9. Параметры усилителей: Связь между частотной, фазовой и переходной характеристиками

При рассмотрении частотной и фазовой характеристик уже обращалось внимание на существование жесткой связи между этими характеристиками. Отсутствие изменения коэффициента передачи с изменением частоты характеризуется отсутствием частотно-зависимого фазового сдвига между выходным и входным сигналами (область средних частот) и, наоборот, любое частотно-зависимое изменение коэффициента передачи (возникающее только при наличии в схеме усилителя реактивных элементов) влечет за собойизменение фазового сдвига. При уменьшении коэффициента передачи с уменьшением частоты сдвиг по фазе положителен и тем больше, чем круче спад частотной характеристики (область нижних частот). При уменьшении коэффициента передачи с ростом частоты сдвиг по фазе отрицателен и тем больше, чем круче спад частотной характеристики (область верхних частот). В общем случае фазовый сдвиг пропорционален производной коэффициента усиления по частоте. Так, в области низких частот приращение частоты и приращение коэффициента усиления – положительные и, следовательно, сдвиг по фазе оказывается также положительным. В области верхних частот при положительном приращении частоты приращение коэффициента усиления оказывается отрицательным и соответственно сдвиг по фазе становится также отрицательным.

Переходная характеристика в области малых времен определяется теми же элементами схемы, что и частотная в области высоких частот, и наоборот, переходная характеристика в области больших времен определяется теми же элементами, что и частотная в области низких частот. Действительно, характерные для области малых времен быстрые процессы, протекающие в усилителе, адекватны быстрым изменениям выходного напряжения, происходящим на высоких частотах. Такую же аналогию можно провести между медленными изменениями переходной характеристики в области больших времен и медленными изменениями выходного сигнала в области низких частот.

10. Параметры усилителей: Помехи и собственные шумы в аэу

Для любого реального усилителя (или построенного на его основе АЭУ) характерно наличие на выходе некоторого напряжения (сигнала) даже при отсутствии полезного сигнала на его входе. Это напряжение является следствием собственных помех, существующих в цепях АЭУ. Причины возникновения собственных помех: фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы и шумы усилительных элементов.

Фоном называется появление на выходе АЭУ переменного напряжения с частотой, равной или кратной частоте питающей сети. Основной причиной появления фона служит недостаточно хорошее сглаживание выпрямленного напряжения питания. Для борьбы с фоном в цепях питания АЭУ приходится использовать сложные стабилизированные источники питания и сглаживающие фильтры, что обычно существенно увеличивает стоимость аппаратуры.

Наводкой называется появление на выходе АЭУ мешающего сигнала, вызванное посторонними источниками помех, чьи электромагнитные поля влияют на цепи АЭУ (особенно входные). В качестве таких источников могут служить другие усилители, генераторы, трансформаторы, электродвигатели, электрические разряды и т.д. Уменьшение влияния наводок достигается экранированием как отдельных цепей АЭУ (особенно входных цепей и первых усилительных каскадов), так и полностью всего АЭУ.

Микрофонный эффект возникает при воздействии на АЭУ вибраций, ударов, сотрясений и объясняется недостаточно жестким креплением элементов схемы при монтаже. Механические воздействия на АЭУ приводят к изменению положения его деталей друг относительно друга и, следовательно, к изменению электромагнитных полей и появлению паразитных токов.

Флуктуационное движение электронов в проводнике, вызванное отличием его температуры от абсолютного нуля, может рассматриваться как флуктуационный электрический ток, приводящий к появлению на концах этого проводника шумовой ЭДС, действующее значение которой определяется формулой Найквиста:

Таким образом, любая электрическая цепь, обладающая активным сопротивлением, является источником теплового шума с равномерным спектром (белый шум) в диапазоне частот от нуля до бесконечности.

Дискретная природа электрического тока, а также то обстоятельство, что количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника, не является величиной постоянной, приводят к тому, что появляется еще один источник шума, зависящий от величины протекающего тока. Этот шум называется дробовым шумом (шумом квантования), имеет белый спектр и его величина определяется следующим выражением:

Кроме активных сопротивлений значительную долю шумов в шум АЭУ вносят усилительные элементы. Среди шумов усилительных элементов различают: тепловые шумы, дробовые шумы и шумы мерцания (фликкер-шум).

Тепловые и дробовые шумы усилительных элементов имеют ту же природу, что и соответствующие шумы активных сопротивлений. Влияние этих шумов на АЭУ оценивается с помощью выражений, аналогичных выражениям (1.41 - 1.42).

Величина шума мерцания, или фликкер-шума, зависит от чистоты материала эмитирующего электрода Его спектр сосредоточен в низкочастотной части диапазона и убывает с ростом частоты пропорционально величине 1/f .

Т аким образом, шумовая эквивалентная схема любого усилительного элемента описывается несколькими источниками шума. Так, например, шумовая эквивалентная схема транзистора для области, где фликкер-шум не действует, приведена на рис. 1.13. На этом рисунке сам транзистор является идеальным (не шумящим) элементом, обладающим только усилительными свойствами, а его шумовые свойства описываются тремя следующими генераторами:

Для оценки шумовых свойств наиболее широко используются такие величины, как эквивалентная шумовая ЭДС (ЕШ), приведенная ко входу АЭУ, шумовая температура (ТШ), коэффициент шума (FШ) и др.

Эквивалентная шумовая ЭДС ЕШ находится путем пересчета всех действующих источников шума во входную цепь усилителя.

Шумовая температура ТШ показывает, на сколько градусов необходимо поднять температуру сопротивления источника сигнала, чтобы на выходе идеального (по шумам) устройства получить мощность шумов, не отличающуюся от мощности шумов на выходе реального устройства.

Коэффициент шума FШ показывает, во сколько раз мощность шума на выходе устройства превышает мощность шума источника сигнала, приведенную к выходу устройства.