книги из ГПНТБ / Любивый В.И. Усилительные устройства учеб. пособие
.pdf20
частотных искажений является степень отклонения коэффициен та усиления на данной частоте относительно коэффициента уси ления К 0 , т .е . от идеальной частотной характеристики,
представленной в виде горизонтальной прямой на уровне K.Q .
Для количественной оценки частотных искажений пользу ются коэффициентом частотных искажений, который определяет ся выражением
Оценку искажений производят для заданного диапазона
ч астот, в пределах которого необходимо произвести усиление
гармонических составляющих сигнала. Рабочим диапазоном час-^
тот усилителя гармонических сигналов называют полосу частот
от |
низшей |
частоты |
| и до высшей рабочей |
частоты |
, в |
|
пределах |
которой |
коэффициент усиления по |
модулю, |
а иногда |
||
и |
по фазе |
не должен выходить |
за пределы |
заданных допусков. |
||
|
Иногда для |
анализа схем |
усилителя |
используют понятие |
||
относительного усиления, которое количественно можно выра зить в виде нормированного коэффициента усиления
|
|
К |
г |
|
(I.+) |
|
|
К, 1V |
' |
||
где |
r . J |
L |
|
|
|
|
\ |
к„ |
|
|
|
Модуль |
нормированного |
коэффициента усиления |
носит |
||
имя нормированной частотной характеристики.
Для оценки частотных искажений можно в одинаковой
степени пользоваться характеристиками Стя { 0 или Н ( 1 ) ,
Эти .коэффициенты можно выражать как в относительных, так и логарифмических единицах.
Следует иметь в виду, что рабочая полоса пропуска ния усилителя определяется допустимыми изменениями коэффи циента усиления на границах полосы.
Допустимые изменения усиления зависят от назначения и условий работы усилителя.
Обычно выбирают одинаковые частотные искажения на^
верхней и нижней границах полосы пропускания на уровне
21
Тогда оабочим диапазоном частот усилителя ^гармонических
сигналов будет полоса частот, в пределах которой модуль
коэффициента усиления не |
снижается более чем в 1Гг |
раз |
|
от своего максимального |
значения (с м .р и с .1 .9 ). |
|
|
Фазовая характеристика усилителя выражает зависимость |
|||
сдвига фазы между входным и выходным напряжениями от |
часто |
||
ты. Под фазовым |
сдвигом |
в усилителях, обычно, имеют в виду |
|
лишь те сдвиги, |
которые*создают реактивные элементы схемы, |
||
а поворот фазы усилительным элементом во внимание не прини мается.
Один из видов фазовой характеристики показав на рис.1.10.
Она построена в линейном масштабе, причем положитель ные значейия tf . соответствуют опережению входного напря жения выходным,отрицательные -отставанию выходного от вход-
Фазовые искажения являются одной из причин изменения
формы кривой усиливаемых колебаний, вызванной неодинаковыми временными запаздываниями отдельных составляющих спектра частот сигнала, при прохождение их через усилитель.
Идеальной фазовой характеристикой усилителя, при кото
рой отсутствуют фазовые искажения, является прямая, проходят
щая через начало координат, т .е . |
линия вида tf =<*■£ f |
||||
где |
Л |
- любое постоянное число, включая и нуль. |
|||
Так как напряжение на выходе не может возникнуть |
|||||
раньше, |
чем |
на |
входе, то а ^ о |
. |
Физически величина ©- |
предотавляет |
время запаздывания |
Ъ , |
. |
||
-22
Фазовые искажения оцениваются отклонением реальной фазо вой характеристики от идеальной. Но так как идеальные характе ристики могут проходить через начало координат под любым уг -
лом, то фазовые искажения оцениваются разностью ординат фазо вой характеристики и касательной к ней, проведенной через на чало координат. На основании последнего можно определить от -
клонение лФ для отдельных участков фазовой характеристики.
Так, для нижней части характеристики (сы .р и с,1 ,1 0 ) касатель ной является ось абсцисс ( р н о .1 .П ,а ), для верхней - другая ка сательная ( р и с .1 .I I ,б ) .
Р и с .I .I I
Запаздывание во времени оценивается по мгновенному за паздыванию каждого компонента усиливаемого спектра
ЬЛи) |
d i p ( U ) |
|
|
d i b |
(1 .5 ) |
||
|
|||
Частотную и фазовую характеристики |
можно совместить в |
||
одной,так называемой частотно-фазовой характеристикеСрис.1 .1 2 ) ,
которая представляет собой геометрическое место концов вектора
KL |
для |
частот |
f от 0 до со |
• ее строят в полярной си |
стеме координат, откладывая от |
центра модули векторов К » /!,), |
|||
V |
V A |
(V ••• |
:пЖуглам"и |
4 |
23 -
l
1
Переходная характеристика
Известно, что в начальный период после подачи любого сигнала имеет место переходный процесс. При кратковременных сигналах роль переходного процесса возрастает. Это в боль шей степени откосится к импульсным сигналам, которые пред ставляют собой резкие переходы от одного уровня к другому. Характерным для импульсов является то, что они состоят из участков с резко различными скоростями изменения. При усиле нии такого сигнала в каждой из точек излома будет иметь мее-i то переходный прочесе. Поэтому основной характеристикой уси лителей импульсных сигналов принято считать переходную хяракь
терсти ку . |
Под переходной характеристикой усилителя понимают |
||||
его выходное напряжение |
(ток) |
'U g ( t) f |
изменяющееся во |
||
времени, которое численно равно переходному коэффициенту |
|||||
усиления |
k (L ) • |
44l(v/ |
, |
обусловленного |
воздействием |
приложенного к входным |
зажимам единичного |
скачка напряже- |
|||
ния и. <I»> =• К |
( р и |
с . |
1, 13), т .е . |
|
|
к < 1)= -и г ( 1 ) u (( u = i d )
24 -
Поспеднее соотношение следует понимать как численное равен ство.
Часто для практических |
целей удобнее использовать |
|
нормированные переходные характеристики £ ^ ( Ь ) |
. которые |
|
определяются как отношение |
к его значению после |
|
установления фронта скачка |
(р и е .1 * 1 3 ), |
т .е . |
= 1( 1) (1.6)
Р ис.1.13 |
|
В идеальном случае при отсутствии в усилителе реактив |
|
ных элементов переходная характеристика совпадала |
бы по форме |
с единичной Функцией^риеЛ. 14, пунктирная л и н |
и я ) . |
В реальных усилителях в связи с наличием реактивных
элементов |
переходная характерстика отличается от идеальной |
(сплошная |
линия,ем. р и с .1 .1 4 ). |
Отклонения реальных переходные характеристик, вызван
ных наличием реактивных элементов, от идеальных называют переходными искажениями, Ош делятся на искажения фронта и искажения плоской части переходной характеристики выход ного сигнала.Первые оценивают временем установления
и выбросом фронта 8 , |
вторыеспадом А плоской части |
||||
(вершины импульса). Принято |
считать, что |
Ц - это время, |
|||
за которое |
сигнал нарастает |
от 0 ,1 |
до 0 ,9 |
своего установив |
|
шегося значения, т .е . |
|
|
|
|
|
Выброс |
8 переднего |
фронта |
переходной характеристи |
||
ки обычно оценивается относительной величиной, представляю щей собой отношение разности максимальной величины переход
ной характеристики |
К- |
ординаты, |
имеющей место по |
окончании процесса |
установления K.Q , |
к последн ей ,т.е. |
|
( I .? )
или в нормированных единицах
|
|
|
|
и ш о о с< t >-1 . |
|
|
( 1.8 ) |
|||
|
Искажение плоской ч а ем переходной |
характеристики |
|
|||||||
оценивается |
за определенный |
промежуток врёмёниЛ^ |
( в |
слу |
||||||
чае импульса |
— за время., |
равное длительности импульса |
|
|||||||
Ъ.н |
) |
относительной |
величиной |
А |
, |
равной |
отношению |
|||
разности |
ординаты установившегося |
зшяения |
К 0 |
и орди |
||||||
наты |
K X b ^ )f соответствующей времени |
(времени, |
равному |
|||||||
длительности |
импульса)} |
к ординате |
К 0 |
, имеющей место |
по |
|||||
окончании |
процесса установления ф ронта,т.е. |
|
|
|||||||
или |
|
д „ |
i -Q H( 4 > |
|
С 1.9') |
Спад может быть положительным и отрицательным, |
|
^ охарактери зует |
запаздывание переходной характеристики |
относительно скачка |
на входе усилителя. |
Так как обычно у усилителей импульсных сигналов время установления переднего фронта импульса во много раз меньше длительности усиливаемых импульсов, то для оценки искаже ний фронта и вершины последних используют характеристики с различными масштабами времени. Для оценки искажений фронта используют переходные характеристики с сильно растянутым, масштабом времени, которые обычно называют переходными ха рактеристиками в области малых времен ; а для оценки вершины
импульса используют переходную характеристику с сильно ежа- 1 тым масштабом времени, называемую переходной характеристикой! в области больших времен.
Зная переходную характеристику усилителя, можно легко получить общую форму для напряжения на еговыходе и ( Ь ) при воздействии на входе прямоугольного импульса. Предста
вим |
прямоугольный импульс в виде суммы двух единичных скач |
|||
ков |
напряжения u ^ D - K b ) |
й |
4 |
различной по |
лярности, сдвинутых на время |
Ьц |
(рис.1. 1^з)„ |
||
Реакцией линейного усилителя |
на |
эти |
два скачка будет раз |
|
ность двух переходных характеристик (рис.1.15,6), сдвинутых
во времени на t u , которая и |
определит форму импульса на |
выходе усилителя (рис. 1.15,в) , |
|
К оаосмотренным параметрам переходной характерстики |
|
следует добавить еще парметр |
А , который характеризует |
отрицательный выброс импульса. |
|
Он представляется отношением максимальной величины
огпицатепьного выброса импульса к его установившемуся зна чению Й .
В арблнжешш можно считать, что
А = д |
. |
- 27 -
|
|
L |
|
• |
... |
' |
< |
- t u ------- |
|
i |
|
14с
Рис. I . 15
- 28 -
Нелинейные искажения
Под нелинейными искажениями выходного сигнала понимают изменения его формы, вызываемые нелинейностью элементов схе-> (мы усилителя.. Основными нелинейными элементами являются лампы, транзисторы и индуктивности с железом (трансформато ры и дроссели). Искажения в усилительных элементах обуслов лены нелинейностью их характеристик, в трансформаторах и дросселях-нелинейностью кривой намагничивания 8(H ) . Не линейные искажения проявляются в образовании новых компонент тов спектра сигнала на выходе усилителя, отсутствующих в спектре входного сигнала. Так, при подаче на вход сигнала
синусоидальной формы, частоты |
{ |
на выходе появятся , кро |
|
ме напряжения основной частоты, напряжения новых частот, |
|||
кратных частоте входного сигнала, |
т .е . 2 t , 3 i |
и т .д . |
|
При усилении сложного сигнала, состоящего из нескольких |
|||
гармонических составляющих, |
на выходе усилителя |
появится |
|
сигнал, состоящий иа основных гармоник, подаваемых на вход, кратных им гармоник и комбинационных частот.
Количественно нелинейные искажения в случае гармоничес-г кого сигнала удобно оценивать коэффициентом нелинейных искам кений (коэффициентом гармоник)
|
^ |
I |
eg» |
^ |
|
|
|
V. |
|
где ea t i -номер гармоники; |
|
|
(I.IO ) |
|
|
|
|
||
X P n - |
сумма электрических мощностей,выделяемых на на- |
|||
|
грузке гармониками, появившимися в результате |
|||
|
нелинейного усг пенияj, |
|
|
|
Т* - |
электрическая мощность парой |
гармоники; |
||
|
Действующие (могут быть амплитудные) |
|||
|
значения гармоник тока |
на |
выходе; |
|
4 l>Ц»1^5шд-^йействующие (могут быть амплитудные)
значения гармоник напряжения на выходе.
- 29 -
При переходе в последнем соотношении от мощности к
току или напряжению сопротивление нагрузки принято активным,
не зависящим от частоты.
При отсутствии реактивных элементов в схеме усилителя
соотношение основной и высших гармоник на выходе зависит только от амплитуды входного сигнала, но не зависит от его частоты; при этом отсутствует сдвиг фаз между выходными и входными сигналами.
Допустимая величина нелинейных искажений, вносимых уси
лителем, определяется его назначением. Так, например, в наи-
более ответственных усилителях радиовещательного типа коэффи
циент нелинейности не превышает 1 -2 # , а в звуковом усилителе*
среднего качества н* должен превышать 5 -7# .
Б некоторых случаях оценку коэффициента нелинейности
производят не по суммарной мощности всех гармоник , а по отдельным гармоникам. Так, коэффициент по второй гармонике
определяется как |
^ га=|/ - р - , |
по третьей fe?3 = |
и т .д . |
8 |
|
Вышеприведенная оценка |
нелинейных искажений усилите |
|
лем гармонических колебаний практически непригодна для импуль сных усилителей. Это обусловлено тем, что неодинаково сказы-:
вается влияние нелинейности на импульсы различной формы.
Так, например, если при усилении прямоугольных импульсов нелинейность усилителя практически не влияет на форму выход-!
н и х , импульсов, то при усилении пилообразных импульсов даже