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

75 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

30894. Особенности гемодинамики в различных сосудистых регионах. Почечный кровоток 42.5 KB
  Регуляция Миогенная регуляция ауторегуляция Даже небольшое увеличение объемной скорости портального кровотока приводит к повышению тонуса воротной вены и сопряженно констрикцию печеночной артерии. Оба этих механизма направлены на обеспечение постоянства кровотока и давления в синусоидах Гуморальная регуляция Дистантная регуляция Адреналин вызывают сокращение воротной вены в ней альфаадрено рецепторы и дилятации печеночной артерии в ней бетаадренорецепторы и усиливает печеночный кровоток. Норадреналин вызывает констрикцию воротной вены и...
30895. Лимфатическая система 42 KB
  В отличие от кровеносных сосудов по которым происходит как приток крови к тканям тела так и ее отток от них лимфатические сосуды служат лишь для оттока лимфы т. Состав и свойства лимфы Лимфа собираемая из лимфатических протоков во время голодания или после приема нежирной пищи представляет собой бесцветную почти прозрачную жидкость отличающуюся от плазмы крови в 3 4 раза меньшим содержанием белков. Вследствие малого содержания белков вязкость лимфы меньше а относительная плотность ниже чем плазмы крови. Реакция лимфы щелочная.
30896. Регуляция работы сердца 46 KB
  Регуляция работы сердца Регуляция деятельности сердца Механизм регуляции деятельности сердца: Саморегуляция. Законы саморегуляции деятельности сердца: Закон ФранкаСтарлинга сила сердечных сокращений пропорциональна степени растяжения миокарда в диастолу. Нервная регуляция деятельности сердца. Симпатическая нервная система: а перерезка волокон СНС нет изменений в деятельности сердца симпатические центры иннервирующие сердце исходно не обладают спонтанной активностью; б активация СНС хроно ино батмо и дромотропный...
30897. Дыхание 39.5 KB
  Внешнее дыхание вентиляция легких обмен газов между атмосферным воздухом и альвеолярным легочная вентиляция. Диффузия газов в легких обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью в капиллярах легких.Вентиляция легких 2.Перфузия легких кровью интенсивность кровотока в легких .
30898. Биомеханика спокойного вдоха и выдоха 27 KB
  Биомеханика спокойного вдоха и выдоха Биомеханика спокойного вдоха В развитии спокойного вдоха играют роль: сокращение диафрагмы и сокращение наружных косых межреберных и межхрящевых мышц. Под влиянием нервного сигнала диафрагма наиболее сильная мышца вдоха сокращается ее мышцы расположены радиально по отношению к сухожильному центру поэтому купол диафрагмы уплощается на 1520 см при глубоком дыхании на 10 см растет давление в брюшной полости. Под влиянием нервного сигнала сокращаются наружные косые межреберные и межхрящевые мышцы. У...
30899. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Легочные объемы 36.5 KB
  Легочные объемы Анатомофизиолгические показатели легочные объемы определяются антропометрическими данными индивидуума : 1ростовесовыми показателями 2 строением грудной клетки 3 дыхательных путей 4 строением и свойствами легочной ткани эластическая тяга легких поверхностное натяжение альвеол 5 силой дыхательных мышц Легочные объёмы и ёмкости ОЕЛ ЖЕЛ РОвд ЕВвд ДО РОвыд ФОЕ ОО Коллапсный О Минимальный О Легочные объемы: Общая емкость легких ОЕЛ количество воздуха находящееся в легких после максимального вдоха. ОЕЛ состоит...
30900. Клинико-физиологическая оценка внешнего дыхания. Функциональные показатели 27.5 KB
  Минутный объем дыхания МОД объем воздуха который проходит через легкие за 1 минуту. Этот показатель можно определить двумя методами: с помощью спирографии ДО умножается на частоту дыхания и путем сбора воздуха в мешок Дугласа. МВЛ это максимальное количество воздуха которое может вдохнуть и выдохнуть пациент за 1 минуту ЧД – более 50 уд мин; N=1418. Форсированная жизненная емкость легких ФЖЕЛ количество воздуха которое пациент может выдохнуть за счет экспираторного маневра максимально быстро и полно .
30901. Газообмен в легких и тканях 34 KB
  Газовый состав вдыхаемого альвеолярного и выдыхаемого воздуха Дыхательные газы Вдыхаемый воздух Альвеолярный воздух Выдыхаемый воздух О2 мм рт. в процессе жизнедеятельности идет постоянный процесс потребления О2 и выделения СО2 это поддерживает концентрацию дыхательных газов в нем на постоянном уровне. Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью. Транспорт газов кровью.
30902. Транспорт газов кровью 280.5 KB
  В жидкой части крови растворены газы воздуха: кислород углекислый газ азот. При содержании гемоглобина 150 г л норма каждые 100 мл крови переносят 208 мл О2. Это кислородная емкость крови. Другой показательсодержание кислорода в крови взятой в различных участках сосудистого русла: артериальной 20 мл О2 100 мл крови и венозной 14 млО2 100 мл крови .