След.: Отрицательная обратная связь в Выше: Основные показатели и характеристики Пред.: Количественные показатели усилителей

Качественные показатели усилителей

При прохождении через усилитель сигнал в той или иной степени искажается -- изменяется его форма на выходе по сравнению с формой на входе. Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Нелинейными или амплитудными искажениями называют искажения сигнала, обусловленные изменением его спектрального состава. Причина появления нелинейных искажений -- нелинейность входных и выходных вольт-амперных характеристик усилительных элементов (транзисторов, электронных ламп), а также нелинейность кривых намагничивания сердечников трансформаторов и дросселей.

Рис. 2

Для транзистора (рис.2а) искажения, в основном, обуславливаются нелинейностью входной характеристики $I_{\text{вх}}=f(U_{\text{вх}})$ для электронной лампы (рис.2б) -- нелинейностью анодно-сеточной характеристики $I_a=f(U_c)$ .

Из графиков видно, что при подаче на вход синусоидального напряжения возникающий ток отличается от синусоиды. В нем, помимо основной (первой) гармоники, имеющей частоту входного сигнала, появляются новые частотные компоненты -- высшие гармоники (вторая, третья и т.д.). На рис.3 показано разложение подобного сигнала на первые две гармоники.

Рис. 3

Нелинейные искажения в усилителях приводят к искажению передаваемой информации, в частности, в УНЧ изменяется тембр, возникают ``хрипы'', неразборчивость.

Уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник)

$$\gamma={\sqrt{\sum\limits_{n=2}^\infty{U_n^2}}\over U_1}={\sqrt{\sum\limits_{n=2}^\infty{I_n^2}}\over I_1} ,$$ (13)

где	$U_1$ , $I_1$	--	напряжение и ток первой гармоники,
	$U_n$ , $I_n$	--	напряжение и ток высших гармоник,
	$n$	--	номер гармоники.

Практически учитывают только вторую и третью гармоники, так как более высокие гармоники имеют малую мощность.

Ухо нетренированного человека не замечает нелинейных искажений, если $\gamma < 5\%$ .

Рис. 4

Качественно о наличии нелинейных искажений можно судить по степени отклонения амплитудной характеристики $U_{\text{вых}}=\varphi(U_{\text{вх}})$ усилителя от прямой линии (рис.4). В рабочей области входных напряжений ( $U_{\text{вх мин}}<U_{\text{вх}}<U_{\text{вх макс}}$ ) амплитудная характеристика прямолинейна, угол ее наклона определяется коэффициентом усиления усилителя. При $U_{\text{вх}}>U_{\text{вх макс}}$ , из-за перегрузки нелинейных элементов схемы, характеристика искривляется, пропорциональность $U_{\text{вх}}$ и $U_{\text{вых}}$ нарушается -- возникают нелинейные искажения. При $U_{\text{вх}}<U_{\text{вх мин}}$ причиной нарушения линейности характеристики является напряжение $U_{\text{п}}$ собственных шумов (помех) усилителя.

Снимается амплитудная характеристика при постоянной частоте входного сигнала $f= const$ . Для УНЧ принимают $f = 1000$ Гц.

Линейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, вызываемые неодинаковым усилением и различными фазовыми сдвигами разных частот спектра усиливаемого сигнала. Возникают линейные искажения из-за наличия в схемах усилителей реактивных элементов ($L$ и $C$ ), сопротивление которых линейно (подчиняется закону Ома), но зависит от частоты.

Линейные искажения, обусловленные неодинаковым усилением
различных частот, называют частотными искажениями. Проявляются они в УНЧ, например, в виде нарушения естественности звучания и изменения тембра.

Частотные искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его амплитудно-частотной характеристике, обычно называемой просто частотной характеристикой. Она представляет собой график зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала $K =\varphi(f)$ или $K($дБ$)=\varphi(f)$ . Частотные характеристики снимаются как $U_{\text{вых}}=\varphi(f)$ при $U_{\text{вх}}=const$ .

Рис. 5

Вид частотной характеристики широкополосного усилителя (например, УНЧ) показан на рисунке5а, а резонансного (избирательного) УВЧ -- на рис5б. Частотные характеристики резонансных усилителей часто называют резонансными кривыми.

Строится частотная характеристика в прямоугольной системе координат: по оси ординат в линейном масштабе откладывается $K$ или $U_{\text{вых}}$ в абсолютных единицах или децибелах (дБ), по оси абсцисс -- частота $f$ . Масштаб по оси абсцисс для усилителей низкой частоты и широкополосных усилителей — логарифмический, для резонансных -- линейный.

Логарифмический масштаб шкалы частот позволяет значительно расширить пределы отсчета, не увеличивая размеров чертежа, и получить характеристику, удобную для пользования в широком диапазоне частот, особенно в области нижних частот.

При снятии частотных характеристик в лабораторных работах 13, 14, 17, 18, 19 настоящего практикума частоту изменять от $20$ Гц до $100$ кГц. Отсчеты $U_{\text{вых}}$ производить на оцифрованных делениях (исключая $25$ , $50$ и $150$ ) шкалы «ЧАСТОТА» генератора. Входное напряжение $U_{\text{вх}}$ выбирается в пределах линейного участка амплитудной характеристики и поддерживается неизменным. Строятся частотные характеристики в полулогарифмической координатной сетке (см. приложение 2, стр.[перейти]).

Рекомендации по снятию частотных характеристик УВЧ в работах  15, 16 имеются в их лабораторных заданиях.

Мерой частотных искажений служит коэффициент частотных искажений $M$ , показывающий, во сколько раз изменяется коэффициент усиления $K$ на данной частоте по сравнению с $K_0$ на какой-то частоте середины рабочего диапазона (для УНЧ принято $f_{\text{ср}} = 1000$ Гц).

$$M={K_0\over K} .$$ (14)

Это выражение является одновременно уравнением частотной характеристики усилителя.

Для областей низших и высших частот

$$M_{\text{н}}={K_0\over K_{\text{н}}} ,\qquad M_{\text{в}}={K_0\over K_{\text{в}}} .$$ (15)

Коэффициент частотных искажений выражается и в децибелах

$$M( )=20\lg{M} .$$ (16)

Величина допустимых значений $M$ зависит от области применения усилителя.

По частотным характеристикам определяется полоса пропускания усилителя -- область частот, в пределах которой изменение коэффициента усиления и частотные искажения не превышают заданных или допустимых техническими условиями значений. Обычно допустимым отклонением $K$ от его значения $K_0$ на средней частоте $f_0$ принимают отклонение на $3$ дБ ($0,707$ раза по напряжению, $0,5$ раза по мощности).

Полоса пропускания определяется граничными частотами $f_{\text{н}}$ и $f_{\text{в}}$ (низшая и высшая).

Для широкополосных усилителей (рис.5а) полосу пропускания можно определить:

$$\Delta f = f_{\text{в}}-f_{\text{н}} ,$$ (17)

но практически важно знать значения $f_{\text{в}}$ и $f_{\text{н}}$ , а не $\Delta f$ . Граничные частоты определяют также и рабочий диапазон частот усилителя.

Для избирательных УВЧ (рис.5б) полоса пропускания

$$2\Delta f = f_{\text{в}}-f_{\text{н}} ,$$ (18)

здесь $\Delta f = f_{\text{в}}-f_0\approx f_0 - f_{\text{н}}$ -- абсолютная расстойка.

По частотным характеристикам резонансных УВЧ определяется и их избирательность (селективность)

$$Se ={K_0\over K_f}$$ (19)

при заданной расстройке $\delta f$ .

В ряде случаев для компенсации частотных искажений, возникающих в канале усиления, вводят частотную коррекцию — в некоторых каскадах усилителя создают искусственно завал или подъем частотной характеристики, что выравнивает результирующую характеристику канала усиления.

Регулировка тембра в УНЧ осуществляется также путем изменения хода частотной характеристики.

Фазовые искажения проявляются в неодинаковом сдвиге фазы между входным и выходным сигналами усиливаемых колебаний на разных частотах. Они сопутствуют искажениям частотным и также относятся к линейным искажениям. Оцениваются фазовые искажения по частотно-фазовой характеристике усилителя (рис. 6) -- зависимости угла сдвига фаз $\varphi$ между выходным и входным напряжением от частоты $\varphi=\Psi(f)$ .

Фазовые искажения, играющие важную роль в осциллографических, телевизионных и радиолокационных усилителях, а так же в многокональных УНЧ, в одноканальных УНЧ не учитываются.

Рис. 6

Кроме рассмотренных, иногда существенное значение имеют и другие показатели: динамический диапазон усилителя, уровень собственных шумов, стабильность работы и др.

След.: Отрицательная обратная связь в Выше: Основные показатели и характеристики Пред.: Количественные показатели усилителей