22382

Искажения, вносимые в усилителе

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Искажения импульсных сигналов. Искажения вносимые в усилителе 8. Линейные искажения К линейным относят искажения: частотные вызваны неодинаковостью усиления различных частотных составляющих входного сигнала рис.

Русский

2013-08-04

229.5 KB

74 чел.

Лекция 8

Содержание лекции

Искажения в усилителе. Оценка искажений. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Фазо-частотная характеристика (ФЧХ). Искажения импульсных сигналов.

8. Искажения, вносимые в усилителе

   8.1. Линейные искажения

К линейным  относят искажения:

  •  частотные  — вызваны неодинаковостью усиления различных частотных составляющих    входного сигнала (рис.8.1 и 8.2);
  •  фазовые  —  возникают вследствие внесения в УУ дополнительных фазовых сдвигов между гармоническими составляющими выходного сигнала.

Пример (рис.8.1 и 8.2)

Пусть входной спектр такой

При линейных искажениях выходной спектр может стать, например, таким

Рис.8.1.Входной спектр усиливаемого сигнала      Рис.8.2.Входной спектр усиливаемого сигнала

Неравномерность усиления (различные коэффициенты усиления) каждой частоты и вызывают частотные искажения.

8.2.Нелинейные искажения

Нелинейные искажения: искажения, вызванные нелинейностью характеристик усилительных каскадов (рис.8.3); они приводят к искажению формы выходного сигнала (в усилителе  звуковой частоты проявляются в виде хрипов).

Рис.8.3.Механизм возникновения нелинейных искажений

При нелинейных искажениях на выходе усилителя появляются новые частотные составляющие.

8.3.Оценка нелинейных искажений

Нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

,  где  P2, P3, ..., PN - мощности появившихся гармоник,   P1 - мощность усиливаемой гармоники.

    При активной нагрузке (т.е. нагрузка для всех гармоник одинакова)     можно использовать формулы:

    или         .

Нелинейные искажения используются в генераторах для получения необходимых частот.  Например, искажают с помощью усилителя частоту 400 кГц, а затем усилив третью гармонику и подавив основную, получают на выходе частоту 1200 кГц.

8.4.Оценка частотных искажений

    Частотные искажения появляются вследствие наличия в схемах усилителей реактивных элементов и также из-за частотных свойств транзисторов, микросхем и т.д. Частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ).

 АЧХ –это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты .

На рис.8.4 представлены идеальная и реальная АЧХ.

Часто пользуются нормированной АЧХ, в которой по оси ординат откладываем К(f)/Кср, где Кср – коэффициент усиления на  средних частотах.

Рис.8.4.Идеальная АЧХ и АЧХ усилителя звуковой частоты

Среднюю частоту определяем из соотношения:    .

Для УПТ fср = 0, для УЗЧ  fср = 1 кГц.

    Нормированная АЧХ показана на рис. 8.5.

Рис.8.5.Нормированная АЧХ

Искажения оценивают на заданной частоте  по формуле М = К ср f, где М – коэффициент частотных искажений; К ср - коэффициент усиления на средней частоте; К f - коэффициент усиления на  данной частоте f.

Если искажения оценивают в дБ, то

                                  МдБ = 20 lg Kср/Kf = 20 lg M.                                                 

Для многокаскадного усилителя     

                                   М = М1. М2 ...Мn   

или                         Мдб = М1дБ + М2дБ + МnдБ.

    Если мы говорим о полосе усиливаемых частот, то на АЧХ это выглядит, например, так (рис. 8.6):

Рис.8.6.Полоса усиливаемых частот для УЗЧ (на уровне 3дБ)

Для 3дБ коэффициент усиления падает в 1,4 раза. Это и будет прямая на уровне 0,707. По ней мы и определим fн и fв.

Замечание. Иногда АЧХ искажают, чтобы получить для всего устройства требуемую АЧХ.

Это, например, необходимо в микрофонном усилителе, когда АЧХ микрофона имеет вид как на рис. 8.7,а. Для получения характеристики на выходе, показанной на рис. 8.7,в, необходимо, чтобы усилитель имел характеристику, показанную на рис. 8.7,б.

Рис.8.7  –  Способ получения требуемой АЧХ всего  устройства

8.5.Оценка фазовых искажений

Фазовые искажения оцениваются по фазочастотной характеристике (ФЧХ)  усилителя.

ФЧХ - это зависимость сдвига фаз между выходным и входным  напряжениями усилителя от частоты.

Фазовые искажения возникают  из-за наличия в усилителе реактивных элементов.

Типичная ФЧХ приведена на рис.8.8.

Рис.8.8 – Типичная фазо-частотная характеристика

В УЗЧ фазовые искажения особой роли не играют. Однако в усилителях импульсных сигналов эти искажения учитываются обязательно.

Проявление фазовых искажений рассмотрим на примере (смотри рис. 8.9). Пусть происходит усиление несинусоидального сигнала, состоящего из двух гармонических составляющих. Допустим, что при прохождении сигнала через усилитель фаза второй гармоники изменилась на четверть периода. При этом форма выходного сигнала существенно изменилась.

Форма кривой не искажается, если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, изменяется прямо пропорционально частоте. Покажем это.

Если входное напряжение               

где  - сдвиг фазы соответствующей гармоники, а вносимый усилителем на частоте n-ой гармоники фазовый сдвиг прямо пропорционален частоте:

,

то  .

Сравнение выражений и показывает, что выходной сигнал смещен относительно входного на время τ, взаимные фазовые соотношения составляющих не изменились, что означает сохранение прежней формы сигнала.

8.6.Связь АЧХ усилительных устройств с их полосой пропускания

В идеальном усилителе (т.е. в усилителе, не вносящим искажения в усиливаемый сигнал) модуль коэффициента усиления по напряжению должен оставаться постоянным во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности, а фазочастотная характеристика должна иметь вид прямой линии (рис. 8.10). В реальных усилителях диапазон рабочих частот ограничен сверху или снизу.

        В зависимости от вида амплитудно-частотной характеристики различают:

  •  усилители постоянного тока (УПТ)
  •  усилители   переменного тока
  •  избирательные усилители

Рис.8.10.АЧХ и ФЧХ идеального усилителя

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) усилителя постоянного тока простирается от 0 до fB, на которой коэффициент усиления уменьшается в  раз по сравнению с коэффициентом усиления в области средних частот:

Частоту fВ называют верхней граничной частотой усилителя.

В усилителях переменного тока полоса пропускания ограничена как сверху, так и снизу. Частоту fН, на которой KU(fН)=0,707 KU(fCP), называют нижней граничной частотой усилителя.

АЧХ различных усилителей и их полосы пропускания приведены в табл.8.1

        Таблица 8.1.

Усилитель постоянного тока. Полоса пропускания ограничена.

Усилитель переменного тока. Полоса пропускания ограничена как сверху, так и снизу.

Избирательный усилитель. Усиливает в узкой полосе частот.

Избирательные усилители усиливают сигналы лишь в узкой полосе частот, что достигается с помощью RC- или LC-цепей. В последнем случае избирательные усилители называют резонансными.

8.7.Искажения импульсных сигналов

Рассмотрим идеальный прямоугольный импульс (рис.8.10). Это   модель математическая.  На самом же деле из-за наличия реактивностей реальный импульс имеет несколько другой вид (например, на выходе усилителя – рис.8.10).

Рассмотрим параметры видеоимпульса:

tф - длительность переднего фронта (фронта);

tс - длительность заднего фронта (среза);

tи - длительность импульса;

um - амплитуда импульса;

um- спад вершины импульса;

tи - измеряется либо на уровне 0,1Um, либо 0,5Um;

tф - это время появляется за счет заряда входной емкости, т.е. импульс достигает максимального значения, когда емкость зарядится;

tс - это время определяется временем разряда этой же емкости

Рис.8.10.Идеальный и реальный прямоугольный импульс (видеоимпульс) и его параметры

Длительности фронтов определяются ВЧ-составляющими спектра, а спад вершины - НЧ-составляющими спектра.  

Для примера на рис. 8.11 приведены две  зависимости, показывающие искажения импульсов при отсутствии ВЧ и НЧ составляющих спектра.

Рис. 8.11.  Искажение формы прямоугольного импульса при отсутствии:

ВЧ составляющих спектра (а) ; НЧ – составляющих спектра (б) .

    

При анализе усилителей видеосигналов необходимо использовать теорию анализа переходных процессов, а также переходные характеристики.

Фазовые искажения оценивают по отклонению реальной и идеальной ФЧХ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Определите коэффициент нелинейных искажений Кг, если на выходе     усилителя появляются высшие гармонические составляющие тока с     амплитудой I=5мА,  I=3,32мА  ( I=100мА ).

2. Дайте объяснение появлению нелинейных искажений в усилителе и     приведите основные расчетные соотношения.

3.Определите в дБ коэффициент частотных искажений Мн, если на нижней граничной частоте рабочего диапазона коэффициент усиления равен 25, а на средней частоте – 30.

4.Определите коэффициент усиления Кср на средних частотах, если на низшей частоте рабочего диапазона Кн=40. Коэффициент частотных искажений Мн =1,1.

5.Какие искажения относят к линейным?

6.Изобразите АЧХ и ФЧХ идеального усилителя и УНЧ.

Результирующий сигнал

Результирующий сигнал

1-я гармоника

-я гармоника

U

U

t

t

1-я гармоника

3-я гармоника

t

t

U

U

Рис.8.9 – Влияние фазовых сдвигов на результирующий сигнал

Идеальная

Реальная

а)

б)

в)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55107. Обследование курящего человека: спирометрия, определение концентрации метгемоглобина, тест для определения котинина. Методические указания 144.5 KB
  1 группа - характеризующие легочные объемы дыхательный оббьем резервный объем вдоха резервный объем выдоха остаточный объем и емкости общая емкость емкость вдоха функциональная остаточная емкость. 3 группа -– характеризующие состояние бронхиальной проходимости форсированная жизненная емкость легких максимальная объемная скорость дыхания во время вдоха и выдоха
55108. Общее учение о болезни 108.5 KB
  Цель: проверить и закрепить полученные знания о здоровье и болезни. Вопросы для самоподготовки: Определение понятия «здоровье» Критерии здоровья. Определение понятия «болезнь». Понятие о патологическом процессе и патологическом состоянии.
55109. Исследование систем управления 88 KB
  Методологии и практическим навыкам исследования надо учить вкус к исследовательской деятельности надо прививать способности к исследовательской работе надо развивать уже в процессе подготовки специалистов.
55110. Коммерческие банки и их функции 19.57 KB
  В механизме функционирования кредитной системы огромная роль принадлежит коммерческим банкам. Они аккумулируют основную долю кредитных ресурсов, предоставляют клиентам полный комплекс финансового обслуживания, включая выдачу ссуд, прием депозитов, расчеты, покупку-продажу и хранение ценных бумаг, иностранной валюты и т.д
55111. История развития генетики как фундаментальной науки. Методы исследования генетики человека 40 KB
  Мать и отец пробанда здоровы. Четыре сестры матери пробанда здоровы мужья их здоровы. О двоюродных сибсах со стороны матери пробанда известно: в одной семье один больной брат две сестры и брат здоровы; в двух других семьях по одному больному брату и по одной здоровой...
55112. Банковский мультипликатор: сущность и механизм действия 18.77 KB
  Банковский мультипликатор представляет собой процесс увеличения (мультипликации) денег на депозитных счетах коммерческих банков в период их движения от одного коммерческого банка к другому
55114. ИСТОРИЯ РИТОРИКИ 217.5 KB
  Интерес представляет риторическое обучение в духовных академиях и старообрядческих общинах. В библиотеках Москвы, Киева, Санкт-Петербурга хранятся многочисленные рукописи учебников, созданных учителями риторики для своих учеников, различные сборники с риторическими статьями и школьными речами.