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

80 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

24699. Основные особенности выполнения РЗ на блоках 88 KB
  2 отсутствие электрической связи между генератором и сетью имеющее место в блочных схемах облегчает решение вопросов селективности РЗ генератора от замыканий на землю вследствие высокой стоимости мощных генераторов и трансформаторов повышенные требования в части чувствительности быстродействия и надежности на блоках без поперечных связей необходимость действия на останов блока в целом; На блоках малой мощности до 30 МВт включительно в качестве РЗ от внешних КЗ применяется МТЗ с комбинированным пуском по напряжению. На блоках...
24700. ЗАЩИТА РОТОРА от замыкания на корпус 63 KB
  Для периодического контроля за состоянием изоляции цепей возбуждения используется вольтметр один зажим которого соединен с землей а второй поочередно подключается к полюсам ротора. Если изоляция ротора достаточно высока замеры вольтметра в обоих случаях будут близки к нулю. Второй конец обмотки токового реле заземляется через специальную щетку имеющую электрический контакт с валом ротора.
24701. Защита ротора от перегрузки 38 KB
  Для предотвращения повреждения ротора при перегрузке предусматривается специальная РЗ а также выполняется ограничение длительности форсировки возбуждения. Наиболее полноценную РЗ ротора от перегрузки можно осуществить с помощью реле имеющего характеристику соответствующую перегрузочной характеристике ротора. Выдержка времени первой ступени при одних и тех же значениях тока ротора примерно на 20 меньше выдержки времени второй ступени.
24702. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГЕН-В, ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ГЕНЕРАТОРОВ 41.5 KB
  Обмотка ротора гена находится под сравнительно невысоким напряжением и поэтому ее изоляция имеет значительно больший запас элой прочности чем изоляция статорной обмотки. Однако изза значительных механических усилий обусловленных большой частотой вращения роторов турбогенов относительно часто наблюдаются случаи повреждения изоляции и замя обмотки ротора на корпус т. Замыкание на корпус в одной точке обмотки ротора неопасно так как ток в месте замыкания очень мал и нормальная работа генератора не нарушается. При двойных...
24703. Общие принципы работы реле. Работа реле на переменном токе 91.5 KB
  Общие принципы работы реле. Работа реле на переменном токе. В устройствах РЗ и электрической автоматики применяются реле на базе электромеханических конструкций полупроводниковых приборах из отдельных диодов транзисторов и др. Электромеханические реле обладают большими габаритами значительным потреблением мощности требуют тщательного ухода имеют ограниченное быстродействие и чувствительность.
24704. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ 220 KB
  ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ Работа индукционных реле основана на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами индуктированными ими в подвижной системе реле. Основными элементами реле являются два электромагнита 1 и 2 и подвижная система 3 расположенная в магнитном поле электромагнитов рис. С осью 4 жестко связан подвижный контакт реле 5 замыкающий при повороте неподвижные контакты 6. Момент Мэ приводит в движение подвижную систему 3 которая в зависимости от знака направления Мэ действует в сторону замыкания или размыкания контактов...
24705. МТЗ. Структурная и принципиальная схема 154.5 KB
  МТЗ. Селективность действия МТЗ достигается с помощью выдержки времени. МТЗ являются основным видом РЗ для сетей с односторонним питанием. Соответственно при КЗ в точке К2 быстрее всех сработает МТЗ 3.
24706. Погрешности ТН. Повреждения в цепях ТН 124.5 KB
  Повреждения в цепях ТН. Во вторичных цепях ТН могут возникать повреждения КЗ и обрывы. Для предупреждения ложных действий РЗ предусматриваются блокирующие устройства которые реагируют на появление U0 и I0 при повреждениях в цепях напряжения во вторичных цепях ТН и подают сигнал. Недостатком таких устройств блокировки является то что при КЗ в цепях фазных напряжений они не действуют.
24707. ТН. Схемы соединений 187 KB
  Начала и концы первичных и вторичных обмоток ТН Н н и К к обозначаются так же как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки А и X у вторичной соответственно а и х. Начала каждой обмотки А В С присоединяются к соответствующим фазам ЛЭП а концы X Y Z объединяются в общую точку нейтраль N и заземляются подводится напряжение фазы ЛЭП относительно земли. Заземление нейтрали первичной обмотки ТН и наличие нулевого провода во вторичной цепи являются обязательным условием для получения фазных напряжений относительно земли....