Амплитудно- и фазочастотная характеристики

Комплексный коэффициент усиления по напряжению K = Ke^jφ. Его модуль K называется коэффициентом усиления. Зависимость K от частоты называется амплитудно-частотной (кратко - частотной) характеристикой (АЧХ) усилителя. Она изображается на рис. 1.2, а. Здесь по горизонтали отложена угловая частота ω=2πf. Вместо ω можно откладывать частоту f. Для АЧХ типичным является наличие так называемой области средних частот, в которой K почти не зависит от частоты и обозначается K₀. Его иногда называют номинальным коэффициентом усиления. Чаще всего на АЧХ по вертикальной оси используют относительный масштаб, откладывая относительное (нормированное) усиление M = K/K₀, т. е. коэффициент усиления, отнесенный к его значению на средних частотах. Такая АЧХ M(ω) или M(f) называется нормированной.

На нижних и верхних (низших и высших) частотах АЧХ обычно спадает. Частоты, на которых относительное усиление M уменьшается до условного уровня отсчета d, называются граничными частотами усилителя: f_н и f_в - соответственно нижняя и верхняя. Будем использовать в основном угловую частоту ω, так что ω_н=2πf_н и ω_в=2πf_в. Типовым или стандартным уровнем отсчета считается значение d=1/ =0,707. Диапазон частот от f_Н до f_В называется полосой пропускания усилителя.

Вследствие спада усиления на краях полосы пропускания не все спектральные составляющие сложного колебания усиливаются в одинаковое число раз. Это приводит к искажениям его формы, которое называются амплитудно-частотными или частотными искажениями. Их косвенной мерой является значение относительного усиления на граничных частотах полосы пропускания. Изменения усиления на граничных частотах относительно его значения на средних частотах называется неравномерностью частотной характеристики, выражается в децибелах (20 lg М) и указывается в ТУ на аппаратуру. Неравномерность нормированной АЧХ характеризуют также параметрами ε(f)=M(f) – 1. При этом абсолютное значение ε при M(f) < 1 называют спадом АЧХ, а при M(f) > 1 ее подъемом.

В звуковых сигналах частотное искажение воспринимаются на слух как изменение тембра (высоты тона). Спад величины M на граничных частотах в усилителях звуковой частоты допускается не более чем на 3 дБ (в 1,41 раза), а в усилителях измерительных приборов – не более чем на 0,1 дБ.

Зависимость от частоты фазового сдвига φ, вносимого усилителем, называется его фазочастотной (кратко - фазовой) характеристикой (рис. 1.2, б). Из теории цепей известно, что если фазочастотная характеристика (ФЧХ) четырехполюсника не является прямой, исходящей из начала координат, то время прохождения через него различных спектральных составляющих сложного колебания различна. Это приводит к искажениям его формы, которые называются фазочастотными или фазовыми. На практике ФЧХ используется реже, чем АЧХ, в виду меньшей значимости и сравнительной сложности измерения фазовых сдвигов.

Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют. Линейные искажения не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала. Они вызывают лишь изменения соотношения амплитуд и фаз между отдельными спектральными составляющими.

Масштаб по оси частот на АЧХ и ФЧХ обычно берется логарифмический. Он удобен тем, что растягивает область нижних и сжимает область верхних частот. Это позволяет одинаково подробно рассматривать равные относительные изменения частоты в любой ее области.

ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход небольшого перепада напряжения, не вызывающего перегрузку усилителя. Переходную характеристику подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рис. 1.3, а), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения к его значению после установления фронта h(t)=u_вых(i)/U_{вых 0}.

Время, в течение которого фронт относительной (нормированной) ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания t_нар. Часто в конце фронта выходного напряжения получается выброс, иногда с последующими затухающими колебаниями на вершине ПХ (см. рис. 1.3, а). Относительная величина выброса обозначается δ и выражается в процентах. Существует так называемое критическое значение выброса, при котором δ усилителя не зависит от числа его каскадов. Критический выброс и стараются обеспечить при разработке. Он составляет единицы процентов и зависит от схемы каскадов. Спад верхней части нормированной ПХ в заданный момент времени обозначается через Δ.

Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным. В отличие от него оценку показателей с помощью АЧХ и ФЧХ называют частотным методом. Прежде всего ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при их усилении, так как такой импульс длительностью t _и, действующий на входе, может быть представлен в виде суммы двух разнополярных перепадов, взаимно сдвинутых во времени на t _и. Тогда по принципу суперпозиции форма импульса на выходе может быть найдена простым вычитанием ПХ самой из себя, сдвинутой во времени на t _и.

 

 

Изредка оценку усилителя временным методом ведут по импульсной характеристике, которая представляет реакцию усилителя на очень короткий импульс и по существу является производной от ПХ.

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Нелинейные искажения – это изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов микросхем и других элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. На этом и основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего (эффективного) значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

(1.4)

Здесь U ₁, U ₂, U ₃ и т. д. – действующие значения напряжений отдельных гармоник выходного напряжения. Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения, причем вместо напряжений можно оперировать токами. Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник, например второй: K_{Г 2} =U ₂ /U ₁ =I ₂ /I ₁.

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При K_Г <2…3% они почти не заметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот обеспечивают коэффициент гармоник K_Г <0,2%, а в усилителях многоканальной связи – сотые и тысячные доли процента (во избежание взаимных помех каналов). Малые нелинейные искажения оценивают так называемым затуханием нелинейности а _г, выражаемым в децибелах: а _г, дБ=20 lg (1/ K_Г). Часто нормируют затухание нелинейности отдельно по второй и третьей гармоникам:

а _г2=20 lg (U ₁ /U ₂), а _г3=20 lg (U ₁ /U ₃).

Во всяком усилителе нелинейные искажения увеличиваются при приближении амплитуды выходного напряжения к максимально возможному значению. Выходное (и входное) напряжение, при котором коэффициент гармоник усилителя равен заданному допустимому значению, называется номинальным. Номинальной называется и соответствующая выходная мощность P _{вых ном} =U ²_{вых ном} /R _н.

При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты. На слух последние более заметны, так как в отличие от гармоник являются вновь возникшими составляющими. Поэтому для высококачественных усилителей звуковых частот измеряют также интермодуляционные искажения, подавая на вход два синусоидальных колебания с сильно различающимися частотами (f ₁ и f ₂> f ₁) и вчетверо различающимися амплитудами, причем амплитуда колебания частоты f ₁ берется на 12 дБ, а частоты f ₂ - на 24 дБ меньше номинальной (ГОСТ 23849-87). Количественной мерой искажений является отношение суммарного напряжения комбинационных составляющих к напряжению частоты f ₂ на выходе усилителя.

При усилении импульсных сигналов прямоугольной формы нелинейность усилителя не приводит к искажению формы отдельных импульсов, но изменяет соотношение их амплитуд (если они не равны). При усилении пилообразных импульсов их форма искажается. Для оценки степени нелинейности импульсных усилителей используют коэффициент нелинейности K _нел. Он равен относительному изменению крутизны нарастания выходного напряжения усилителя при подаче на его вход линейно нарастающего напряжения максимальной амплитуды, пропускаемой усилителем.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: