себе их величина не является таким уж важным критерием при оценке усилителей мощности. Многие усилители с коэффициентом гармонических искаженней в 3% звучат просто прекрасно, в то время как другие с коэффициентом 0,01% звучат ужасно. Как говорилось в главе 1, ТНВ можно уменьшить за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи в усилителе. К сожалению, отрицательная обратная связь создает другие проблемы, которые приводят к ухудшению звучания усилителя. Конечно, интересно знать, какие гармонические искажения создает усилитель и каков спектр этих искажений, но не стоит позволять величине ТНВ влиять на решение о покупке того или иного усилителя.

Искажения взаимной модуляции (ИВМ), или интермодуляционные искажения возникают, когда два сигнала с разными частотами усиливаются одновременно. Это то, что в музыке происходит постоянно. ИВМ создает комбинационные составляющие, частоты которых являются разностью и суммой частот усиливаемых сигналов и их гармоник. Например, если мы подаем на усилитель мощности синусоидальные сигналы с частотой 10 кГц и 1 кГц, то возникает выходной сигнал, содержащий синусоиды с исходными частотами, а также сигналы, возникшие в результате взаимной модуляции, с частотами 11 кГц (сумма частот двух сигналов) и 9 кГц (разность частот). Хотя сигналы с частотой 9 кГц и 11 кГц, являющиеся суммарно-разностными продуктами ИВМ, обычно имеют наиболее высокую амплитуду, существует и бесконечное множество составляющих с другими частотами.

Коэффициент искажений взаимной модуляции выражается в процентах энергии искажений относительно энергии тестового сигнала, причем обычно его величина находится в пределах от 0,01% до 0,2%. Для оценки ИВМ обычно используются тестовые сигналы с частотами 60 Гц и 7 кГц, смешиваемые с одинаковыми амплитудами или сигналы более высокой частоты, имеющие вчетверо меньшую амплитуду (-12,04 дБ), например, сигналы с частотами 19 кГц и 20 кГц с одинаковым напряжением. Для проведения испытаний с последними сигналами усилитель нагружается на две трети его номинальной мощности и проводится анализ спектра выходного сигнала. Рассматривается разностный сигнал с частотой 1 кГц (20 кГц минус 19 кГц), и чем меньше его амплитуда, тем лучше. Этот сигнал, являющийся результатом взаимной модуляции, обычно на 55-75 дБ ниже, чем амплитуда тестового сигнала. Иногда наблюдается ряд комбинационных сигналов вокруг тестового тона.

Некоторые из этих измерений являются специфическими для усилителей мощности. Другие, более универсальные, включают в себя определение частотных характеристик, переходных помех и отношения сигнал/шум. Современные усилители (кроме однотактных) редко имеют неравномерные частотные характеристики. Учтите, что такие звуковые характеристики как "яркий", "глубокий", "выдвинутый" и т.д. не являются функциями частотной характеристики усилителя.

И наконец, говорят, что усилитель мощности является инвертирующим, если при передаче сигнала со входа на выход он меняет абсолютную полярность на противоположную. Неинвертирующий усилитель сохраняет при передаче со входа на выход полярность сигнала неизменной. В инвертирующем усилителе полярность сигнала изменяется на обратную: положительная на входе становится отрицательной на выходе и наоборот. Это может несколько улучшить воспроизведение одних записей и ухудшить звучание других. Поскольку большинство каскадов усиления инвертируют абсолютную полярность, инвертирующий усилитель обычно имеет нечетное число каскадов усиления, в то время как неинвертирующий усилитель имеет четное число каскадов. Один из этих вариантов не обязательно лучше, чем другой (смотри раздел "Абсолютная полярность" в Приложении А).