Искажения сигнала в усилителе.

Искажением называется отклонение формы усиленного сигнала на выходе от формы сигнала, подаваемого на вход.

Различают линейные искажения и нелинейные.

Линейные обусловлены влиянием линейных элементов схемы (индуктивностей, емкостей). Эти искажения бывают трех видов: частотные, фазовые, переходные.

Частотные искажения связаны с неидеальностью АЧХ усилителя. Вспомним АЧХ усилителя переменного тока:

На краях полосы пропускания имеются спады усиления. Поэтому при усилении входного сигнала сложной формы, состоящего из набора гармонических составляющих разных частот, не все эти спектральные составляющие будут усиливаться в одинаковое число раз. Это приведет к изменению формы выходного сигнала по отношению к форме входного, т.е. к искажениям.

Частотным искажениям подвержены сигналы сложной формы. Гармоническое колебание не подвержено.

Мерой частотных искажений является коэффициент частотных искажений:

(1)

( - коэффициент усиления на средних частотах, - на какой-либо частоте)

Обычно задается на граничных частотах:

, (2)

(3)

В усилителях звуковых сигналов частотные искажения воспринимаются на слух как изменение тембра (высоты тона). Допустимое значение на граничных частотах в усилителях звуковой частоты около 3 дБ (1,41 отн. единиц), для аппаратуры высокого класса – не более 0,1 дБ.

Фазовые искажения являются следствием неидеальности ФЧХ усилителя, т.е. ее нелинейностью в области нижних и верхних частот.

В случае идеальной, т.е. линейной ФЧХ, когда

, (4)

изменения формы усиливаемого колебания не происходит. Действительно, пусть входной сигнал имеет вид:

. (5)

Амплитуды все спектральных составляющих вырастут в раз. Выходной сигнал примет вид:

. (6)

Т.е. выходной сигнал повторяет формы входного сигнала, отличаясь только амплитудой и запаздыванием во времени на .

Если же ФЧХ нелинейна, время запаздывания различных гармонических составляющих сигнала будет различным. Суммирование их на выходе даст сигнал, отличный по форме от входного, т.е. появляется искажение.

На слух фазовые искажения не воспринимаются. Обычно о фазовых искажениях говорят в случаях усиления видеосигналов (телевидение, осциллография) и для фазометрических систем.

Переходные искажения представляют собой изменение формы импульсного сигнала в усилителях, обусловленное действием реактивных элементов (емкостей, индуктивностей).

(Рассматривали при изучении переходной характеристики усилителей)

Нелинейные искажения

Нелинейными искажениями называются изменения формы сигнала в усилителях, вызванные наличием в схеме усилителя нелинейных элементов. Активные элементы усилителя (транзисторы, микросхемы) обладают нелинейными ВАХ. Нелинейность особенно заметно проявляется при работе с сигналами большой величины. Это является основной причиной нелинейных искажений в усилителях. В усилителях, содержащих трансформаторы, возникают дополнительно существенные нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью характеристик намагничивания сердечников.

Предположим, что на вход усилительного каскада на биполярном транзисторе подается синусоидальный сигнал от источника ЭДС, причем входное сопротивление усилителя гораздо больше внутреннего сопротивления генератора

(7)

поэтому

. (8)

Изобразим характеристику прямой передачи транзистора (она нелинейна):

По кривой 3 видно, что входной коллекторный ток не является синусоидальным. Искажения его формы зависят от вида ВАХ транзистора (1).

Выходной ток заметно отличается по форме от синусоидального, т.е. содержит высшие гармоники.

Появление на выходе усилителя новых спектральных составляющих – гармоник более высокого порядка, которых не было в спектре входного сигнала, характерная особенность нелинейных искажений.

Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник (важный технический показатель усилителя). Он равен отношению среднеквадратичной суммы действующих или амплитудных значений напряжения (тока) высших гармоник сигнала, появляющихся в результате нелинейных искажений, к действующему или амплитудному значению напряжения (тока) основной частоты:

(9)

Иногда используются коэффициенты отдельных гармоник:

; … (10)

С ростом порядка гармоник амплитуда их убывает.

В усилителях звуковых сигналов нелинейные искажения приводят к хрипу, дребезжанию. При

(11)

они почти незаметны.

В высококачественных усилителях звуковых частот

. (12)

В усилителях измерительной аппаратуры составляет десятые, сотые доли процента. В усилителях многоканальной связи – сотые, тысячные доли процента (во избежание взаимных помех каналов).

Собственные помехи усилителя.

Это нежелательные колебания, возникающие внутри усилителя и попадающие на его выход.

Различают несколько видов помех.

Фон - колебания с частотой питающей сети или кратные ее. Обычно попадают в усилитель по цепям питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций выпрямителя питающего напряжения.

Наводки – напряжения, образованные от посторонних источников. Ими могут быть сетевые трансформаторы блока питания, его соединительные провода, соседние генераторы, электродвигатели и пр. Устраняются применением развязывающих фильтров в источниках помех, экранированием усилителя или его отдельных цепей.

Собственные шумы усилителя – флуктуационные колебания, обусловленные хаотическим движением свободных зарядов (электронов, дырок) во всех электропроводящих материалах деталей усилителя. Шумы возникают на микроскопическом уровне, но, будучи многократно усиленными, могут быть соизмеримы с уровнем полезного сигнала.

С достаточной степенью точности шумовые свойства усилителя могут быть отображены генераторами ЭДС и тока , включенными на входе:

( - внутреннее сопротивление эквивалентного генератора входного сигнала)

Для и справедливы формулы:

, (13)

, (14)

где (15)

- постоянная Больцмана,

- абсолютная температура,

и - соответственно шумовое сопротивление и шумовая проводимость усилителя.

Обратные связи (ОС) в АЭУ.

Назначение и основные виды ОС.

Обратной связью называется такая связь выхода устройства с его входом, при которой часть энергии сигнала подается с выхода на вход.

Если ОС возникает самопроизвольно, ее называют паразитной. Если вводится преднамеренно – искусственной.

Искусственные ОС широко применяют для улучшения технических показателей и характеристик устройств.

Различают ОС местную и общую. Местной называют ОС, охватывающую часть устройства, например, один каскад усилителя. Общей – охватывающую все устройство.

Изобразим простейшее соединение усилителя, имеющего коэффициент усиления , с цепью ОС, имеющей коэффициент передачи .

Здесь - коэффициент передачи цепи ОС.

(1)

Он показывает какая часть выходного напряжения подается на вход.

Сигнал ОС (напряжение ОС) с выхода цепи ОС вместе с входным сигналом ( ) подается на вход усилителя. Для определенности взяты напряжения. Во входной цепи усилителя происходит векторное сложение их комплексных амплитуд.

(2)

Если амплитуда

(3)

и ОС увеличивает коэффициент усиления (т.к. увеличение приводит к увеличению ), такая связь называется положительной.

Если же

(4)

и коэффициент усиления уменьшается, то связь называется отрицательной.

При положительной ОС фаза напряжения ОС совпадает с фазой входного напряжения, при отрицательной – противоположна фазе входного напряжения в основной части диапазона усиливаемых частот (на средних частотах). (На краях рабочего диапазона возникают дополнительные фазовые сдвиги.)

В усилителях обычно используется отрицательная ОС (ООС). Положительная – редко, в специальных случаях.

Различают так же ОС частотнозависимую и частотнонезависимую. Частотнозависимая ОС – связь, свойства которой зависят от частоты (например, через конденсатор).

Основные способы осуществления ОС.

Обратные связи различается по способу снятия сигнала ОС с выходной цепи усилителя и по способу подачи во входную цепь.

По способу снятия различают ОС по напряжению и по току.

При ОС по напряжению вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя, параллельно нагрузке. Напряжение на выходе цепи ОС ( ) пропорционально напряжению на нагрузке.

При ОС по току вход цепи ОС присоединен к выходу усилителя последовательно с нагрузкой. пропорционально току в нагрузке.

Для определения вида ОС надо мысленно разорвать цепь нагрузки. Если связь исчезнет, то это ОС по току, если останется – по напряжению.

Возможна комбинация этих способов – комбинированная связь.

По способу передачи различают ОС последовательную и параллельную.

При последовательной ОС выход цепи ОС подключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала, при параллельной – параллельно входу усилителя.

Для определения способа введения ОС во входную цепь усилителя надо мысленно закоротить источник сигнала

( ). (5)

Если связь исчезнет, то это параллельная связь, если останется – последовательная.

Петля ОС и ее параметры.

Петля ОС - это замкнутый кольцевой путь, который проходит сигнал через усилитель и цепь ОС. Структурную схему петли ОС (усилитель с ОС) можно изобразить следующим образом:

Она включает четырехполюсник усилителя - и четырехполюсник ОС - .

Схему можно изобразить более упрощенно (рис.1).

Важным параметром, характеризующим передачу сигнала по петле ОС, является петлевое усиление (или возвратное отношение).

(6)

представляет собой общий коэффициент передачи соединенных каскадно четырехполюсника усилителя и четырехполюсника ОС. (коэффициент передачи входной и выходной цепей считаем =1)

Разность

(7)

называется возвратной разностью. Она представляет собой разность между напряжением, поданным в разрыв петли ОС, и напряжением, возвратившимся к тем же точкам после обхода петли (разность нормируется относительно поданного напряжения).

(8)

Модуль возвратной разности

(9)

называется глубиной ОС.

При положительной ОС:

(10)

При отрицательной ОС:

(11)

(Знак «+» учитывает поворот фазы напряжения в петле при отрицательной ОС на 180⁰)

Комплексный характер и отражает возможность дополнительных фазовых сдвигов в петле (кроме 180⁰) на краях полосы пропускания усилителя.

Влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя.

Рассмотрим снова структурную схемы усилителя с ОС.

Коэффициент усиления усилителя без учета ОС:

(12)

Напряжение на выходе усилителя:

(13)

Тогда для усилителя охваченного ОС:

(14)

(15)

Полученная формула связывает коэффициенты усиления усилителя, охваченного ОС, и усилителя без ОС.

Запишем формулу в другом виде, учитывая, что

(16)

, (17)

где - фазовый сдвиг, вносимый цепью усилителя,

- фазовый сдвиг, вносимый цепью ОС.

Тогда

, (18)

где

(19)

- полный фазовый сдвиг по петле ОС (он же фазовый сдвиг между напряжением ОС и напряжением, подаваемым на вход усилителя).

При положительной ОС

; (20)

т.е. коэффициент усиления возрастает. При определенных условиях это приводит к самовозбуждению усилителя, т.е. переходу усилителя в режим автогенерации.

При отрицательной ОС

. (21)

Для средних частот рабочего диапазона усилителя можно записать (для усилителя с ООС)

, (22)

т.е. коэффициент усиления уменьшается.

Влияние отрицательной ОС на стабильность коэффициента усиления.

Коэффициент усиления усилителя не является стабильным из-за влияния ряда дестабилизирующих факторов: изменение температуры, напряжения питания, параметров усилительных элементов и пр.

Введем относительную нестабильность на средних частотах:

для усилителя без ОС

(23)

и для усилителя с ОС

(24)

Тогда, учитывая выражение для , имеем:

(25)

Отсюда видно, что относительная нестабильность коэффициента усиления уменьшается при наличии ООС.